Batteriebetriebene unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sind unerlässlich, um empfindliche Geräte in Rechenzentren, medizinischen Einrichtungen, Fabriken, Telekommunikationszentren und sogar Privathaushalten vor kurzfristigen Spannungsspitzen und -ausfällen im Stromnetz zu schützen. Im Falle eines längeren Stromausfalls können sie die notwendige kurzfristige Stromversorgung bereitstellen, um eine vorbereitete Abschaltung zu gewährleisten und Datenverlust zu verhindern.
USVs lassen sich grundsätzlich als „Online“ oder „Offline“ klassifizieren. Bei einer Offline-USV ist die Last direkt an das Netz angeschlossen. Bei einem Ausfall der Eingangsspannung schaltet das System in den Batteriebetrieb um. Der Umschaltvorgang dauert in der Regel etwa 10 Millisekunden, was den Einsatz von Offline-USVs in manchen Anwendungen einschränkt. Online-USVs schalten zwischen Last und Netz einen Wechselrichter sowie einen Batterielade- und -entladekreis. Der Wechselrichter bleibt unabhängig von der Eingangsspannung in Betrieb. Daher kann die Online-USV bei einem Eingangsproblem unterbrechungsfrei umschalten und die Last über die Batterie mit Notstrom versorgen.
Modulare USVs werden von Entwicklern und Anwendern bevorzugt, da sie bei geringerem Stromverbrauch parallel geschaltet werden können, um einen höheren Strombedarf zu decken. Modulare USVs können bestehende USV-Systeme schnell und einfach erweitern und helfen Kunden, beim Aufbau großer Systeme Gewinne zu erzielen.
Wie bei jedem Netzteildesign stellt auch die Entwicklung effizienter USVs eine Herausforderung dar. Zu den wichtigsten Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, gehören Größe, Eingangs-/Ausgangsregelung, Batteriemanagement und Topologie.
Die Größe ist entscheidend, insbesondere bei Anwendungen mit hohem Platzbedarf, wie z. B. in Rechenzentren. Transformatoren gehörten früher zu den größten Komponenten von USVs. Mit der Entwicklung fortschrittlicher Halbleitertechnologie wurden sie jedoch durch Hochfrequenzschaltkreise ersetzt, was Platz spart. Eine transformatorlose USV kann große Rechenzentren in Standardschränken mit Hunderten von kVA Notstrom versorgen.
Online-USVs verwenden hochfrequente PWM (Pulsweitenmodulation), um eine duale Umwandlung (AC-DC und dann DC-AC) durchzuführen. Dadurch können viele Probleme mit der Eingangsqualität gelöst werden, mit denen Offline-USVs nicht zurechtkommen, wie z. B. Niederspannungsüberspannung und Leitungsrauschen. Gleichzeitig wird der Batterieverbrauch reduziert und die Batterielebensdauer verlängert.
Der Wechselrichter bestimmt die Ausgangsqualität der USV und beeinflusst maßgeblich deren Gesamteffizienz. Eine hervorragende Online-USV kann hochwertige Sinuswellen ähnlich dem Netzstrom ausgeben und ohmsche und induktive Lasten mit Strom versorgen. Dies erfordert, dass die Schaltbauelemente (IGBT/MOSFET) im Wechselrichter mit hohen Frequenzen arbeiten und mit Steueralgorithmen zusammenarbeiten, um Ausgangsrauschen und elektromagnetische Störungen während des Schaltvorgangs zu minimieren.
In einer typischen USV bilden mehrere gestapelte Batterien ein komplettes Batteriepaket, dessen Ladung und Entladung von einem Batteriemanagementmodul gesteuert wird. Um die Batterieleistung zu maximieren und ihre Lebensdauer zu verlängern, muss das Design Aspekte wie Lastausgleich, Spannungs- und Stromschutz, Lade- und Entladesteuerung, Wärmemanagement, Lüftersteuerung, Überwachung und Kommunikation berücksichtigen.