Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen (USV)

Maschinen vor Stromausfällen und Netzschwankungen schützen

Bereits heute setzen viele Branchen in der Fertigung empfindliche Steuer- und Regelsysteme ein. Künftig werden im Zuge des Zukunftsprojektes Industrie 4.0 Produktionsanlagen und IT-Systeme noch stärker zusammenwachsen, denn immer mehr Unternehmen erkennen die Vorteile vollautomatischer Prozessabläufe in der Produktion.

Abbildung 1: USV-Topologien und ihre jeweiligen Schutzleistungen.

Im gleichen Maße wächst damit ihre Abhängigkeit von einer zuverlässigen Stromversorgung. Die Absicherung moderner Produktionsstätten und Fertigungsstraßen durch unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen (USV) wird somit zunehmend zur Pflicht, um hohe Folgekosten durch Stromausfälle und Netzschwankungen zu vermeiden.

Das volkswirtschaftliche Wachstumspotenzial durch den breiten Einsatz IT-basierter Automatisierung und selbstständiger Prozessabläufe in der Produktion ist enorm. In den sechs wichtigsten Branchen Deutschlands - Automotive, elektrische Ausrüstung, Maschinenbau, chemische Erzeugung, Landwirtschaft und ITK - erwarten BITKOM und Fraunhofer IAO bis 2025 eine Steigerung der durchschnittlichen Bruttowertschöpfung von 23% zum Basiswert von 2013. Bei der gesamtdeutschen Entwicklung rechnen beide Organisationen immerhin noch mit einem Potenzial von 11,5%. Daher wird sich der in zahlreichen Branchen bereits erreichte, hohe Automatisierungsgrad mit der so genannten vierten industriellen Revolution - oder Industrie 4.0 - noch deutlich vergrößern. Insbesondere Produktionsumgebungen von Zulieferern, beispielsweise in der Automotive-Branche, werden in den nächsten Jahren eine starke IT-Durchdringung erfahren, denn dezentrale, automatisierte Prozesse erlauben eine bedarfssynchrone Produktion (Just-in-Time) und damit eine höhere Lieferflexibilität. Logisch vernetzte, intelligente Produktionsanlagen werden daher künftig in der fertigenden Industrie eine bedeutende Rolle spielen, so dass der Einsatz komplexer und empfindlicher Systeme zum Standard wird.

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Schwankende Stromversorgung als Gefahrenquelle

Da die Abhängigkeit von immer komplexerer Steuer- und Regelungstechnik im Produktionsumfeld wächst, wird eine sichere und hochwertige Energieversorgung immer notwendiger. Spannungs-, Frequenzschwankungen und Stromausfälle stellen eine akute Gefahr für elektronische Systeme wie Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Industrie-PCs dar, denn sie können kritische Daten innerhalb von flüchtigen Speichern beeinträchtigen oder nachhaltig schädigen. Wenn dadurch wichtige Teilbereiche der Produktionskette zum Stillstand gezwungen werden, kann es schnell zu einem vollständigen Fertigungsstopp kommen. Die zeitraubende Neujustierung oder Feineinstellung von Produktionsanlagen wie das erneute Einlesen von Achspositionen und Nullpunkten kann einen solchen Ausfall im schlimmsten Fall auf mehrere Tage ausdehnen. Stromunterbrechungenkönnen aber nicht nur wirtschaftliche Schäden bedeuten. So kann etwa ein plötzlicher Stillstand von elektromechanischen Antrieben Werkzeuge beschädigen und splitterndes Material die Arbeitsicherheit gefährden.

Risikofaktor Energiewende

Der verstärkte Einsatz vollautomatisierter Fertigungsprozesse wird in Zukunft die Anforderungen an das Stromnetz noch vergrößern. Seit Beginn der "Energiewende" nimmt die Qualität der Stromversorgung aber zunehmend ab. Durch die Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien steigt das Risiko von Versorgungsengpässen, Frequenzschwankungen, Spannungsspitzen und Miniblackouts. Laut Bundesnetzagentur und System Average Interruption Duration Index (SAIDI) weist die durchschnittliche Versorgungsunterbrechung je angeschlossenem Netzverbraucher seit 2009 eine steigende Tendenz in Deutschland auf. Obwohl der SAIDI Miniblackouts von unter drei Minuten nicht berücksichtigt, erreichte der Wert 2012 bereits knapp 16 Minuten. Dies bedeutet, dass die Netzbetreiber in den ersten drei Quartalen 2013 zwei Mal so häufig in das Stromnetz eingreifen mussten wie in den Jahren vor der Energiewende. Nur so konnten sie eine annähernd gleich bleibende Stromqualität sicher stellen. Aus diesen Gründen sieht sich die Industrie zunehmend dazu gezwungen, selbst für eine zuverlässige Energieversorgung zu sorgen.

