Fachbeitrag USV kommuniziert mit Energiespeicher

In vielen Applikationen sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) mittlerweile ein unverzichtbarer Bestandteil des Schaltschranks. Sie schützen wichtige Verbraucher wie Industrie-PCs vor Spannungseinbrüchen und -ausfällen. Als besonders flexibel in Bezug auf den zu puffernden Strom, die gewünschte Überbrückungszeit und die passende Energiespeicher-Technologie erweisen sich Lösungen, die aus drei Funktionseinheiten bestehen: Stromversorgung, USV-Modul und Energiespeicher. Die Stromversorgung liefert so lange Energie an die Verbraucher, wie die primärseitige Netzspannung vorhanden ist. Fällt das Netz aus, schaltet das USV-Modul unterbrechungsfrei auf den Energiespeicher um. Sämtliche angekoppelten Lasten sind also kontinuierlich versorgt.

In den derzeit am Markt erhältlichen Lösungen gibt es jedoch eine Unbekannte: den Energiespeicher. Denn der Anwender weiß nicht, wie lange die angeschlossenen Verbraucher bei Ausfall der Eingangsspannung beliefert werden, weil sich der aktuelle Ladezustand des Energiespeichers nicht ermitteln lässt. Darüber hinaus könnte der Energiespeicher bereits zu alt oder wegen hoher Umgebungstemperaturen so stark gealtert sein, dass der Laststrom nicht für die einkalkulierte Dauer verfügbar ist. Die Maschine oder Anlage steht somit infolge eines unzuverlässigen Versorgungsnetzes still, ohne dass prozessrelevante Daten gesichert werden konnten.

Energiereserven optimal nutzen

Phoenix Contact hat nun eine Technologie entwickelt - die IQ Technology - die bei den USV Quint UPS-IQ für eine zuverlässige Versorgung der Anwendung sorgt, indem der Energiespeicher optimal genutzt wird. Das „intelligente“ USV-Modul nimmt dazu alle relevanten Zustände des Energiespeichers auf. Das Batterie-Management kennt den aktuellen Ladezustand des angebundenen Energiespeichers und errechnet daraus die Restlaufzeit. Versorgungslücken sowie das frühzeitige Herunterfahren von Industrie-PCs werden somit vermieden. Wartungsarbeiten lassen sich planen und der Energiespeicher wird erst dann ausgetauscht, wenn es notwendig ist, da die verbleibende Lebenserwartung über potentialfreie Relaiskontakte oder direkt an die übergeordneten Steuerungen gemeldet wird.

Auswahl der Ladecharakteristik

Voraussetzung für das kontinuierliche Überwachen und das intelligente Management ist die stetige Kommunikation zwischen USV-Modul und Energiespeicher. Zu diesem Zweck wird neben der Plus- und Minus-Verdrahtung ein weiteres Kabel installiert, das den Datenaustausch zwischen beiden Komponenten übernimmt. Das USV-Modul identifiziert den angekoppelten Energiespeicher automatisch. Dieser teilt daraufhin seine Seriennummer und Kapazität mit. Je nach Typ und Umgebungsbedingungen wählt die USV nun automatisch die optimale Ladecharakteristik, was die Lebensdauer des Energiespeichers erhöht. Zum Bestimmen des Ladezustands informiert der Energiespeicher über aktuelle Spannungs- und Stromwerte sowie die Temperatur.

Flexibler Einsatz von Speichertechnologien

Bei der Entwicklung des Energiespeichers sind unterschiedliche Anforderungen der Industrie berücksichtigt worden. Während für einige Anwendungen die Lebensdauer der USV-Lösung wichtig ist, spielt bei anderen Applikationen die Pufferzeit oder die Umgebungstemperatur eine besondere Rolle. Deshalb sind für eine entsprechende Flexibilität verschiedene Speichertechnologien Voraussetzung (siehe Tabelle).

Maximale Pufferzeiten: Energiespeicher in Blei-AGM-Technologie (Absorbent Glass Matt) halten Lastströme von 10 A für acht Stunden respektive von 40 A für eine Stunde vor. Module mit Reinblei-AGM-Technologie steigern die Lebensdauer von sechs bis neun Jahren auf 15 Jahre. Sie können zudem unter extremen Umgebungsbedingungen von -40°C bis 60°C verwendet werden. Die Blei-Akkumulatoren kommen folglich überall dort zum Einsatz, wo hohe Ströme über einen langen Zeitraum gepuffert werden müssen.
Maximale Lebensdauer: Liegt der Fokus auf einer möglichst langen Lebensdauer, bieten sich CAP-Energiespeicher (Capacitor) mit Doppelschicht-Kondensatoren an. Sie stellen Lastströme von 20A für 33 Sekunden oder von 1A für zwölf Minuten zur Verfügung. Die Module funktionieren mehr als 20 Jahre wartungsfrei und leisten dabei über 500.000 Ladezyklen bei Umgebungstemperaturen von -40°C bis 60°C. Insbesondere schlecht zugängliche Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen profitieren von diesen wartungsfreien Energiespeichern.
Hohe Lebensdauer bei langen Pufferzeiten: Lithium-Ionen-Energiespeicher zeichnen sich durch eine Kombination aus hoher Lebensdauer bei langen Pufferzeiten aus. Die Werte der 120-WH-Variante betragen 40 Minuten Pufferzeit bei einer Lebensdauer von 15 Jahren sowie 7000 Ladezyklen. Aufgrund der großen Leistungsdichte und der kompakten Bauform eignet sich diese Technologie besonders für Anlagen mit begrenzten Platzverhältnissen.

Wichtige Betriebsparameter darstellen

LEDs an der Frontseite des USV-Moduls sowie potentialfreie Relaiskontakte dienen der Funktionsüberwachung. Über die verdrahteten Kontakte teilt die Quint UPS-IQ mit, ob der Energiespeicher die Last versorgt, aufgeladen wird oder ein Alarm ansteht. Die Belegung der Kontakte lässt sich mit Hilfe der Konfigurations- und Management-Software UPS-Conf individuell anpassen. Dazu ist ein Datenkabel erforderlich, das die IFS-Schnittstelle (Interface-System-Schnittstelle) des USV-Moduls mit einer USB- oder RS232-Schnittstelle verbindet. Über die Software kann der Anwender das Verhalten der Quint UPS-IQ flexibel an die Anforderungen der Applikation adaptieren. Sämtliche relevanten Betriebsparameter sind grafisch dargestellt, wobei wichtige Meldungen im Vordergrund erscheinen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das speisende Netz ausfällt und das USV-Modul auf den Energiespeicher umschaltet. Ein Log-File archiviert Ereignisse wie die Information, wann und wie lange die Quint UPS-IQ Netzausfälle überbrückt hat. Auf diese Weise liegen wichtige Daten übersichtlich zur Auswertung vor.

Durch die Integration der USV-Lösung in ein übergeordnetes Netzwerk ist der Anwender durchgängig über den Zustand des Energiespeichers informiert. Die vom USV-Modul bereitgestellten Daten können via Ethernet an übergeordnete Steuerungen weitergeleitet oder direkt in die Steuerungslösungen von Phoenix Contact implementiert werden. Um andere Übertragungsprotokolle zu erreichen, fungiert beispielsweise ein Inline Controller (ILC) von Phoenix Contact als Gateway.

Mit der IQ Technology ist nun eine Generation unterbrechungsfreier Stromversorgungen erhältlich, die die Verfügbarkeit der Anwendungen erhöht. Weitere Anwendungsbereiche im industriellen Umfeld erschließen sich aus neuen Energiespeicher-Technologien.