USV im Schaltschrank: Bauarten, Auslegung, Überbrückungszeit

Eine Maschine aus Japan trifft ein, im Schaltschrank sitzt eine kleine USV. Auf dem Typenschild steht „AC100V“, im Handbuch heißt das Gerät joji shoyo kyuden, und Ihr Werk wird mit 230/400 V bei 50 Hz versorgt. Oder Sie legen selbst einen Schaltschrank aus und müssen entscheiden, welche USV hineinkommt und wie groß sie sein soll.

Die kurze Antwort: Wählen Sie die Bauart danach, was die Last verträgt. Legen Sie die USV so aus, dass die Last sowohl die VA- als auch die W-Angabe einhält. Bestimmen Sie die Überbrückungszeit aus dem Ablauf, den Sie beim Herunterfahren tatsächlich brauchen. Prüfen Sie danach, ob der USV-Eingang zur örtlichen Versorgung passt, denn japanische Schaltschränke sind häufig auf 100 V oder 200 V ausgelegt.

Dieser Beitrag behandelt, was eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) im Schaltschrank leistet und was nicht, die drei AC-Bauarten, die Auslegung nach VA und W, die Überbrückungszeit sowie Japans 100-V/200-V-Netz mit 50/60 Hz. Am Ende folgen eine Checkliste und Fragen an den japanischen Lieferanten.

Einige japanische Begriffe tauchen auf Schaltschrankzeichnungen und in USV-Handbüchern immer wieder auf:

• mu-teiden dengen sochi: unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
• joji inverter kyuden hoshiki: Online-USV (Doppelwandler)
• line-interactive hoshiki: Line-Interactive-USV
• joji shoyo kyuden hoshiki: Offline-USV (Standby); shoyo bedeutet „kommerzielle“, also Netzspannung
• shuntei: Kurzzeitunterbrechung; shunji den'atsu teika (kurz „shunte“ gesprochen wie shuntei): Spannungseinbruch
• backup jikan: Überbrückungszeit (auch Autonomiezeit oder Laufzeit)

Inhalt

1. Was eine USV im Schaltschrank leistet – und was nicht
2. Zwei Aufgaben: Störungen überbrücken und Zeit zum Herunterfahren gewinnen
3. Die drei USV-Bauarten: Online, Line-Interactive und Offline
4. USV im Schaltschrank auslegen: VA, W und Leistungsfaktor
5. Überbrückungszeit: Die Laufzeitkurve richtig lesen
6. Japans Stromversorgung: 100 V/200 V und 50/60 Hz
7. Schaltschrank mit USV aus Japan importieren oder exportieren
8. Checkliste: USV für einen Schaltschrank prüfen
9. Fragen an den japanischen Lieferanten
10. Grenzen dieses Beitrags
11. FAQ
12. Quellen

Was eine USV im Schaltschrank leistet – und was nicht

Eine USV nimmt normalerweise Netzspannung auf, versorgt die Last und lädt dabei ihre Batterie. Fällt der Eingang aus oder verlässt er den zulässigen Bereich, hält sie den Ausgang aus gespeicherter Energie aufrecht. Die Batterie ist im Gerät eingebaut oder in einem externen Batterieschrank untergebracht; die Bandbreite reicht von Geräten unter dem Schreibtisch bis zu Großanlagen für Server und kritische Anlagenteile.

Die gespeicherte Energie wird auf zwei Arten genutzt. Die USV kann die Last tragen, bis ein Generator anläuft, oder sie hält die Geräte so lange in Betrieb, dass sie geordnet heruntergefahren werden können, bevor die Batterie leer ist. In verfahrenstechnischen Anlagen sind die geschützten Lasten typischerweise Leit- und Überwachungssysteme wie ein Prozessleitsystem (PLS, engl. DCS).

Entscheidend ist der Geltungsbereich. Eine USV hält nur das am Leben, was an ihrem Ausgang angeschlossen ist. Dass die Steuerung des Schaltschranks weiter Spannung hat, heißt nicht, dass Pumpen, Motoren oder Netzwerkgeräte an anderen Stromkreisen weiterlaufen.

Abbildung 1 zeigt die typische Aufteilung zwischen geschütztem Steuerstromkreis und Motorstromkreis.

Abbildung 1: Die USV schützt den Steuerstromkreis, nicht den Motorstromkreis

Ein Prinzipbeispiel. Schaltschrank und Leitstand-PC hängen an der USV; der Motor läuft an einem getrennten Leistungsstromkreis.

Signalleitungen sind weggelassen. Netzwerk-Switches und Feldgeräte gehören in den geschützten Bereich, wenn die Anwendung sie braucht.

Auch innerhalb eines Schaltschranks können AC-Steuerspannung, DC-Netzteile und Netzwerkgeräte an getrennten Stromkreisen hängen. Tragen Sie den Ausgangsbereich der USV in die Stromlaufpläne ein, um übersehene Lasten zu finden.

