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13.12.2016

Modulare Stromversorgungssysteme in industriellen Anwendungen

Das Prinzip der Modularität bietet bei dem Design und Betrieb von USV-Systemen wichtige technische und wirtschaftliche Vorteile.

IT-Serie des dreiphasigen USV-Systems ENERTRONIC modular SE
IT-Serie des dreiphasigen USV-Systems ENERTRONIC modular SE

Modulare Stromversorgungs- und Umwandlungstechnologien werden schon lange in verschiedenen Wirtschaftszweigen erfolgreich eingesetzt, z. B. im Bereich IT, in der Daten- und Telekommunikationstechnik – oder auch in der Medizin, wo die Verfügbarkeit von Geräten im OP oder auf der Intensivstation über Leben und Tod entscheiden kann. Stillstandszeiten sind hier nicht tolerierbar. Immer mehr Krankenhäuser setzen daher auf modulare USV-Anlagen, bei denen sich einzelne Module auch im laufenden Betrieb einfach und schnell austauschen lassen.

Wann immer die Vorteile des modularen Prinzips thematisiert werden, ist von Begriffen wie „Verfügbarkeit“ (Availability), „Zuverlässigkeit“ (Reliability), „Skalierbarkeit” (Scalability), „Flexibilität” (Flexibility), „Modularität“ (Modularity) und „Wartbarkeit” (Maintainability) die Rede. Eigenschaften, die im englischen Sprachraum, insbesondere in der IT-Branche, unter der Bezeichnung „ilities” bekannt sind. Doch welche konkreten Inhalte und Anforderungen werden damit beschrieben? Und warum setzt sich die modulare Architektur im Bereich der industriellen Anwendungen bis heute nur sehr langsam durch? Der vorliegende Artikel ist der Erste in einer Serie von insgesamt fünf Artikeln, in denen David Bond, Geschäftsführer von BENNING Power Electronics (UK) Ltd, die Hintergründe dieser Terminologie erläutert und in Bezug auf moderne, modulare Stromversorgungssysteme des Unternehmens BENNING fundiert zusammenfasst.

Seit Jahrzehnten in Data/IT etabliert.

Modulare Stromversorgungs- und Umwandlungssysteme sind bereits seit Jahrzehnten fester Bestandteil von Geschäftsfeldern wie z.B. Bürowesen, Bankwesen, Data/IT oder Telekommunikation. In diesen Marktsegmenten haben die verantwortlichen Ingenieure frühzeitig die Vorteile, die diese modularen Stromversorgungssysteme bieten, erkannt und deren Einsatz forciert. Vorzüge wie eine hohe Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Flexibilität, einfache Instandhaltung sowie weitere positive Merkmale, welche die Anforderungsprofile der vielen individuellen betriebskritischen Geschäftsprozesse erfüllen. Aus diesen Gründen stellt das Segment der dreiphasigen, modularen USV-Systeme den zurzeit am schnellsten wachsenden Sektor im kommerziellen USV-Markt dar.

Vorangetrieben durch die erfolgreiche Nutzung dieser Systeme in den anderen Wirtschaftszweigen suchen nun auch eher „konservative” Ingenieure in den Bereichen der Industrie nach Wegen, die Vorteile dieser Systeme zu nutzen.
Jedoch lässt die zur Umschreibung der jeweiligen Systemvorteile verwendete Terminologie viel Raum für individuelle Assoziationen und technische Interpretationen. Dieser Fachartikel soll daher den Begriff der „Modularität” aus Sicht eines Elektroingenieurs definieren und darauf aufbauend die zentralen Vorteile für das Design einer Industriestromversorgung erläutern.

Modularität in der Industrie

Dreiphasige USV-Systeme, die weitestgehend als „echt“ modular zu bezeichnen sind, werden seit ca. 2001 im kommerziellen USV-Bereich eingesetzt. Durch die zahlreichen betrieblichen Vorteile finden sie nach und nach auch in industriellen Anwendungen mehr Akzeptanz. Diese Entwicklung resultiert in hohem Maße aus den unterschiedlichen Prioritäten, Belastungen und daraus resultierenden Anforderungen, denen das Equipment für den jeweiligen Einsatzzweck genügen muss.

