USV

Eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) ist ein elektrisches System, das bei einem Netzausfall für eine unterbrechungsfreie Weiterführung der Energieversorgung sorgt – typischerweise im Bereich von wenigen Sekunden bis hin zu mehreren Stunden, abhängig von Auslegung und Kapazität. Im Gegensatz zu einer Netzersatzanlage (NEA), die in der Regel erst anlaufen muss und daher mit einer Umschaltzeit arbeitet, übernimmt eine USV unterbrechungsfrei, d. h. ohne merkliche Zeitverzögerung.

In industriellen und kritischen Infrastrukturen – etwa in der Informationstechnik, in der Telekommunikation, bei sicherheitsrelevanten Steuerungssystemen oder in medizinischen Einrichtungen – ist der Einsatz einer USV elementarer Bestandteil des Gesamtsystems. Insbesondere bei Online-USV-Systemen (VFI: Voltage and Frequency Independent) erfolgt die Versorgung der Verbraucher permanent über den Wechselrichter, wobei der Netzstrom lediglich zur Pufferung der Akkumulatoren dient. Dadurch kann eine hohe Versorgungsqualität in Bezug auf Spannungskonstanz und Frequenzreinheit gewährleistet werden. Es spielt keine Rolle ob der Endverbraucher mit Gleich oder Wechselstrom arbeitet, für beide Spannungstypen gibt es die richtigen Lösungen.

USV für ein Server-Rack

DC USV für einen Mobilfunkmast

In der Telekommunikation arbeitet man aus Effizienz- und Sicherheitsgründen überwiegend mit 48 V Gleichspannung (DC). Der entscheidende Vorteil dabei liegt im Wegfall der letzten Wandlungsstufe von DC zurück auf AC – was nicht nur den Gesamtwirkungsgrad der Energieversorgung deutlich erhöht, sondern auch den Betrieb effizienter, wartungsärmer und langfristig kostengünstiger macht.

Dieser Ansatz setzt sich zunehmend durch: Gleichstromnetze (DC-Distribution) gewinnen an Bedeutung, insbesondere im Umfeld von Rechenzentren, Mobilfunkstandorten und kritischen Infrastrukturen. Perspektivisch wird sich dieser Trend verstärken – insbesondere bei steigenden Leistungsanforderungen. Dabei wird man zukünftig nicht mehr ausschließlich mit 48 VDC arbeiten, sondern auf höhere Spannungsniveaus wie 380 VDC oder sogar 750 VDC setzen, um Leitungsverluste zu minimieren und Querschnitte zu reduzieren.

Insbesondere in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen und Batteriespeichern entfaltet Gleichstrom sein volles Potenzial – durchgängig von der Erzeugung bis zur Verbraucherlast.

Im folgenden Beispiel wurde eine 24 Volt DC USV für die DB InfraGo installiert, diese versorgt eine Basisstation (FESA) für den analogen Zugfunk. Die FESA also Feste Eisenbahn Strecken Anlage ist technisch gleichzustellen mit einer BTS (GSM), einem eNodeB (4G) oder gNodeB (5G).

Im Rahmen der DC-gestützten unterbrechungsfreien Stromversorgung (DC-USV) kommt ein redundanter Gleichrichteraufbau zum Einsatz. Hierbei wurden zwei Gleichrichtermodule vom Typ EATON APR24-3G verwendet. Diese Schaltnetzteile sind auf eine Ausgangsspannung von 24 V DC ausgelegt und können im Parallelbetrieb arbeiten, um eine Redundanz oder Lastaufteilung zu gewährleisten. Schon ein Gleichrichtermodul kann bis zu 50 Ampere bereitstellen.

Als Energiespeicher wurden zwei Bleigel-Batterien mit einer Nennspannung von 12 V und einer Kapazität von je 62 Ah eingesetzt. Diese wurden in Reihenschaltung verschaltet, sodass sich eine Gesamtnennspannung von 24 V bei gleichbleibender Kapazität ergibt. Die Reihenschaltung ist dabei essenziell, um mit der Ausgangsspannung der Gleichrichter kompatibel zu sein und eine konstante Energieversorgung im Fehlerfall sicherzustellen.

Zentral in der Anlage positioniert befindet sich der System Controller SC200, welcher als „Gehirn“ der USV fungiert. Er übernimmt die übergeordnete Steuerung und Überwachung sämtlicher Systemkomponenten. Über das Bedienfeld des Controllers lassen sich vielfältige Parameter konfigurieren – darunter etwa die Ausgangsspannung, Strombegrenzung sowie zyklische Batterietests zur frühzeitigen Erkennung von Kapazitätsverlusten oder Zellschäden.

Berechnung der Laufzeit

Die FESA hat eine dauerhafte gleichmäßig Stromaufnahme von 5 Ampere. Bei 24 Volt x 5 A entspricht das einer Dauerlast von 120 Watt, der Großteil geht aufgrund des Alters an Abwärme verloren.

Die rechnerische Autonomiezeit dieser DC-USV beträgt bei einer Stromaufnahme von 5 A und einer Batteriekapazität von 62 Ah theoretisch 12,4 Stunden.

t = 62 Ah / 5 A = 12,4 Stunden

In der Praxis ist dieser Wert jedoch nicht erreichbar, da insbesondere Blei-Säure-Batterien aus zyklischen und lebensdauertechnischen Gründen nur bis zu ca. 50 % ihrer Nennkapazität entladen werden sollten. Unter realistischen Bedingungen ergibt sich daher eine effektive Überbrückungszeit von etwa 6,2 Stunden. Diese Annahme wurde durch einen praktischen Test bestätigt