Die drei Bauarten in diesem Beitrag sind AC-Eingang/AC-Ausgang-Ausführungen. Läuft Ihre Steuerung mit 24 V DC, entscheiden Sie, ob die AC-USV ein DC-Netzteil speist oder ob Sie die DC-Seite direkt puffern. In beiden Fällen halten Sie fest, welche Spannung und welcher Strom nötig sind und welches Gerät die Meldungen „Netzausfall“ und „Herunterfahren“ erhält.

Zwei Aufgaben: Störungen überbrücken und Zeit zum Herunterfahren gewinnen

Eine USV im Schaltschrank hat eine von zwei Aufgaben oder beide. Sie überbrückt kurze Netzstörungen, damit der Prozess weiterläuft, oder sie verschafft bei einem längeren Ausfall Zeit, damit Daten gesichert und Anlagen sicher gestoppt werden können. Weiterlaufen und kontrolliertes Stoppen verlangen unterschiedliche geschützte Lasten und unterschiedliche Überbrückungszeiten.

Spannungseinbrüche und Kurzzeitunterbrechungen überbrücken

Ein Spannungseinbruch (shunji den'atsu teika) ist ein kurzer Spannungsabfall, der nicht unbedingt bis null reicht; eine Kurzzeitunterbrechung (shuntei) ist ein kurzer Totalausfall der Versorgung. Netzfehler durch Blitzeinschlag oder das Anlaufen großer Lasten können beides auslösen, und selbst solche kurzen Ereignisse können Steuerungen abschalten. Für die Last ist auch ein Leitungsbruch, ein gezogener Stecker oder ein ausgelöstes Schutzgerät ein Netzausfall.

Die USV überwacht ihren Eingang. Verlässt der Eingang den für das Modell festgelegten Bereich, schaltet sie auf Batterie um oder hält den Ausgang anderweitig innerhalb der Grenzen.

Halten Sie zwei Angaben auseinander:

• Umschaltzeit (Millisekunden): wie lange der Ausgang beim Umschalten auf Batterie unterbrochen ist. Sie entscheidet, ob die Last die Umschaltung übersteht.
• Überbrückungszeit (Sekunden bis Minuten): wie lange die Batterie die Last tragen kann. Sie entscheidet, ob die Energie reicht, um Daten zu sichern und herunterzufahren.

Eine schnelle Umschaltung nützt nichts, wenn eine gealterte Batterie die Last nicht lange genug hält. Eine große Batterie nützt ebenso wenig, wenn die Umschaltlücke länger ist, als die Last verträgt: Die Steuerung fällt dann genau im Moment der Umschaltung aus. Passen Sie Ausgangsspannung, Frequenz und Kurvenform an die Eingangsspezifikation der angeschlossenen Geräte an.

Störungen auf Netzleitungen und auf Signalleitungen verlangen unterschiedliche Maßnahmen an unterschiedlichen Stellen. Legen Sie Aufgabe und Platz der Netzfilter fest und kombinieren Sie sie mit der Leistungswandlung der USV.

Ein Fehler im vorgelagerten Netz und ein Kurzschluss am USV-Ausgang verlangen ebenfalls unterschiedlichen Schutz. Klären Sie für die gesamte Versorgung, welches Gerät welchen Fehler abschaltet, einschließlich Kompaktleistungsschaltern (MCCB) und Fehlerstrom-Schutzschaltern (RCD).

Produktionsdaten schützen

Produktionsanlagen protokollieren Messwerte, Alarmhistorie und Prozessbedingungen auf einem Rechner. Bricht die Spannung abrupt weg, können Dateien oder Datenbanken im Schreibvorgang beschädigt werden, und die letzten Einträge vor dem Stillstand können fehlen.

Bleibt das Aufzeichnungsgerät an der USV, bleibt Zeit, Daten zu sichern und Anwendungen zu beenden. Ein PC an einer USV sichert seine Daten nicht von selbst. Dafür braucht es Shutdown-Software, eine Netzwerk- oder serielle Verbindung oder potentialfreie Kontakte, die dem PC das Handeln signalisieren; der Ablauf (was gesichert wird, welche Dienste enden) gehört zur Auslegung der Stromversorgung.

Nur den Leitstand-PC zu schützen, reicht nicht, wenn der Netzwerk-Switch ausfällt, denn dann kommen die Daten anderer Geräte nicht mehr an. Soll die Aufzeichnung weiterlaufen, verfolgen Sie den gesamten Weg: Messung, Steuerung, Netzwerk und Speicherziel.

Manche Auslegungen führen Statussignale der USV, etwa „Batteriebetrieb“ und „Batterie schwach“, als potentialfreie Kontakte an die Steuerung. Legen Sie Richtung und Bedeutung jedes Signals fest, damit die Steuerung weiß, was sie während eines Ausfalls erkennen kann.

Abbildung 2 zeigt die Reihenfolge vom Netzausfall bis zum abgeschlossenen Herunterfahren.

Abbildung 2: Sichern und Herunterfahren abschließen, solange die Batterie noch Energie hat

Ein Beispielablauf. Die Spaltenbreiten geben nicht die Dauer der einzelnen Schritte wieder.