Unterschiedliche Investitionszyklen

Das Betreiben eines Rechenzentrums stellt beispielsweise ein sehr dynamisches Geschäftsfeld dar, das stets nach höherer Leistungsdichte und schnellerer IT-Performance verlangt. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, ist ein Rechenzentrum heute dazu gezwungen, seine IT-Hardware alle drei bis vier Jahre komplett zu erneuern.

Im Gegensatz dazu herrscht in einer Kraftwerksumgebung mehr Kontinuität. Sind die Kontroll-, Management- und Telemetriesysteme einmal installiert, so ist eine Nutzungszeit von bis zu 20 oder 25 Jahren nahezu Standard. Die aus diesen großen Unterschieden resultierenden Anforderungen müssen zwangsläufig zu unterschiedlichen Betrachtungsweisen der verantwortlichen Ingenieure führen – insbesondere dann, wenn über die Einführung einer neuen Stromversorgungstechnologie entschieden wird. Doch was genau ist mit dem Terminus „Modularität“ gemeint?

Module – Teile eines Ganzen

Modularität wird definiert als die Aufteilung eines Ganzen in Teile, die als Bausteine oder Module bezeichnet werden. Demnach stellt sich nun die Frage nach einer konkreten Definition des Begriffs „Modul“.
Obwohl es keine allgemein akzeptierte Definition dieses Begriffes gibt, verstehen dennoch weltweit die meisten Ingenieure darunter eine eigenständige Einheit, die eine spezielle Funktion ausführt. Daher wollen wir diese Definition auch in diesem Artikel zugrunde legen.

Schaut man genauer hin, dann wird in den Marketingabteilungen der Herstellerfirmen leider aus verschiedensten Gründen versucht, die Unterschiede zwischen den Systemen zu verwischen. Daher tragen die sprachlich fein abgestimmten Marketingtexte in der Regel auch nicht zur detaillierten Klärung der technischen Unterschiede bei. Im Gegenteil: Sie führen häufig zu Missverständnissen. Umso wichtiger ist es zu verstehen, was genau die Technologien und Systemarchitekturen im Detail bedeuten.

Modulare Architektur

Modulare USV-Strukturen haben sich in drei verschiedenen Etappen entwickelt – vorangetrieben durch die Fortschritte in der Entwicklung von elektrischen und elektronischen Komponenten, insbesondere bei der Leiterkartenbestückung mit SMD-Bauteilen, der Einführung von Leistungshalbleitern (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) und der Erfindung der „transformatorlosen” Systeme. Parallel dazu entstanden in den 1980er Jahren die traditionellen Monoblock-USV-Anlagen und in den 1990er Jahren die modularen Block-USV-Systeme. Letztere werden nun durch die modularen USV-Systeme in Einschubtechnik, wie wir sie heute kennen, abgelöst.

Eine Monoblock-USV-Anlage mit individuell verbauten Leiterkarten und Schaltungskomponenten
Eine Monoblock-USV-Anlage mit individuell verbauten Leiterkarten und Schaltungskomponenten

Traditionelle Monoblocksysteme

Die meisten Techniker denken bei der Beschreibung einer USV-Anlage an ein traditionelles Monoblocksystem. Denn diese Systemarchitektur besteht seit mehr als 50 Jahren. Ein USV-Schrank beinhaltet alle zum Betrieb des Systems notwendigen Elemente. Von den Leiterkarten bis zu den Schaltungs- und Blindkomponenten ist alles separat im Gehäuse verbaut. Fällt eine Komponente aus, so muss diese einzeln entnommen, repariert und wieder installiert werden.
Diese Reparaturen sind oft sehr zeitintensiv und darüber hinaus ist die USV-Anlage während dieser Zeit ausgeschaltet, so dass die damit verbundenen Lasten Netzstörungen oder einem Totalausfall des normalen Stromnetzes ungeschützt ausgesetzt sind.
Absichern ließe sich dieses Ausfallszenario nur durch eine komplette Systemredundanz. Möchte man zu diesem Zweck oder z. B. auch zur Leistungserweiterung zu einem späteren Zeitpunkt ein weiteres identisches System installieren, kann dieses System-Upgrade (Skalierung) sehr kostenintensiv sein. Eine weitere Voraussetzung ist außerdem, dass genügend Raum zur Aufstellung des zusätzlichen USV-Schrankes und eine entsprechend dimensionierte, elektrische Infrastruktur bereits vorhanden sind.
Clevere Vertriebsmanager könnten argumentieren, dass trotz seiner Größe und seines Gewichtes jeder USV-Schrank ein Modul ist und damit „per Definition” eine modulare USV-Anlage darstellt. Betrachten wir jedoch Abbildung A, dann sehen wir, dass man bei Monoblock-USV-Anlagen nicht wirklich von einer „echten” modularen Systemarchitektur sprechen kann.

