USV-Absicherung von Produktionsumgebungen

Das deutsche Stromnetz besaß in der Vergangenheit eine hohe Stabilität. Doch seit der Energiewende häufen sich ­– bedingt durch die zunehmende Einspeisung alternativer Energien – kurzfristige Stromausfälle und Spannungsschwankungen. Infolgedessen sind immer öfter aktive Netzeingriffe der großen Stromnetzbetreiber erforderlich und seit 2010 haben sich die Zahlen hier zum Teil verdreifacht. Nicht ohne Grund spricht daher auch die Bundesnetzagentur von einer angespannten Lage der Systemstabilität. Die Folgen eines großflächigen Stromausfalls können dabei beträchtlich sein. Nach einer aktuellen Studie des hamburgischen Weltwirtschaftsinstituts (HWWI) würde etwa ein deutschlandweiter Blackout zur Mittagszeit ein volkswirtschaftliches Defizit von rund 600 Millionen Euro nach sich ziehen. In Industrie-Ballungszentren wie Coburg, Schweinfurt oder München käme es dabei voraussichtlich zu Schäden in Höhe von rund durchschnittlich 14 Millionen Euro pro Stunde. Dennoch sind Ausfälle dieser Größenordnung eher die Seltenheit. Wesentlich häufiger lassen sich kurzfristige Versorgungsunterbrechungen und Netzschwankungen feststellen, die jedoch trotzdem Ursache für langfristige und kostenintensive Folgeschäden sein können.

Sicherheitsrisiko durch Blackouts

Gerade für Produktionsbetriebe ist es deshalb ratsam die Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu optimieren. Denn die moderne Steuerungs- und Regelungstechnik ist heutzutage maßgeblich auf eine qualitativ hochwertige Stromversorgung angewiesen und Stromschwankungen sowie Überspannungen schlagen sich deutlicher als früher in der Produktionsumgebung nieder. Dabei reichen die Folgen von einfachen Prozessstörungen über aufwändige, kostenintensive und zeitraubende Produktionsunterbrechungen bis hin zu schwerwiegenden Unfällen. So können Stromausfälle etwa zu einem weitreichenden Datenverlust bei CNC-Maschinen führen, was in der Folge bedeutet, dass Achspositionen und Nullpunkte in stundenlanger Arbeit neu eingelesen werden müssen. Zusätzlich kann es nach längeren Unterbrechungszeiträumen zu Überspannungen und Frequenzspitzen kommen, die unter Umständen gravierende Schäden an PCs und SPS-Systemen nach sich ziehen. Mehrtägige Ausfälle von gesamten Produktionsstraßen sind das Endergebnis.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung als Lösung

Verschiedene USV-Topologien und ihre jeweiligen Schutzleistungen.Eaton

Um diesen Risiken vorzubeugen und Produktionsanlagen wirksam vor den Folgen von Stromausfällen zu schützen, empfiehlt sich der Einsatz von batteriegestützten Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Diese schalten bei einem Versorgungsausfall verzögerungsfrei von Netz- auf Batteriebetrieb um und können so nicht nur Stromausfälle sondern auch Netzschwankungen kompensieren; die angeschlossenen Verbraucher werden so auch bei Ausfällen weiterhin sicher mit Strom versorgt. Bei entsprechend dimensioniertem Batteriepuffer ist genügend Stützzeit vorhanden, um alle Maschinen in ihre vordefinierten Sicherheitspositionen zu bringen und Regel-PCs sowie Steuerungen ohne Datenverlust herunterzufahren. Je nach eingesetztem USV-System (Offline-, Line-Interactive- oder Online-USV) lassen sich zudem unterschiedliche Netzschwankungen und Störungen aus dem Stromnetz ausgleichen. Den besten Schutz bieten dabei Online-USV-Systeme, die dank integriertem Doppelwandler neben Über- und Unterspannungen auch elektrische Störsignale, Frequenzabweichungen sowie durch Schaltvorgänge hervorgerufene Spannungsspitzen ausgleichen können. Sie versorgen die Verbraucher damit stets mit reinem Sinusstrom.

