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Manfred Beier, AEG Service Competence Center, eröffnete die Veranstaltung mit der provokativen Fragestellung: Wie lange muss eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) »überleben« und dabei die eigene Zerstörung riskieren, um die sensiblen Verbraucher zu schützen und möglichst lange zu versorgen? Diese Frage ist keinesfalls trivial, denn die IT, auf der heute weite Bereiche unseres Lebens und dessen Versorgung beruhen, ist in nahezu jedem wirtschaftlichen Bereich unternehmenskritisch.
Daneben hängt nicht selten menschliches Leben davon ab. Und es gilt unverändert die alte Weisheit: Ohne Strom keine IT.
Silizium Karbid – Verlustarme USV
Lothar Heinemann startete die Vortragsreihe mit dem Thema SiC (Silizium-Karbid) als Schlüssel zur verlustarmen USV. Es geht um den Wirkungsgrad, der sich heute bei 96 % etabliert hat. Jedes Prozent mehr verursacht überproportional steigende Kosten. Ziel sind jedoch USV-Geräte mit hoher Effizienz, maximaler Skalierbarkeit und höchster Sicherheit, also die Quadratur des Kreises. Bedeutsam sind daneben in jeder Anwendung geringer Platzbedarf und Klimatisierungskosten.
Hohe Schaltfrequenzen (von heute 5 … 10 kHz auf künftig bis zu 100 kHz) sind ein Schlüssel, um das Volumen von Filtern und Trafos (um bis zu 50 %) zu verringern. Gleichzeitig erhöhen sie die Dynamik in einer 2-Level-Topologie. Um den Wirkungsgrad auf diese Weise zu erhöhen, ist eine neue Schaltertechnologie nötig. Dazu hat AEG PS zusammen mit Infineon, Siemens und weiteren Technologiepartnern das Projekt IFASS aufgesetzt, aus dem entsprechende SiC-Halbleiterschalter hervorgehen werden. Peter Friedrichs, Infineon, wies auf den begrenzten Spannungsbereich (120 – 200 V) bei klassischen Dioden hin. Unipolare SiC Halbleiter machen jedoch deutlich über 3.000 V möglich und beschleunigen gleichzeitig erheblich die Schaltzyklen.
Bei jährlich 650.000 neu installierten USV-Systemen (Leistung > 10kW) bringt die Erhöhung des Wirkungsgrades um 2 % eine Einsparung von über 10 TWh pro Jahr.
Die Referenten der STS GmbH erklärten in ihrem Vortrag, warum induktive Komponenten an den Kosten von USV-Anlagen einen nicht unbeträchtlichen Anteil haben – Qualität und damit Sicherheit haben in Form guter, getesteter Komponenten stets ihren Preis. Gleichzeitig übernehmen sie jedoch komplexe Funktionen in den Geräten. Stromrichter wie Gleichrichter, Wechselrichter und ggf. DC/DC-Wandler enthalten induktive Komponenten, die der Glättung von pulsierenden Strömen und der galvanischen Trennung zwischen Netz und sensiblen Verbrauchern sowie zwischen Batterie und sensiblen Verbrauchern dienen. Zusätzlich werden häufig weitere induktive Komponenten zur Entkopplung gegenüber Netz, Verbraucher und Batterie verbaut. (Filter, incl. EMV-Filterdrosseln). Die Frage sollte beantwortet werden, wie sich die gute Performance eines IGBT-Gleichrichters hinsichtlich geringer Netzrückwirkungen durch einen höheren Wirkungsgrad und reduzierte Kosten erweitern lässt. Letztlich führt nach Überzeugung von Dr. Norbert Blacha der Weg über Mehrlevel-Topologien und höheren Schaltfrequenzen auf der Basis weiterentwickelter induktiver Komponenten und neuer Halbleiterelemente.