Versorgungssicherheit durch USV-Anlagen

Um dies zu erreichen, setzen produzierende Unternehmen vermehrt auf Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Sie garantieren den stabilen Betrieb von Fertigungsstraßen und schützen die eingesetzten Maschinen vor Stromausfällen und kritischen Netzschwankungen. Dabei können die spezifischen Anforderungen der angeschlossenen Verbraucher an die Stromnetzqualität sehr heterogen ausfallen.

Mit Offline-, Line-Interactive- und Doppelwandler-USVs - auch Online-USVs genannt - stehen verschiedene Geräteklassen zur Verfügung. Sie repräsentieren dabei jeweils eine der drei genormten USV-Topologien (IEC 62040-3) mit fest definierten Schutzleistungen und eignen sich so für verschiedene Einsatzzwecke (Abb. 1). Während passive Offline-USVs vergleichsweise günstig in der Anschaffung sind und gegen Netzausfälle und Spannungsspitzen schützen, ist ihr Einsatz wegen des ansonsten ungefilterten Ausgangsstroms bei empfindlichen Verbrauchern nicht ratsam (Abb.2). Hier sollte zumindest auf Line-Interactive-Modelle zurückgegriffen werden, die mit ihrer Kompensationsschaltung zusätzlich Spannungsschwankungen des Eingangsstroms ausgleichen können (Abb. 3). Für den besten Schutz sollten dagegen Doppelwandler-USVs eingesetzt werden. Denn ihre komplexe Technik fängt neben Spannungsschwankungen auch Frequenzschwankungen und harmonische Oberwellen ab (Abb. 4). Der Nachteil ist, dass durch den aufwendigen Aufbau dieser Technologie die Energieeffizienz der Geräte sinkt. Doch nur Doppelwandler-USVs garantieren neben höchster Ausfallsicherheit eine durchgehend homogene Stromnetzqualität für besonders empfindliche elektrische Systeme. Um bei einem Stromausfall einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, stellen alle USVs einen Batteriepuffer bereit, mit dem sie unterbrechungsfrei von Netzversorgung auf Batteriespannung wechseln. Sind die Batteriekapazitäten ausreichend dimensioniert, ermöglichen sie bei lang anhaltenden Stromausfällen, Stellmotoren in ihre vordefinierte Sicherheitsposition zu fahren und Steuerungen sowie Industrie- und Regel-PCs ohne Datenverlust abzuschalten. Um die Maßnahmen entsprechend der inneren Logik des Produktionssystems durchzuführen, können USVs und Regelsysteme in den unterschiedlichen Teilbereichen der Produktionsumgebung miteinander vernetzt werden. Eine spezielle USV-Software leitet die Vorgänge dann beispielsweise mittels Simple Network Management Protocol (SNMP) eventgesteuert ein. So können Betriebsstörungen und Folgeschäden durch schwankende Netzversorgung deutlich reduziert werden.

Herausforderung für die Anwender: Die Planung

Entscheiden sich Unternehmen für eine umfassende Absicherung ihrer Produktionsumgebung mittels USV-System, müssen sie sich im nächsten Schritt der Herausforderung einer sorgfältigen Anlagen-Konzeption stellen. Schnell können bei ungünstiger Planung übermäßig hohe Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten entstehen. Besonders komplex wird die Angelegenheit, wenn die Strominfrastruktur in den Produktionsbereichen oder an einzelnen Fertigungssystemen unterschiedlich ausfällt. Während Steuerung- und Regelungseinheiten, Motoransteuerungen und Ventile mit 24 Volt oder 48 Volt Gleichstrom versorgt werden, nutzen elektrische Antriebe und große Produktionsanlagen meist 400 Volt Drehstrom. Bei Industrie-PCs sowie Schrittmotoren kommt dagegen haushaltsüblicher 230 Volt Wechselstrom zum Einsatz. Solche Begebenheiten benötigen bei den üblichen, dezentralen Lösungen oft gleich mehrere unterschiedliche USV-Systeme für die einzelnen Netzbereiche (Abb. 2). Aber nicht nur die geeigneten USV-Systeme müssen ermittelt werden, auch die benötigten Kapazitäten bedürfen einer sinnvollen Planung. Laut Faustregel sollte die Ausgangsleistung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung immer ein Drittel größer dimensioniert sein als die tatsächliche Last der angebundenen Geräte. So lassen sich Überlastungen durch Anlauf- und Rückspeiseströme angeschlossener Elektromotoren verhindern. Wichtig bei der Kapazitätsplanung: Anders als die Stützzeit, die mit zusätzlichen Batterien jederzeit erweitert werden kann, ist eine Änderung der Ausgangsleistung ohne Neuanschaffung der USV-Anlage in den meisten Fällen nicht mehr möglich.