Grundlegende Schritte zur Absicherung: Risikoabwägung und Netzanalyse

Die Absicherung von Produktionsumgebungen durch USV-Anlagen birgt jedoch einige Herausforderungen. So ist beispielsweise neben einer ausgiebigen Risikoabwägung auch eine umfassende Netzanalyse empfehlenswert. Durch die Risikoabwägung lässt sich detailliert klären, in welchen Bereichen der Produktionsumgebung eine USV-Absicherung aufgrund der Gefahrenlage unverzichtbar ist. Sie schafft die Grundlage für eine bedarfsoptimierte USV-Lösung und trägt so dazu bei, betriebskostenintensive Überkapazitäten zu vermeiden. Ergänzend ist eine Netzanalyse ratsam, da sich je nach Qualität des verfügbaren Stroms nur bestimmte USV-Varianten und Betriebsmodi für den Einsatz am jeweiligen Produktionsstandort eignen. Entsprechende Analyse-Services werden von USV-Herstellern wie etwa Eaton angeboten.

Unverzichtbar: Sorgfältige Planung…

Sind diese grundlegenden Schritte berücksichtigt, muss die erforderliche USV-Ausgangsleistung festgelegt werden. Dabei gilt es zu beachten, dass die Ausgangsleistung im Gegensatz zur Batteriestützzeit nachträglich oft nicht mehr verändert werden kann.

Fertigungssystem mit verschiedenen elektrischen Bereichen und separater USV-Absicherung.Eaton

In jedem Fall sollte die Kapazität der USV-Anlage um etwa ein Drittel höher angelegt werden als die Aufnahmeleistung der angeschlossenen Last. Wichtig ist dabei, dass eventuell vorhandene hohe Anlauf- und Rückspeiseströme bei der Berechnung der Last berücksichtigt werden müssen. Nur so ist ein umfassender Schutz und das Auffangen von Belastungsspitzen möglich.

…und individuelle Abstimmung

Für die Implementierung einer optimalen USV-Lösung ist eine präzise Abstimmung auf drei verschiedenen Ebenen des Produktionssystems notwendig. So kommen etwa Industrie-PCs und Schrittmotoren meist mit der herkömmlichen Netzspannung von 230 V aus, elektrische Antriebe und größere Produktionsanlagen werden teilweise mit 400 V Drehstrom betrieben und Steuerungs- und Regelungstechnik, Sensoren, Motorsteuerungen sowie Ventile benötigen Gleichspannung. Jeder dieser Bereiche stellt dabei besondere Anforderungen an die Netzqualität, den erforderlichen Überbrückungszeitraum sowie die maximale Entladeleistung der verwendeten Batterien. Aus diesem Grund finden normalerweise für jeden dieser Bereiche separate, auf die jeweiligen Erfordernisse zugeschnittene USV-Anlagen Verwendung.

In Fertigungsanlagen, die Baugruppen mit Gleichstromleistung enthalten, werden vorwiegend spezielle Hutschienen-USVs mit 24 beziehungsweise 48 V eingesetzt. Doch Vorsicht: Zwar lassen sich diese platzsparenden Geräte, die in unterschiedlichen Leistungsklassen erhältlich sind, flexibel montieren, allerdings bringen sie oft hohe Betriebskosten mit sich. Denn da maschinelle Anlagen oft mehrere Steuer- und Regeleinheiten besitzen, kommen schnell drei bis vier USV-Anlagen pro Fertigungssystem zusammen. Dadurch nimmt nicht nur die finanzielle Belastung für die Anschaffung der Batterien zu, sondern es steigt auch der Aufwand für die regelmäßige Wartung und den Austausch der Akkus.

Zentrale USV senkt Kosten- und Wartungsaufwand

Zentrale Online-USV mit integriertem 48-V-Zwischenkreis und zusätzlichem Wechselrichter zur Versorgung von 230-V-Verbrauchern.Eaton

Als Gegenentwurf zum gebräuchlichen dezentralen Modell verfolgt der USV-Hersteller Eaton einen zentralisierten Ansatz. Hierbei werden Steuer- und Regeltechnik durch herkömmliche Hutschienennetzteile versorgt, die mittels einer zentralen USV-Anlage abgesichert werden. Über einen Gleichrichter wird dabei eine potenzialgetrennte und sichere 24 oder 48 V Gleichspannung erzeugt, die nicht nur alle Gleichstromverbraucher versorgt, sondern gleichzeitig auch die Batterie lädt. Ein separater Wechselrichter stellt zusätzlich die Versorgung von Verbrauchern sicher, die eine Wechselspannung von 230 V benötigen. Instandhaltungskosten lassen sich so deutlich reduzieren, da statt der regelmäßigen Überprüfung mehrerer kleiner USV-Geräte nur noch eine leicht zugängliche, zentrale Anlage gewartet werden muss.