Modulare Block-Architektur

Der Technologiefortschritt führte zur Weiterentwicklung des USV-Designs und zur Entstehung modularer Block-USV-Anlagen. Auch bei diesen Systemen beinhaltet jeder USV-Schrank alle zum Betrieb der Anlage notwendigen Komponenten. Nun aber sind die wichtigsten Systemeinheiten wie z. B. Gleichrichter, Wechselrichter und statischer Bypass zu Baugruppen zusammengefasst, die als Bausteine oder Module bezeichnet werden könnten. Diese Baugruppen sind in sich abgeschlossen, eigenständig und können dem System individuell entnommen oder hinzugefügt werden.

Die Kernwerte der modularen Block-Topologie sind eine gesteigerte Systemverfügbarkeit und verbesserte Instandsetzungsmöglichkeiten. Denn es gestaltet sich deutlich einfacher und schneller, ein fehlerhaftes Gleichrichtermodul auszutauschen, als einen Gleichrichter vor Ort zu reparieren.

Allerdings weisen auch modulare Block-USV-Anlagen in Bezug auf ihre Skalierbarkeit dieselben Nachteile auf wie die oben beschriebenen Monoblocksysteme. Denn obwohl sie schon erheblich mehr Modularität als traditionelle Monoblocksysteme beinhalten, sind sie nicht als echt modulare USV-Anlagen zu bezeichnen. Das ändert jedoch nichts daran, dass sie nach wie vor eine exzellente Lösung für spezielle Anwendungen darstellen.

Modulare Block-USV-Anlage mit separaten Gleich- und Wechselrichterleistungsteilen
Modulare Block-USV-Anlage mit separaten Gleich- und Wechselrichterleistungsteilen
Übersichtsschaltbild einer modularen Block-USV-Anlage mit separaten Gleich- und Wechselrichterleistungsteilen
Übersichtsschaltbild einer modularen Block-USV-Anlage mit separaten Gleich- und Wechselrichterleistungsteilen
USV-System in modularer Einschubtechnik mit von­einander unabhängigen und eigenständigen USV-Modulen
USV-System in modularer Einschubtechnik mit von­einander unabhängigen und eigenständigen USV-Modulen

Modulare Einschubtechnik

In dieser Systemarchitektur beinhaltet jeder USV-Systemschrank mehrere voneinander unabhängige, parallelgeschaltete USV-Module. Bei jedem Modul handelt es sich um eine komplett unabhängige USV-Einheit. Sie kann dem Gesamtsystem entnommen oder hinzugefügt werden, ohne dass die Verbindung zu den betriebskritischen Lasten unterbrochen wird. Die Möglichkeit, die Module während des Normalbetriebs des Gesamtsystems sehr schnell auszutauschen oder zu ergänzen, bezeichnet man als „Hot Swap” oder „Safe Swap”. Es stellt ein Merkmal dar, anhand dessen man diese USV-Topologie identifizieren kann.

Unterbrechungsfreier und einfacher Modultausch durch Hot-Plug-Technologie
Unterbrechungsfreier und einfacher Modultausch durch Hot-Plug-Technologie

Hot Swap = Safe Swap

Da die USV-Module sehr schnell und sicher aus dem laufenden USV-System entfernt, ausgetauscht oder ergänzt werden können, führt dieses System einerseits zu höchster Verfügbarkeit und zum anderen zur maximalen Flexibilität aufgrund der einfachen Leistungsskalierbarkeit. Wie wir im Artikel „Verfügbarkeit vs. Zuverlässigkeit” dieser Serie noch weiter beschreiben werden, ist es insbesondere die sehr kurze Instandsetzungszeit dieser USV-Systeme, die zur Maximierung der Verfügbarkeit beiträgt. Die Artikel zu den Themen Skalierbarkeit und Flexibilität werden zudem aufzeigen, wie diese Systemarchitektur sowohl zu geringeren Anfangsinvestitionen als auch zu niedrigeren Betriebskosten führen kann.