01 NetzausfallUmschalten auf BatterieAusfall erkennen und die geschützten Geräte benachrichtigen

02 Sichern und vorbereitenDatensätze abschließenErforderliche Daten schreiben und Anwendungen beenden

03 Anlage stoppenStoppreihenfolge einhaltenIn den festgelegten Zustand fahren und das Betriebssystem herunterfahren

04 Reserve lassenFertig, bevor die Batterie leer istStreuung, Alterung und den nächsten Anlauf einplanen

Die Überbrückungszeit so wählen, dass sie alle nötigen Schritte einschließlich des Stoppens abdeckt

Die Reihenfolge von Anlagenstopp und Datensicherung hängt vom Prozess ab. Umschaltzeit (ms) und die hier gezeigte Überbrückungszeit (Sekunden bis Minuten) sind getrennte Kenngrößen.

Eine Anlage in einen sicheren Zustand zu bringen, erfordert mehr als Spannung. Es braucht definierte Stoppbedingungen und eine Stoppreihenfolge. Legen Sie deshalb gemeinsam mit der Verriegelungsauslegung fest, welche Ausgänge bei Spannungsverlust aktiv bleiben und welche freigegeben werden.

Ein Beispiel: Die Steuerung bleibt unter Spannung, aber wenn die Magnetventile oder die Instrumentenluft für die Armaturen nicht zur Verfügung stehen, wird die vorgesehene Bewegung möglicherweise nicht abgeschlossen. Prüfen Sie den Bereich der USV und den Zustand, in den die Anlage bei Ausfall übergeht, als zwei getrennte Fragen.

Eine USV ersetzt keine Datensicherung. Kopieren Sie gespeicherte Daten zusätzlich auf getrennte Medien, denn die USV schützt vor Spannungsverlust, nicht vor Hardwaredefekt oder Bedienfehlern.

Auch der Wiederanlauf braucht eine eigene Auslegung. Dass der USV-Ausgang wieder Spannung führt, dass der PC neu startet und dass die Anlage wieder anläuft, sind drei getrennte Ereignisse. Legen Sie den nötigen Ladezustand und die Anlaufreihenfolge fest und stellen Sie sicher, dass Ausgänge, die vor dem Ausfall aktiv waren, nicht unerwartet wieder anlaufen.

Die drei USV-Bauarten: Online, Line-Interactive und Offline

AC-USV gibt es in drei Hauptbauarten. Auf Japanisch heißen sie joji inverter (Online), Line-Interactive und joji shoyo (Offline/Standby). IEC 62040-3, die Leistungsnorm für USV, klassifiziert USV danach, wie ihr Ausgang vom Eingang abhängt. Die europäische Fassung ist EN IEC 62040-3, das japanische Gegenstück ist JIS C 4411-3. Die drei Bauarten fallen üblicherweise in diese Klassen:

• VFI (voltage and frequency independent): Online-USV, Doppelwandler
• VI (voltage independent): Line-Interactive-USV
• VFD (voltage and frequency dependent): Offline-USV (Standby)

Alle drei laden die Batterie und versorgen die Last bei Netzausfall. Sie unterscheiden sich im normalen Leistungsweg, in der Spannungsregelung, in der Umschaltzeit auf Batterie sowie in Verlusten und Wärme.

Ein Gerät kann je nach Betriebsart auch die Klasse wechseln. Schneider Electric weist darauf hin, dass eine Doppelwandler-USV im Hocheffizienzbetrieb (Eco-Modus) wie eine VFD arbeiten kann. Prüfen Sie deshalb die Klasse für die Betriebsart, die Sie tatsächlich einstellen.

Online-USV (Doppelwandler)

Eine Online-USV wandelt die eingehende Wechselspannung auch im Normalbetrieb in Gleichspannung um und erzeugt mit einem Wechselrichter wieder Wechselspannung. Die Last hängt stets am Wechselrichter, die Batterie sitzt auf der DC-Seite.

Abbildung 3: Eine Online-USV erzeugt die Ausgangsspannung auch im Normalbetrieb neu

Der normale Weg führt über Gleichrichter, DC-Zwischenkreis und Wechselrichter. Im Batteriebetrieb arbeitet derselbe Ausgangswechselrichter weiter.

Laden/Entladen der Batterie und Schutzschaltungen sind vereinfacht. Im Bypass fließt die Energie nicht über den normalen Wandlungsweg, und der Schutz durch die USV ändert sich.

Fällt der Eingang aus, bezieht die DC-Seite Energie aus der Batterie, und derselbe Wechselrichter hält die AC-Ausgangsspannung aufrecht. Weil der Leistungsweg nicht umgeschaltet wird, gibt es beim Übergang vom Normalbetrieb auf Batterie keine Unterbrechung.

Online-Geräte regeln Ausgangsspannung und Frequenz gut und werden deshalb für Server und Steuerungen mit hohen Anforderungen an die Spannungsqualität eingesetzt. Wie weit ein bestimmtes Gerät die Last von Eingangsstörungen entkoppelt, entnehmen Sie dem Datenblatt, etwa dem Eingangsspannungsbereich und der Ausgangsgenauigkeit.