Herausforderungen für die Hersteller: Das harte Produktionsumfeld

Können die Unternehmen bei sorgsamer Planung die Investitionskosten für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung noch selbst bestimmen, sind sie bei den mittel- und langfristigen Wartungs- und Betriebskosten in erster Linie von der Haltbarkeit der eingesetzten USV-Geräte abhängig. Während größere Anlagen meist eine Haltbarkeit von zehn bis 15 Jahren aufweisen, haben die als Puffer genutzten ventilgesteuerten Blei-Säure-Batterien (VRLA) durchaus mit den harten Umgebungsbedingungen im Produktionsumfeld zu kämpfen. Staub, Luftfeuchte und Vibrationen können Beschädigungen an Befestigungs- und Verbindungselementen der Batterien durch mechanische Belastungen oder Korrosion bewirken. Eine Herausforderung für die in den USV-Systemen eingesetzten Batterien sind jedoch vor allem die oftmals hohen Temperaturen innerhalb von Fertigungsumgebungen. Normalerweise werden Wasser- und Sauerstoff, die bei der Entladung der Batterie an den Elektroden entstehen, im Aufladezyklus zu Wasser rekombiniert. Bei hohen Umgebungstemperaturen kann im Gehäuse jedoch Wasserdampf entstehen, was zu einer unüblichen Gasung der Batterie über das Gehäuseventil führen kann. So geht langfristig Wasser verloren und das Elektrolyt trocknet mit der Zeit aus. Sobald die Temperatur oberhalb des optimalen Betriebspunktes von 20° Celsius (nach IEC 60896-2) liegt, kommt es deshalb zu einer vorzeitigen Alterung der VRLA-Batterien. Bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 30° Celsius sinkt ihre Lebenserwartung dann bereits um die Hälfte (Abb. 3). Eine Alternative bei extremen Umgebungsbedingungen sind Absorbent-Glass-Mat-Batterien (AGM-Batterien). Sie sind zwar teurer als herkömmliche VRLAs, vermeiden aber temperaturbedingte Alterserscheinungen, indem sie das Elektrolyt in einem Vlies aus Glasfaser binden.

Intelligente Lösungen minimieren Kosten

Führende Hersteller unterbrechungsfreier Stromversorgung wie Eaton reagieren mit verschiedenen Lösungsansätzen auf die Herausforderungen bei der Konzeption von USV-Anlagen und ihrem nachhaltigen Betrieb in Produktionsumgebungen. So bieten sie beispielsweise eine professionelle Projektierung inklusive einer Netzanalyse an, um interessierten Unternehmen dabei zu helfen, Fehlplanungen und Mehrkosten schon im Vorfeld zu vermeiden. Experten prüfen dazu die Stromnetzbedingungen vor Ort und ermitteln die individuellen Anforderungen des jeweiligen Unternehmens. So kann beispielsweise die Berücksichtigung zentraler Doppelwandler-USVs in der Planungsphase die Wirtschaftlichkeit der geplanten USV-Absicherung nachhaltig optimieren. Anders als herkömmliche, dezentrale Anlagen erlauben sie die Versorgung unterschiedlicher Verbraucher mit verschiedenen Stromarten durch ein einziges Gerät. Via Gleichrichter erzeugen diese Geräte einen 24/48 Volt Gleichstrom und in einem Zwischenkreis per Wechselrichter 230 Volt Wechselstrom (Abb. 4). Dadurch lässt sich die Zahl der benötigten Anlagen deutlich reduzieren. Die Höhe der notwendigen Investitionen sinkt damit genauso wie die langfristigen Folgekosten. Darüber hinaus lassen sich vor allem die Wartungsausgaben für die Batterien mit dem Einsatz intelligenter Ladetechniken noch weiter verringern. Beispielsweise verwendet Eatons Advanced Battery Management (ABM) statt einer permanenten Erhaltungsladung drei Ladebetriebsarten, zwischen denen mittels algorithmischer Steuerung gewechselt wird. So kann ABM mit einer temperaturkompensierten Ladekurve auf die Umgebungseinflüsse reagieren und ladebedingte Verschleißerscheinungen minimieren (Abb. 5). Bei hohen Temperaturen senkt die Ladesteuerung die Spannung, um die Gasung innerhalb des Akkumulators zu reduzieren und das Austrocknen des Elektrolyts zu verlangsamen. Zusammen mit einer jährlichen Wartung erreichen Batterien durch den schonenden Ladevorgang auch im widrigen Produktionsumfeld eine Lebensdauer von fünf bis sieben Jahren.

Die Kombination intelligenter Lösungsansätze wie eine sorgfältige Vorausplanung, die Nutzung zentraler Doppelwandler-USVs sowie fortschrittlicher Ladetechniken hilft, die Kosten für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung in Produktionsumgebungen deutlich zu verringern. (Autor: Simon Feger, Produktmanager Sales DE/CH bei der Eaton Electric GmbH)

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