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Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Additive Schutzlevel machen USV-Systeme robuster
Unterbrechungsfreie Stromversorgung

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Ein wesentlicher Faktor für die Prozeßsicherheit moderner Produktionsanlagen ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Sie gewährleistet die Versorgung kritischer Verbraucher auch bei Netzausfall. Für die chemische Industrie eignen sich die USV-Systeme der Protect 5.-Serie.

Dipl.-Ing. Dirk Schneider, Dipl.-Ing. Wilhelm Sölter

Obwohl die Verfügbarkeit des europäischen Verbundnetzes mit 99,98% vorbildlich ist, kommt es jährlich zu rund 150 Kurzzeitunterbrechungen in einem Ortsnetz. Daneben treten Überspannungsspitzen, Spannungs- und Frequenzschwankungen, verzerrte Spannungskurven bis hin zu totalen Stromausfällen auf. In den Prozeßsteuerungen führt dies zu Datenverlusten, Systemabstürzen, zu bleibenden Hard- und Softwareschäden und zu Störfällen. In der Regel sind schmerzhafte finanzielle Einbußen, unter Umständen mit Umwelt- und Personenschäden, die Folge.
In der chemischen Industrie spielt die EMV-Störfestigkeit eine wichtige Rolle, da die eingesetzten Geräte und Anlagen aufgrund der äußeren Bedingungen besonders robust sein müssen. Dies gilt speziell für sicherheitsrelevante Teile wie die Prozeßsteuerung. Deshalb hat die chemische Industrie schon in den achtziger Jahren wegweisend die sog. NAMUR-Empfehlung erarbeitet. Hier wurden erstmals für den deutschen Raum Störfestigkeitslevel definiert, die sich in der heutigen Europanorm EN 50082-2 manifestierten.
USV-Verfügbarkeit eine Frageder Störfestigkeit
Die Störfestigkeit (Immunity) gegen Einwirkungen von außen (Umgebungsphänomenen) ist eine entscheidende Geräteeigenschaft für die Verfügbarkeit einer USV. Einwirkungen von außen können Störungen aus dem speisenden Netz wie schnelle Überspannungen (Burst) und energiereiche Überspannungen (Surge) oder Störungen aus der Umgebung wie elektrostatische Entladungen (ESD) und hochfrequente elektromagnetische Felder (Radio-Frequency, Electromagnetic Field) sein. Diese vier Umgebungsphänomene sind in die europäischen und internationalen Normen (EN/IEC) aufgenommen worden.
Darüber hinaus sind in den europäischen Normen unterschiedliche Störfestigkeitslevel für verschiedene Umgebungs- oder Einsatzbedingungen festgelegt. Man unterscheidet in den Fachgrundnormen (Generic Standard) EN 50082-1/-2 zwischen Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereich sowie Kleinbetrieben mit einer Versorgung aus dem öffentlichen Netz, und dem Industriebereich mit einer Einspeisung aus einem eigenen Transformator. In der USV-Produktnorm EN 50091 Teil 2 sind die EMV-Anforderungen durch Festlegen bestimmter Level definiert. Diese Störfestigkeitslevel orientieren sich an dem Einsatz im Wohnbereich und bei Kleinbetrieben. Für den Einsatz unter den „besonderen Bedingungen in industrieller Umgebung“ sind diese Level nicht vorgesehen.
USV-Systeme der Protect 5.-Familie
Die Geräte der Protect 5.-Familie erzeugen eine synthetische Sinusspannung in engen Toleranzen und sichern im Notfall die Stromversorgung. Das Typenprogramm ist speziell für die Öl-, Gas- und Chemie-Industrie entwickelt worden und umfaßt Geräteleistungen zwischen 5 und 240 kVA (3/1- oder 3/3-phasig).
Die kompakten, anschlußfertigen Versorgungseinheiten bestehen aus einem Gleichrichterteil, einem Wechselrichterteil und einer elektronischen Umschalteinrichtung (EUE). Darüber hinaus befindet sich im Schrank die Handumgebung und die Steuer- und Überwachungselektronik. Hinzu kommt eine Batterie, die in einem getrennten Schrank oder in einem Gestell untergebracht ist. Alle wesentlichen Teile sind von vorn nach Öffnen der Tür und Entfernen der entsprechenden Abdeckungen zugänglich. Die Schutzart entspricht als Standard IP 20. Die zur Kühlung verwendeten Lüfter sind redundant ausgelegt, der Lufteintritt ist unten, der Luftaustritt oben. Das Eigengeräusch der USV liegt je nach Typ zwischen 55 und 70 dB(A).
Alle Geräte haben eine Anschlußspannung von 3 x 380 V, 3 x 400 V bzw. 3 x 415 V, 50 Hz, und eine Ausgangsleistung von 1 x 230 V für die einphasigen und 3 x 400 V bzw. 3 x 415 V, 50 Hz für die dreiphasigen Geräte.
Gleich- und Wechselrichterteil
Der Gleichrichterteil dient zur Versorgung des Wechselrichters sowie zur Ladung und Ladungserhaltung der Batterie. Die Netzspannung wird hierzu auf die gewünschte Spannung gebracht und über eine Thyristorbrücke gleichgerichtet. Dadurch ist sichergestellt, daß die Batterie immer im vollgeladenen Zustand ist. Eine Glättungseinrichtung dient zur Reduzierung der Oberschwingungsströme in der Batterie und erhöht damit die Lebensdauer.
Der Wechselrichter wird entweder vom Gleichrichter oder – bei Netzausfall – von der Batterie gespeist. Er besteht aus einer DS-Brückenschaltung mit Transistorschaltern. Diese sind mit IGBT-Leistungstransistoren bestückt, die ein Pulsen mit hoher Frequenz ermöglichen. Auf diese Weise läßt sich mit wenig Filteraufwand eine sinusförmige Ausgangsspannung erreichen.
Steuerung des Protect 5.
Die Steuerung erfolgt über ein Drei-Prozessor-System. Jeweils ein Prozessorsystem ist für die Steuerung des Gleichrichters, des Wechselrichters und der EUE zuständig. Jeder Prozessor arbeitet autark und hat seine eigene Stromversorgung. Die Kommunikation untereinander und zu eventuellen Parallelgeräten erfolgt über CAN-Bus.
Kurzschlußfest und äußerstbelastbar
Die komplette Protect 5.-Familie ist kurzschlußfest. Der Kurzschlußstrom ist auf das 3-fache des Nennstromes begrenzt. Dieser Wert ist ausschlaggebend für die Absicherung der Verbraucherabgänge. Auch in punkto EMV-Störfestigkeit sind sie gut abgesichert. Ob bei Stoßspannungen (Surge), schnellen Transienten (Burst), elektronischen Entladungen (ESD) oder Einstrahlfestigkeit gegenüber HF-Feldern, die Protect 5.-Familie übertrifft die Anforderungen der Produktnorm EN 50091-2 um das Zwei- bis Dreifache. Die Abbildung unten zeigt die additiven Schutzlevel der USV-Familie für die wichtigsten Störeinflüsse aus der Umgebung einer USV im Vergleich zur Produktnorm.
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