Da sie ständig wandeln, haben Online-Geräte Wandlungsverluste und erzeugen mehr Wärme. Wählen Sie den Einbauort nach der Schranktemperatur und dem Luftweg, und halten Sie die vom Hersteller geforderten Abstände für Kühlung und Wartung ein.

Manche Modelle haben einen Bypass, der bei Überlast oder internem Fehler die Netzspannung direkt auf den Ausgang legt. Im Bypass erzeugt der Wechselrichter den Ausgang nicht neu, gehen Sie also nicht davon aus, dass die Last denselben Schutz hat wie im Normalbetrieb.

„Keine Unterbrechung beim Wechsel auf Batterie“ ist nicht dasselbe wie „keine Unterbrechung bei jedem Fehler“. Behandeln Sie das Umschalten auf Batterie getrennt von den Umschaltbedingungen bei Fehlern und Wartung. Je nachdem, was bei einem Fehler in Betrieb bleiben muss, ziehen Sie Redundanz oder einen Wartungsbypass in Betracht.

Line-Interactive-USV

Eine Line-Interactive-USV speist die Last im Normalbetrieb über den Netzweg und gleicht Spannungsschwankungen mit einer automatischen Spannungsregelung (AVR) aus. Steigt oder fällt die Eingangsspannung, stellt die AVR den Ausgang nach, zum Beispiel durch Umschalten von Transformatoranzapfungen.

Abbildung 4: Spannungsregelung im Normalbetrieb und Batterieversorgung bei Netzausfall

Ein Prinzipbeispiel einer AVR mit Anzapfungen eines Spartransformators. Eingang und Ausgang haben einen gemeinsamen Leiter, es handelt sich also nicht um eine galvanisch getrennte Ausführung.

Ladeweg und Steuerschaltungen sind weggelassen. Die Regelung durch die AVR im Normalbetrieb und der Übergang auf Batterie sind getrennte Vorgänge.

Innerhalb des Bereichs der AVR korrigiert die USV die Spannung, ohne die Batterie zu belasten. Liegt der Eingang außerhalb des nutzbaren Bereichs oder fällt er aus, schaltet sie die Last vom Netzweg auf Batterie und Wechselrichter um.

Diese Umschaltung braucht Zeit, vergleichen Sie sie also mit der Unterbrechung, die die Last verträgt. Angaben wie „einige Millisekunden“ sind modellspezifische Datenblattwerte, keine Zahlen, die für jedes Gerät gelten.

Gegenüber einer Offline-USV regelt eine Line-Interactive-USV zusätzlich die Spannung im Normalbetrieb; sie wird für Server und Peripherie eingesetzt. Kurvenform und Störunterdrückung hängen von der jeweiligen Schaltung ab. Nehmen Sie also nicht an, „Line-Interactive“ heiße automatisch „ohne Filterung“.

Überschreiten Schwankungen am Eingang häufig den Bereich der AVR, schaltet die USV immer wieder auf Batterie. Beim Vergleich der Bauarten helfen am Standort gemessene Spannungsschwankungen und die Häufigkeit von Störungen.

Offline-USV (Standby)

Eine Offline-USV führt die Netzspannung im Normalbetrieb an die Last und lädt dabei die Batterie. Erkennt sie einen Netzausfall oder einen anderen Eingangsfehler, schaltet sie die Last über einen Wechselrichter auf die Batterie um.

Abbildung 5: Eine Offline-USV schaltet bei Eingangsfehler den Ausgang um

Eine Funktionsskizze des Umschalters. Sie zeigt nicht das tatsächliche Relais oder den Halbleiterschalter.

Gezeigt sind der im Normalbetrieb genutzte Netzweg und der bei Fehler genutzte Batterieweg. Kurvenform und Schutzfunktionen prüfen Sie je Modell getrennt.

Da es keine ständige Wandlung im Wechselrichter gibt, nimmt eine Offline-USV intern nur wenig Leistung auf. Viele Modelle sind klein und leicht und werden für PCs und Peripherie bei stabiler Versorgung eingesetzt.

Zwischen dem Eingangsfehler und dem Batteriebetrieb liegt eine Umschaltzeit. Wählen Sie das Gerät, indem Sie diese Umschaltzeit mit der Unterbrechung vergleichen, die die Last verträgt.

Im Batteriebetrieb geben manche Modelle eine Sinusspannung aus, andere eine Rechteckspannung. Passen Sie die Kurvenform an das an, was das Netzteil der Last verlangt. Ein Gerät mit ausreichender Leistung kann trotzdem die falsche Wahl sein, wenn die Kurvenform nicht zur Last passt.

Omega-Beispiel aus der Praxis: Omron gibt an, dass seine Rechteck-Modelle nicht an PCs oder Servern mit Netzteil mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und nicht an induktiven Lasten wie Spulen und Motoren betrieben werden dürfen.