Sicher ist besser
Das Thema Schutz von Batterieanwendungen in der USV durch Schmelzsicherungen bearbeitete Thomas Krugmann von Jean Müller. Die besonderen Anforderungen in Batterieanlagen von USV-Systemen machen die Auswahl nicht trivial. So ist der Kurzschlussstrom klein im Verhältnis zum Betriebsstrom. Er hängt stark ab von Batterie-Bauart, -Typ und -Kapazität. Außerdem muss der Kurzschlussstrom innerhalb von weniger als 10 Sekunden abgeschaltet werden. Aus diesem Grund muss eine Sicherung mit sehr steiler Kennlinie für schnelles Auslösen gewählt werden.
Der Betriebsstrom ist abhängig von der Auslegung der USV-Anlage. Im Batteriebetrieb ist eine Herausforderung, dass die Zwischenkreisspannung bis zur Entladeschlussspannung sinken kann. Daher gilt es bei der Auslegung folgende Parameter zu beachten: Maximalstrom bei Entladeschlussspannung, zulässige Überlasten sowie der potenzielle Ausfall von redundanten Batteriesträngen. Spezifische DC-Sicherungen von Jean Müller sind beispielsweise geeignet zum Schutz von (USV-) Batteriestromkreisen mit bis zu DC 800V. Einige AC-Sicherungen werden ebenfalls in DC-Kreisen eingesetzt, eignen sich jedoch nur für bis zu DC 500V.
Im Anschluss referierte Toni Hoffmann vom Institute for International Product Safety über die Restrukturierung der Normenreihe DIN EN 61439 für Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen. Aus der DIN EN 60439 wurde die DIN EN 61439. Dabei sind nun die Inhalte von IEC 60439-1 in 2 Teile aufgegliedert: In die allgemeine Festlegung (DIN EN 61439-1) und den Produktteil (DIN EN 61439-2 Energie-Schaltgerätekombinationen). Dabei wurden die Kategorien TSK (typgeprüfte Schaltgerätekombination) und die PTSK (Partiell typgeprüfte Schaltgerätekombination) entfernt. An deren Stelle tritt der sog. Bauartnachweis auf Basis von Herstellerinformationen. Der Hersteller der Schaltgerätekombination kann zweierlei tun: Er nimmt den Endausbau nach den Regeln des ursprünglichen Herstellers vor oder er nimmt den Endausbau abweichend von den Regeln des ursprünglichen Herstellers vor und wird damit selbst zum ursprünglichen Hersteller für die Veränderung. Die Bauartnachweise der Normen sind in Tabelle D.1 - Liste der durchzuführenden Bauartnachweise aufgeführt.
Die USV im öffentlichen Netz
Julia Badeda von der RWTH Aachen und Dr. Stefan Kempen, Produktmanager bei AEG PS, entwickelten zum Abschluss des ersten Tages die Vision, mittels USV-Geräten Primärregelleistung im Markt für Regelenergie bereitzustellen. Notwendig werden solche Lösungen, je mehr erneuerbare Energien unseren Stromverbrauch abdecken. Denn auch dann braucht man hier und da Zusatzleistung, die jedoch den Start eines konventionellen Kraftwerks unnötig machen.
Hier könnten die Batterien von USV-Geräten einspringen, die noch dazu in Regionen installiert sind, in denen auch viele Verbraucher residieren. Die Motivationen für die »öffentliche« Bereitstellung der USV-Leistung können unterschiedlich sein. Allen gemein ist die Absicherung von Lasten, die bisher nicht von USV-Geräten abgesichert werden. Nutzt man eine USV primär für die Sicherung von Lasten und Prozessen, würden die Erlöspotenziale der Regelenergiemärkte allein der Mitfinanzierung der (größer dimensionierten) USV dienen. Bei einer gezielten Teilnahme am Markt für Regelenergie, wäre die Absicherung einer Last bei Netzausfällen ein willkommener Zusatznutzen.
Mit jeder auf diese Weise hinzugekommenen Installation wird in jedem Fall auch der steigenden Wahrscheinlichkeit eines Netzausfalls durch die Energiewende Rechnung getragen. Sie verhindert damit potenzielle Produktionsausfälle. AEG PS bietet mit seinen USV-Systemen der Protect-Reihe Lösungen an, die eine Rückspeisung ins Netz ermöglichen und entsprechend zertifiziert sind.