Belastete Batterien durch raue Produktionsumgebungen

Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Batterielaufzeit.Eaton

Die Batterietechnik der USV-Systeme wird in Produktionsumgebungen vor große Herausforderungen gestellt, da ventilregulierte Blei-Säure-Batterien (VRLA) äußerst empfindlich auf zu hohe Umgebungstemperaturen reagieren. Zwar sind die VRLAs durch das abgeschlossene Gehäuse auslaufsicher und können in jeglicher Position betrieben werden, doch führt diese Abdichtung auch dazu, dass durch die Nutzung verdampfte Flüssigkeit nicht mehr nachgefüllt werden kann. Bei optimaler Betriebstemperatur von 20 °C – festgelegt nach der internationalen Spezifikation IEC 60896-2 – ist dieser Faktor kein Problem. Denn Temperaturen in diesem Bereich sorgen dafür, dass der bei der Entladung entstehende Wasserdampf im Gehäuse zurückgeführt und bei der Aufladung zu Wasser rekombinieren kann. Steigen die Temperaturen jedoch an, führt dies zu einer erhöhten Verdampfungsrate und die überschüssigen Gase müssen über das Ventil abgelassen werden. Da in der Folge keine Rekombination mehr möglich ist, kommt es mit der Zeit zu einem Austrocknen des Elektrolyten und somit zu einem vorzeitigen Verschleiß der Batterie. Bereits bei einer durchschnittlichen Umgebungstemperatur von 30 °C reduziert sich deshalb die Lebensdauer der Batterie um etwa die Hälfte. Zusätzliche Faktoren wie Staub, Feuchtigkeit und Vibrationen, die in Produktionsumgebungen allgegenwärtig sind, minimieren die Lebenserwartung zusätzlich, da sie für verstärkte Korrosion und Schäden an Befestigungen sowie Verbindungselementen verantwortlich sind.

Temperaturkompensiertes Lademanagement

Ein wirksames Mittel um diesem umfeldbedingten Batterieverschleiß entgegen zu treten, stellen intelligente Ladetechniken wie das Advanced Battery Management (ABM) von Eaton dar. Kommt es bei herkömmlichen Ladekonzepten zu einer permanenten Erhaltungsladung, die das Batterieleben deutlich negativ beeinflusst, wechselt Eaton ABM via algorithmischer Steuerung zwischen drei verschiedenen Ladebetriebsarten. Dabei arbeitet es mit einer temperaturkompensierten Ladekurve und garantiert somit einen optimalen und besonders schonenden Aufladevorgang. Typische ladebedingte Verschleißerscheinungen wie etwa die Korrosion der Elektroden lassen sich dadurch zwar nicht vollständig verhindern aber immerhin deutlich minimieren.

Batteriespannung während des ABM-Ladeprozesses.Eaton

Werden zusätzlich regelmäßig professionelle Wartungsmaßnahmen durchgeführt, können hochwertige USV-Batterien selbst in rauen Fertigungsumgebungen eine Lebenserwartung von fünf bis sieben Jahren erreichen. Dabei empfiehlt es sich, dass die Wartung mindestens einmal jährlich erfolgt. USV-Hersteller wie Eaton bieten dafür umfassende Serviceleistungen an. Speziell geschultes Fachpersonal überprüft die Batteriemodule nicht nur auf Korrosionen, Verformungen sowie undichte Stellen, sondern kontrolliert darüber hinaus auch Wandler und Kondensatoren der USV. Durch entsprechende Vorsorge können größere USV-Anlagen industriellen Nutzern für etwa zehn Jahre oder länger wirksamen Schutz liefern.

(ah)