Lasten wie Motoren und Transformatoren sowie Lasten mit hohem Einschaltstrom prüfen Sie anhand der Anschlussbedingungen des Herstellers. Motorlasten einer Anlage an eine kleine Standard-USV zu hängen, ist eine eigene Auslegungsfrage, getrennt vom Schutz der Steuerspannung.

Abbildung 6 stellt die drei Bauarten nebeneinander.

Abbildung 6: Normaler Weg, Umschaltung und Spannungsregelung im Vergleich

Nur typische Eigenschaften. Kurvenform, Umschaltzeit und Bypass-Funktionen bestätigen Sie im Datenblatt des jeweiligen Modells.

Merkmal	Online (Doppelwandler)	Line-Interactive	Offline (Standby)
Japanische Bezeichnung	Joji inverter kyuden	Line-Interactive	Joji shoyo kyuden
Typische Klasse nach IEC 62040-3	VFI	VI	VFD
Normaler Leistungsweg	Über Gleichrichter und Wechselrichter	Netzweg plus AVR	Netzweg
Übergang auf Batterie	Keine Unterbrechung aus dem Normalbetrieb	Mit Umschaltzeit	Mit Umschaltzeit
Spannungsregelung im Normalbetrieb	Wechselrichter erzeugt den Ausgang	AVR innerhalb ihres Bereichs	Folgt der Netzspannung
Worauf achten	Ausgangsqualität, Verluste, Wärme, Bypass-Verhalten	AVR-Bereich, Umschaltzeit, Häufigkeit von Eingangsschwankungen	Umschaltzeit, Kurvenform, Spannungsqualität am Standort

Zuordnung der IEC-Klassen nach Schneider Electric White Paper 1. Die Klasse eines Geräts kann sich mit der Betriebsart ändern (zum Beispiel im Eco-Modus).

USV im Schaltschrank auslegen: VA, W und Leistungsfaktor

Die Ausgangsleistung einer USV wird mit zwei Zahlen angegeben: Scheinleistung in Voltampere (VA) und Wirkleistung in Watt (W). Die angeschlossene Last muss beide Angaben einhalten. Eine große VA-Zahl allein genügt nicht, und laut Omron löst das Überschreiten einer der beiden den Überlastalarm aus.

Die W-Angabe liegt meist unter der VA-Angabe, das Verhältnis ist der Ausgangs-Leistungsfaktor der USV. Schneider Electric erläutert, dass die W-Angabe traditionell bei etwa 60 % der VA lag und dass neuere Modelle näher beieinanderliegen. Nehmen Sie kein Verhältnis an, sondern lesen Sie beide Zahlen im Datenblatt ab.

Als Rechenbeispiel nehmen wir drei Lasten an: eine Steuerung mit 120 W / 150 VA, einen Leitstand-PC mit 180 W / 225 VA und einen Netzwerk-Switch mit 40 W / 50 VA. Das sind erfundene Werte für die Rechnung. Für eine echte Auswahl verwenden Sie die maximale Leistungsaufnahme aus dem Datenblatt jedes Geräts.

Nehmen wir nun eine hypothetische USV mit 1.000 VA / 300 W. Die VA-Angabe hat reichlich Spielraum, doch die Last von 340 W überschreitet bereits die 300-W-Angabe. Gleichen Sie die Lastliste jedes Mal mit beiden Angaben ab.

Die Reserve deckt auch spätere Erweiterungen und Laständerungen ab. Selbst innerhalb der Nennwerte kann der Einschaltstrom beim Anlauf die USV überlasten. Bewerten Sie deshalb Dauerleistung und kurzzeitige Spitzen getrennt.

Überbrückungszeit: Die Laufzeitkurve richtig lesen

Die Überbrückungszeit derselben USV ändert sich mit der Last in Watt. Tragen Sie Ihre tatsächliche Last in die Laufzeittabelle oder -kurve des Herstellers ein und prüfen Sie, ob die Zeit zum Sichern und Herunterfahren reicht.

Batteriespannung mal Amperestunden (V × Ah) gibt einen groben Anhaltspunkt für die gespeicherte Energie. Die tatsächliche Überbrückungszeit hängt jedoch auch von Entladebedingungen, Wandlungsverlusten und Entladeschlussspannung ab. Diese Energie einfach durch die Last in Watt zu teilen, sagt deshalb nichts über die Leistung eines bestimmten Modells.

Setzen Sie die nötige Zeit aus den erforderlichen Schritten zusammen: Wartezeit bis zur Erkennung des Netzausfalls, Sichern der Daten, Stoppen der Anlage und Herunterfahren des Betriebssystems. Setzen Sie nicht pauschal einen festen Wert wie 10 Minuten an. Berücksichtigen Sie die Dauer dieser Schritte bei hoher Systemlast und eine Reserve vor dem Ende.

Batteriealterung und Umgebungstemperatur verkürzen die verfügbare Zeit. Fuji Electric empfiehlt zum Beispiel, mindestens die doppelte benötigte Überbrückungszeit zu wählen, und gibt an, dass die Zeit am Ende der Batterielebensdauer auf die Hälfte des Anfangswerts sinkt. Bemessen Sie die Reserve so, dass die USV die geforderte Zeit bis zum geplanten Batteriewechsel noch abdeckt.