Praxisteil – theoretische Überlegungen begreifbar gemacht
Der Schwerpunkt des zweiten Veranstaltungstags lag wie stets auf dem Praxisteil. Zunächst gab es jedoch am Vormittag noch einen Vortrag des Sachverständigen Karl-Heinz Otto über die Pflicht, Installationen heute nach dem TN-SS System vorzunehmen.
In einer medialen Welt ist die freie Information, beispielsweise über den Rundfunk, von entscheidender und Demokratie stiftender Bedeutung. Daher spielt hier ebenfalls die gesicherte Stromversorgung eine entscheidende Rolle, wie Martin Frey von der ARGE Rundfunkbetriebstechnik der öffentlich-rechtlichen Rundfunkanstalten referierte. Wie in beinahe jeder anderen USV-Anwendung hat dieser Einsatz ebenfalls seine besonderen Herausforderungen. Sind es in der Industrie möglicherweise Dreck, Feuchtigkeit und Hitze, so geht es hier ganz besonders um das Thema EMV. Sendetechnik, Funkmikrofone, Computerplätze, Raumunterverteilung – sie alle können sich beeinflussen. Daher muss die USV mit ihrer modernen Leistungselektronik angepasst werden. Beispielsweise mit Filtern und anderen Zusatzkomponenten, um an 365 Tagen im Jahr einen EMV-störungsfreien Betrieb von Niederspannungsinstallation und Studiosignaltechnik zu ermöglichen. Leider ist beispielsweise der Bereich unter 150 kHz auch außerhalb von Rundfunkanwendungen in keiner Norm wirklich geregelt. Daher geht es in Normungsgremien derzeit um die Einführung von Grenzwerten und Messverfahren in der Lücke zwischen 2 und 150 kHz zum Schutz von Kommunikationssignalen auf Stromkabeln.
Es ist nicht egal, wo eine USV installiert wird. Aber welche Auswirkungen Aufstellort (Schmutz, Vibrationen), Betriebsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit) und einfach Alterung und Verschleiß der eingesetzten Bauteile haben, zeigt der Service von AEG PS auf. Wartung im Sinne von Instandhaltung nach DIN 31051 ist essenziell, wenn es um eine dauerhaft gesicherte Stromversorgung geht. Und letztlich haften die Betreiber der USV ja einem internen oder gar externen Auftraggeber dafür, dass die Stromversorgung eben tatsächlich unterbrechungsfrei ist.
Die USV im Spannungsfeld dynamischer Netzänderungen
Das Serviceteam von AEG PS hat in diesem Jahr ein besonderes Praxis-Highlight aufgebaut. Hier ging es um die Betrachtung der Auswirkungen von dynamischen Netzveränderungen auf die USV des Typs AEG Protect Blue. Dazu hat das Team um Friedhelm Schulte eine andere USV so umkonfiguriert, dass sie als Frequenzgenerator dient. Erstmals wurde hier gezeigt, wie sich die Änderungsgeschwindigkeit und die absolute Änderung der Frequenz auf eine USV auswirken und wie sie diese »Netzfehler« ausregelt. Im Ergebnis zeigte sich die AEG Protect BLUE als sehr gutmütig, so dass die Versorgungssicherheit der angeschlossenen Verbraucher nicht infrage gestellt wurde. Leider sind auch für die so wichtige Synchronisationsgeschwindigkeit (slewrate) bisher keine Normen verfügbar.
Den Abschluss bildete der juristische Themenblock. Dr. Janine Reichel, Juristin bei AEG PS, referierte über die zunehmende Bedeutung einer rechtssicheren technischen Dokumentation. Neben der produktbezogenen Dokumentation sind speziell für den technischen Service diese technischen Dokumente Grundlage für Arbeiten und Wartungen der Anlagen. Dem Betreiber einer Anlage erwachsen darüber hinaus aus einer mangelhaften technischen Dokumentation im Zweifel auch Haftungsrisiken.
