Power Generation

UPS, DUPS und viel Schwung: So funktionieren Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung

Veröffentlicht am 15 Dezember 2020 von Lucie Maluck, Bilder von Kinolt

Bei Rolls-Royce Power Systems gibt’s jetzt auch unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, auf Englisch Uninterruptible Power Supply, kurz: UPS! Die neuen Produkte sind technisch höchst spannend – und dazu enorm wichtig.
Bei Rolls-Royce Power Systems gibt’s jetzt auch unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme, auf Englisch Uninterruptible Power Supply, kurz: UPS! Oha, das klingt kompliziert – zumindest für alle, die sich nicht täglich damit beschäftigen. Dass Rolls-Royce mtu-Motoren herstellt, die auch Strom erzeugen können, ist bekannt. Dass viele Kunden diese Generatoren zur Notstromversorgung nutzen – auch nichts neues. Die neuen Produkte, die übrigens vom im Juli übernommenen belgischen Unternehmen Kinolt hergestellt werden und im kommenden Jahr unter dem Markennamen mtu verkauft werden, sind technisch höchst spannend – und dazu enorm wichtig. Und weil sie dynamisch, also mit rotierenden Massen, arbeiten, nennt man sie Dynamic Uninterruptible Power Supply – kurz: DUPS

Was können unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme?

Zum einen machen sie den Strom „schön“, oder anders ausgedrückt: Sie gleichen im Normalbetrieb, wenn die öffentliche Stromversorgung funktioniert, die kurzfristigen Strom- und Spannungsschwankungen des Stromnetzes über eine Drossel – eine elektromagnetische Spule – aus. Diese Spannungsschwankungen sind sehr häufig und „normale“ Verbraucher merken davon nichts. Hochentwickeltes IT-Equipment wird jedoch immer feinfühliger und kann bei Schwankungen im Stromnetz Probleme bekommen. Besonders in Krankenhäusern, Rechenzentren oder in Industriebetrieben mit besonders sensiblen Produktionsprozessen wären die Folgen verehrend und mit großen finanziellen Verlusten verbunden.

Wie genau funktionieren UPS?

Die Technologie von Kinolt besteht aus der Kombination von einem ständig rotierenden, kinetischen Massenspeicher, einem mtu-Dieselmotor und einem Generator, der abhängig vom Betriebsmodus auch als Elektromotor mit seinen erwünschten Kompensationseigenschaften fungiert. Eine spezielle Steuerung und die dazugehörige Schaltanlage mit Drossel, welche die Aufgabe eines Netzfilters übernimmt, komplettieren das System. Der Strom aus dem öffentlichen Netz treibt den Synchrongenerator, welcher in diesem Betriebszustand als Motor arbeitet an. Der wiederrum treibt den kinetischen Massenspeicher an – tonnenschwer und aufgebaut wie eine elektrische Maschine mit Doppelrotorsystem. Dieser dient als „Energieakku“, der die Energie speichert und dann zur Verfügung stellt, wenn der Strom ausfällt.

Was passiert, wenn die primäre Stromquelle ausfällt?

Fällt das öffentliche Netz aus, sind die Systeme sofort und unterbrechungsfrei einsatzbereit, denn sie sind ja bereits in Aktion: Ein Teil der in dem Schwungrad gespeicherten Energie treibt dann den Generator an, der nun die Stromversorgung übernimmt. Ein anderer Teil der gespeicherten Rotationsenergie hilft derweil, den Dieselmotor sehr schnell zu starten. Innerhalb kürzester Zeit erreicht er seine Nennleistung und kann nun über den Generator die Stromversorgung übernehmen sowie das Schwungrad stabilisieren. Dies passiert natürlich unterbrechungsfrei – daher der Name „unterbrechungsfreie Stromversorgung“.

Braucht man noch eine Batterie?

Nein, mit der dynamischen UPS-Technologie von Kinolt ist keine Batterie notwendig. Bisher hat Rolls-Royce allein mtu-Notstromaggregate angeboten. Diese brauchen jedoch eine gewisse Zeit, bis sie hochgelaufen sind. Um diese Zeit zu überbrücken und wirklich überbrechungsfrei Strom zu beziehen, setzen Kunden oft Batteriespeicher ein. Die Batterie ist im System von Kinolt nicht mehr notwendig, da die im Schwungrad gespeicherte Energie sofort einsatzbereit ist und die Stromversorgung übernehmen kann, bis der mtu-Motor hochgefahren ist. 

Geht’s noch etwas genauer?

Na klar, hier nun die Erklärung für Experten und solche, die es werden wollen: Das Herzstück des Systems ist das Schwungrad, quasi ein kinetischer Energieakku. Dieser besteht aus zwei rotierenden Teilen: Der äußere Rotor läuft mechanisch frei um den inneren Rotor. Der Innenrotor, der von der Hauptwelle angetrieben wird, rotiert mit 1500 U/min (50 Hz) oder 1800 U/min (60 Hz). Er enthält zwei Sätze von Wicklungen; eine dreiphasige Wechselstromwicklung und eine Gleichstromwicklung.

Solange das öffentliche Stromnetz läuft, wird die Wechselstromwicklung mit Strom versorgt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Außenrotor mit einer Drehzahl von maximal 3000 U/min dreht. Die relative Geschwindigkeit zwischen Innen- und Außenring der Lager beträgt jedoch nur 1500 U/min, da sich die Welle selbst mit 1500 U/min dreht. Der Außenrotor speichert kinetische Energie vorteilhaft, da die Menge der kinetischen Energie quadratisch mit dem Abstand vom Rotationszentrum zunimmt.

Wenn die Netzversorgung innerhalb der Toleranz liegt, arbeitet die Synchronmaschine als Motor, treibt die Hauptwelle und damit den Akku an und speichert darin kinetische Energie. Wenn sich der Innenrotor mit 1.500 U/min (50 Hz) oder 1800 U/min (60 Hz) dreht, dreht sich der Außenrotor dann mit maximal 3.000 U/min. Die kinetische Energie wird also gespeichert.

Im Inselbetrieb, also wenn das System zum Notstromversorger wird, wird die Gleichstromwicklung gespeist, und der Außenrotor ist durch Induktion elektrisch mit dem Innenrotor gekoppelt. Seine kinetische Energie wird auf den Innenrotor übertragen - er treibt ihn an. Diese Energieübertragung wird durch genaue Steuerung des in die Gleichstromwicklung eingespeisten Stroms geregelt. Der Akku für die kinetische Energie ist ein völlig bürstenloses System.

Bei Netzausfall oder Spannungsstörung wird nun die gespeicherte kinetische Energie auf den kinetischen Energiespeicher übertragen, der als Generator wirkt. Dies geschieht ohne jegliche Unterbrechung für den Anwender. Kurz darauf startet der Dieselmotor und koppelt durch Einrasten der elektromagnetischen Kupplung an den kinetischen Energiespeicher. Die Energie wird dann vom Dieselmotor an die Synchronmaschine und dann an die Verbraucher weitergeleitet.

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