Wärme im Schrank, verdeckte Luftwege und ein warmer Einbauort verkürzen die Lebensdauer von Batterie und Gerät. Legen Sie das Wechselintervall der Batterie nach Batterietyp und den Temperaturbedingungen des Modells fest.

Am USV-Ausgang unterscheidet sich der verfügbare Kurzschlussstrom zwischen Wechselrichterbetrieb und Bypass. Vergleichen Sie Kurzschluss- und Überlastverhalten der USV mit den Auslösekennlinien der Geräteschutzschalter und Sicherungen und planen Sie Abzweige und Selektivität für beide Betriebsarten.

In der Instandhaltung prüfen Sie Alarmhistorie, Batteriezustand, Laständerungen und die geforderte Überbrückungszeit in regelmäßigen Abständen. Auf einen echten Ausfall zu warten, ist ein schlechter Weg, eine schwache Batterie zu finden. Kombinieren Sie deshalb die Selbsttests des Geräts mit einem geplanten Test, dessen Auswirkung auf den Prozess beherrscht ist.

Japans Stromversorgung: 100 V/200 V und 50/60 Hz

Japans Niederspannungsnetz unterscheidet sich vom europäischen und zeigt sich direkt auf USV-Typenschildern. Die übliche Steckdosenspannung beträgt 100 V, und viele Gebäude nutzen ein Einphasen-Dreileitersystem (tanso sansen-shiki) mit 100 V zwischen Außen- und Neutralleiter und 200 V zwischen den Außenleitern. Fabriken nutzen auch Drehstrom mit 200 V, und ein mit 200 V versorgter Schaltschrank kann einen Steuertransformator enthalten, der für die Steuerstromkreise auf 100 V heruntertransformiert.

Die Frequenz ist regional geteilt. Ostjapan nutzt 50 Hz, Westjapan 60 Hz; die Grenze verläuft grob vom Fluss Fuji in Shizuoka bis in die Gegend von Itoigawa in Niigata. Weil der Fuji die Präfektur Shizuoka selbst teilt, folgt die Linie keinen Präfekturgrenzen. Klären Sie die Frequenz deshalb für das konkrete Werk und nicht für die Präfektur.

Die Tabelle vergleicht die Nennspannungen an Steckdosen in Japan mit Ihrer Versorgung und mit Nordamerika, wohin Anlagen häufig weitergehen.

Land	Nennspannung (einphasige Steckdose)	Frequenz
Japan	100 V	50 Hz (Osten) / 60 Hz (Westen)
Deutschland, Österreich, Schweiz	230 V (Drehstrom 400 V)	50 Hz
USA	120 V	60 Hz

Für eine USV in einem japanischen Schaltschrank heißt das:

• Eingangsspannung: Eine USV mit der Angabe „AC100V“ ist für Japans 100 V gebaut. An einer 230-V-Versorgung braucht sie einen Abwärtstransformator auf 100 V oder einen Ersatz für die örtliche Spannung. Eine Ausgangsspannung von 100 V muss außerdem zur Steuerspannung des Schaltschranks passen. Schutzmaßnahme, Erdung und Absicherung des Transformators klären Sie mit der verantwortlichen Elektrofachkraft.
• Eingangsfrequenz: Japanische USV-Datenblätter nennen eine Nenn-Eingangsfrequenz, etwa „50/60 Hz ±4 Hz“. Prüfen Sie, ob der Bereich die 50 Hz Ihres Netzes abdeckt und wie das Gerät die Frequenz wählt.
• Ausgangsfrequenz im Batteriebetrieb: Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters muss zu dem passen, was die Lasten erwarten. Fragen Sie den Lieferanten, wie das Gerät seine Ausgangsfrequenz festlegt.
• Eingangsspannungsfenster: Der Bereich, in dem die USV im Netzbetrieb bleibt, ist um die Nennspannung herum festgelegt. Ein Fenster um 100 V lässt sich nicht auf eine andere Versorgung übertragen, und an einem schwachen Netz kann selbst eine passend bemessene USV häufig auf Batterie schalten.

Schaltschrank mit USV aus Japan importieren oder exportieren

Wird ein in Japan gebauter Schaltschrank an einen Standort im Ausland geliefert, braucht die USV eine eigene Prüfung. Bauart und Leistung sind nur ein Teil davon. Klären Sie die folgenden Punkte, bevor der Schrank verschickt wird.