CPA vs. DPA

Bei modularen Systemen in Einschubtechnik sind zwei typische Systemarchitekturen zu unterscheiden. Wir sprechen hier von „zentralisiert parallel” (Central Prarallel Architecture, kurz: CPA) oder „dezentralisiert parallel” (Decentralised Prarallel Architecture, kurz: DPA).
Als CPA bezeichnet man Systeme, bei denen die verschiedenen Module des Gesamtsystems gemeinsam auf nur einmalig vorhandene Komponenten zugreifen – z. B. auf den statischen Bypass oder auf eine zentrale Steuerungseinheit.
Beim Ausfall einer dieser gemeinschaftlich genutzten Komponenten kann es zum Gesamtausfall des Systems kommen. Somit stellt jede dieser Komponenten eine potenzielle Ausfallgefahr für die Verfügbarkeit des Stromversorgungssystems bzw. des gesamten betriebskritischen Prozesses dar. Im englischen Sprachraum wird dafür der Begriff des „Single Point of Failure” (SPOF)“ verwendet.
Bei einer dezentralisierten Architektur (DPA) sind hingegen alle Module völlig unabhängig voneinander ausgelegt – d. h. sie teilen sich keine anderen, für das Gesamtsystem notwendigen Komponenten.
Die Unterschiede zwischen CPA und DPA sind genauestens zu beachten. Denn obgleich CPA-basierte Systeme aufgrund der weniger verbauten Elemente häufig mit niedrigeren Erstinvestitionskosten verbunden sind, sollten sie gerade in Anwendungen, welche eine Höchstverfügbarkeitsstrategie erfordern, aufgrund der Single-Point-of-Failure-Problematik nicht installiert werden.

Fazit: Sicherheitsvorsprung nutzen

Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile eines „echten” modularen USV-Systems können zukünftig auch bei der Planung von Stromversorgungssystemen für den industriellen Sektor nicht mehr ignoriert werden.
Es ist jedoch sehr wichtig, genau zu unterscheiden, was ein Hersteller meint, wenn von „Modularität“, „modular“ oder „Modul“ gesprochen wird. Denn wie in diesem Artikel aufgezeigt wurde, sind nicht alle Module tatsächlich modular. Um den Sicherheitsvorsprung durch alle Vorzüge „echter“ Modularität zu nutzen, sollten verantwortungsbewusste Ingenieure daher unbedingt darauf achten, dass das ausgewählte System „Hot Swap”-fähig ist und über eine dezentralisierte Topologoie (DPA) verfügt.

Im nächsten Artikel dieser Serie werden wir die Unterschiede zwischen „Verfügbarkeit“ und „Zuverlässigkeit“ diskutieren.
Dabei geht es auch um den Einfluss, den „echte“ modulare und auf paralleler n+1 Redundanz basierende USV-Systeme auf Instandsetzungszeiten und damit die gesamte Systemverfügbarkeit haben.

USV-System-Design als CPA (Central Parallel Architecture) – es besteht die Möglichkeit des Single Point  of Failure, da keine volle Redundanz vorliegt.
USV-System-Design als CPA (Central Parallel Architecture) – es besteht die Möglichkeit des Single Point of Failure, da keine volle Redundanz vorliegt.
USV-System-Design als DPA (Decentralised Parallel Architecture) – ein Single Point of Failure ist aufgrund der vollständigen Redundanz nicht vorhanden.
USV-System-Design als DPA (Decentralised Parallel Architecture) – ein Single Point of Failure ist aufgrund der vollständigen Redundanz nicht vorhanden.

Weitere Informationen

Autor/Kontakt: Alexander Prömel
Telefon: +49 2871 93 238
E-mail: a.proemel@benning.de

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