So meistern Sie die Design-Herausforderungen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV)

Batteriebetriebene unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sind unerlĂ€sslich, um empfindliche GerĂ€te in Rechenzentren, medizinischen Einrichtungen, Fabriken, Telekommunikationszentren und sogar Privathaushalten vor kurzfristigen Spannungsspitzen und -ausfĂ€llen im Stromnetz zu schĂŒtzen. Im Falle eines lĂ€ngeren Stromausfalls können sie die notwendige kurzfristige Stromversorgung bereitstellen, um eine vorbereitete Abschaltung zu gewĂ€hrleisten und Datenverlust zu verhindern.
USVs lassen sich grundsĂ€tzlich 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 einschrĂ€nkt. Online-USVs schalten zwischen Last und Netz einen Wechselrichter sowie einen Batterielade- und -entladekreis. Der Wechselrichter bleibt unabhĂ€ngig von der Eingangsspannung in Betrieb. Daher kann die Online-USV bei einem Eingangsproblem unterbrechungsfrei umschalten und die Last ĂŒber 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 berĂŒcksichtigt werden mĂŒssen, gehören GrĂ¶ĂŸe, Eingangs-/Ausgangsregelung, Batteriemanagement und Topologie.
Die GrĂ¶ĂŸe ist entscheidend, insbesondere bei Anwendungen mit hohem Platzbedarf, wie z. B. in Rechenzentren. Transformatoren gehörten frĂŒher zu den grĂ¶ĂŸten Komponenten von USVs. Mit der Entwicklung fortschrittlicher Halbleitertechnologie wurden sie jedoch durch Hochfrequenzschaltkreise ersetzt, was Platz spart. Eine transformatorlose USV kann große Rechenzentren in StandardschrĂ€nken mit Hunderten von kVA Notstrom versorgen.
Online-USVs verwenden hochfrequente PWM (Pulsweitenmodulation), um eine duale Umwandlung (AC-DC und dann DC-AC) durchzufĂŒhren. Dadurch können viele Probleme mit der EingangsqualitĂ€t gelöst werden, mit denen Offline-USVs nicht zurechtkommen, wie z. B. NiederspannungsĂŒberspannung und Leitungsrauschen. Gleichzeitig wird der Batterieverbrauch reduziert und die Batterielebensdauer verlĂ€ngert.
Der Wechselrichter bestimmt die AusgangsqualitĂ€t der USV und beeinflusst maßgeblich deren Gesamteffizienz. Eine hervorragende Online-USV kann hochwertige Sinuswellen Ă€hnlich 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 wĂ€hrend 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 verlĂ€ngern, muss das Design Aspekte wie Lastausgleich, Spannungs- und Stromschutz, Lade- und Entladesteuerung, WĂ€rmemanagement, LĂŒftersteuerung, Überwachung und Kommunikation berĂŒcksichtigen.