• Spannungskonzept: die japanische 100-V-USV behalten und einen Abwärtstransformator vorschalten oder sie durch eine USV für die örtliche Spannung ersetzen. In beiden Fällen muss die nachgeschaltete Steuerspannung der entsprechen, für die der Schrank ausgelegt wurde.
• Konformität im EWR: Für eine Maschine mit USV im Schaltschrank bewertet die Konformitätsbewertung der Maschine auch die elektrische Ausrüstung (EN 60204-1) und die USV als Teil davon. Als Normen für die USV selbst kommen EN IEC 62040-1 (Sicherheit) und EN IEC 62040-3 (Leistung) in Betracht. Welche Richtlinien und Verordnungen gelten (Niederspannungsrichtlinie, EMV-Richtlinie, Maschinenrichtlinie beziehungsweise ab 20. Januar 2027 Maschinenverordnung), entscheidet der Hersteller oder Einführer zusammen mit seiner Konformitätsabteilung.
• Weiterverkauf nach Nordamerika: Dort gilt für USV die Sicherheitsnorm UL 1778 (abgestimmt mit CSA C22.2 Nr. 107.3). Ob eine USV in einem gelisteten Schaltschrank eine eigene Listung braucht, entscheidet die zertifizierende Stelle und die örtliche Behörde.
• Leistungsspezifikation: Fordert Ihre Spezifikation eine Klasse nach IEC 62040-3 (VFI, VI oder VFD), lassen Sie sich vom Lieferanten die Klasse des Geräts und die zugehörige Betriebsart nennen.
• Batterie: Bestätigen Sie Batterietyp, erwartetes Wechselintervall bei Ihrer Standorttemperatur und ob Ersatzbatterien vor Ort beschafft werden können. Klären Sie auch Transport und Entsorgung der Batterie nach dem geltenden Batterierecht.
• Abschaltsignale: Bestätigen Sie die Schnittstelle (potentialfreie Kontakte, seriell oder Netzwerkkarte), die Bedeutung der Signale und ob Shutdown-Software und Handbücher in Englisch oder Deutsch vorliegen.
• Dokumentation: USV-Handbücher, Alarmmeldungen und Beschriftungen können nur auf Japanisch vorliegen. Fordern Sie vor der Lieferung englische Fassungen an.

Checkliste: USV für einen Schaltschrank prüfen

Nutzen Sie diese Liste, wenn Sie eine Schaltschrankauslegung oder den USV-Vorschlag eines japanischen Lieferanten prüfen.

• Zweck: nur Überbrücken, geordnetes Herunterfahren oder beides
• Geschützter Bereich: alle Lasten am USV-Ausgang aufgelistet (Steuerung, HMI/PC, Netzwerk-Switches, Feldgeräte); Lasten, die bei einem Ausfall stehen bleiben, benannt
• Bauart: Online, Line-Interactive oder Offline; Klasse nach IEC 62040-3 und zugehörige Betriebsart
• Umschaltzeit: Datenblattwert mit der Toleranz jeder Last verglichen
• Ausgangskurvenform: Sinus oder Rechteck im Batteriebetrieb; geeignet für PFC-Netzteile und induktive Lasten
• Leistung: Gesamtlast innerhalb von VA- und W-Angabe, mit Reserve; Einschaltstrom geprüft
• Überbrückungszeit: aus dem Ablauf des Herunterfahrens aufgebaut; an der Laufzeitkurve bei der tatsächlichen Last geprüft; Reserve für Batteriealterung und Temperatur
• Versorgung: Eingangsspannung und -frequenzbereich der USV passen zur Versorgung am Standort; Ausgangsspannung passt zur Steuerspannung des Schranks
• Bypass: welcher Schutz entfällt, wenn die USV im Bypass ist, und ob ein Wartungsbypass nötig ist
• Schutz: Kurzschlussstrom in Wechselrichter- und Bypassbetrieb mit den nachgeschalteten Schutzgeräten abgestimmt
• Signale und Software: Meldungen „Batteriebetrieb“ und „Batterie schwach“ verdrahtet und definiert; Shutdown-Software eingerichtet und getestet
• Wiederanlauf: Anlaufreihenfolge und -bedingungen nach Spannungswiederkehr; kein unbeabsichtigtes Wiederanlaufen von Ausgängen
• Wärme und Instandhaltung: Einbauort, Abstände, Batteriewechselintervall, Selbsttestplan
• Konformität und Unterlagen: geforderte Kennzeichnung für den Zielmarkt (zum Beispiel CE); Handbücher und Beschriftungen in einer lesbaren Sprache

Fragen an den japanischen Lieferanten

Sie können diese Fragen unverändert in eine E-Mail oder einen technischen Fragebogen übernehmen. Für die Kommunikation mit dem Lieferanten übersetzen Sie sie am besten ins Englische.

• Nennen Sie bitte Hersteller, Typenbezeichnung und Datenblatt der USV. Ist sie eine Online-USV (joji inverter), Line-Interactive oder Offline (joji shoyo)?
• Welche Eingangsspannungs- und Frequenzbereiche hat die USV? Kann das Gerät an unserer Versorgung von [Spannung] V, [Frequenz] Hz betrieben werden? Wenn nein: Was schlagen Sie vor (Transformator oder eine USV für die örtliche Spannung)?
• Listen Sie bitte alle am USV-Ausgang angeschlossenen Lasten mit W- und VA-Werten auf und zeigen Sie die Summe im Vergleich zu den USV-Angaben.
• Für welche Überbrückungszeit und bei welcher Last wurde ausgelegt? Zeigen Sie bitte die abgedeckten Schritte des Herunterfahrens und die verwendete Laufzeitkurve.
• Wie lang ist die Umschaltzeit auf Batterie, und welche Kurvenform liegt im Batteriebetrieb am Ausgang?
• Unter welchen Bedingungen geht die USV in den Bypass, und was passiert mit der Last im Bypass?
• Welche USV-Statussignale sind an SPS oder PC verdrahtet, und was bedeutet jedes Signal? Ist Shutdown-Software enthalten und eingerichtet?
• Welchen Batterietyp hat die USV, und welches Wechselintervall empfehlen Sie? Können Ersatzbatterien außerhalb Japans beschafft werden?
• Welche Sicherheitsnachweise und Kennzeichnungen trägt die USV (zum Beispiel CE-Konformität nach EN IEC 62040-1)? Gibt es Handbücher auf Englisch?

Grenzen dieses Beitrags

• Der Beitrag konzentriert sich auf AC-USV für die Steuerspannung. Große Drehstromanlagen und DC-USV folgen denselben Überlegungen, brauchen aber die eigenen Auslegungshinweise des Herstellers.
• Umschaltzeiten, Kurvenformen, Eingangsbereiche und Laufzeiten sind modellabhängig. Verwenden Sie stets das Datenblatt des konkreten Geräts.
• Die Auslegungszahlen und die 20 % Reserve sind Beispiele, keine Auslegungsregeln. Ihr Unternehmen oder Projekt kann eigene Reserven vorgeben.
• Die Spannungen in der Länder-Tabelle sind Nennwerte an Steckdosen. Industrieversorgungen und tatsächliche Spannungen an Ihrem Standort können abweichen.
• Welche Zertifizierung eine USV braucht und wie sich der Schaltschrank bei Spannungsverlust verhalten muss, hängt von der Projektspezifikation, den geltenden Vorschriften und der Sicherheitsauslegung ab. Diese Entscheidungen liegen bei der verantwortlichen Fachkraft und der zuständigen Stelle. Die Hinweise zu EN-Normen und EU-Rechtsakten sind eine Orientierung, keine Rechtsberatung.

FAQ

Hält eine USV meine ganze Maschine in Betrieb?

Nein. Sie hält nur die an ihrem Ausgang angeschlossenen Geräte in Betrieb, und nur so lange, wie die Batterie reicht. Fallen Motorspeisung, Instrumentenluft oder Netzwerke an anderen Stromkreisen aus, kann der Prozess möglicherweise nicht weiterlaufen. Legen Sie in der Auslegung fest, welche Geräte weiterlaufen und welche stehen bleiben.

Bleibt eine Online-USV bei jedem Fehler unterbrechungsfrei?

Nein. Eine Online-USV hat keine Unterbrechung beim Wechsel vom normalen Wechselrichterbetrieb auf Batterie. Interne Fehler, Überlast sowie Bypass- oder Wartungsbetrieb sind andere Bedingungen. Lesen Sie die Betriebsspezifikation jedes Modells auch für diese Fälle.

Online- oder Line-Interactive-USV: Welche für den Schaltschrank?

Das hängt von der Last und der Versorgung am Standort ab. Wählen Sie Online, wenn die Last keine Umschaltlücke verträgt oder die Versorgung häufig Spannungs- und Frequenzstörungen zeigt. Eine Line-Interactive-USV kann genügen, wenn die Last die Umschaltzeit aus dem Datenblatt verträgt und der Eingang meist im Bereich der AVR bleibt.

Läuft eine größere USV länger?

Nicht unbedingt. Die Ausgangsleistung in VA und W und die Überbrückungszeit der Batterie sind getrennte Kenngrößen. Zwei USV mit derselben Leistung können je nach Batterie unterschiedliche Überbrückungszeiten haben. Wählen Sie das Gerät deshalb anhand der Laufzeittabelle bei Ihrer Last in Watt.

Kann eine USV meine Daten automatisch sichern?

Nicht von allein. Eine USV liefert nur Spannung. Sie braucht Shutdown-Software oder Netzwerk- beziehungsweise Kontaktsignale, die Anwendungen und Betriebssystem auffordern, sich zu beenden, solange noch Batterieenergie vorhanden ist. Nach der Spannungswiederkehr ist die Batterie nicht sofort wieder geladen; legen Sie deshalb auch Anlaufreihenfolge und Bedingungen fest.

Quellen

• USV-Bauarten, Klassen der Eingangsabhängigkeit nach IEC 62040-3 (VFD, VI, VFI), Klassenwechsel im Eco-Modus: Schneider Electric, White Paper 1 „The Different Types of UPS Systems“ (Englisch)
• Deutsche Bezeichnungen Offline-, Line-Interactive- und Online-USV im Zusammenhang mit VFD, VI, VFI: ausbildung-in-der-it.de, Lexikon „USV“
• VA- und W-Angabe und das traditionelle Verhältnis von 60 %: Schneider Electric FAQ FA157485 (Englisch); Schneider Electric Blog „VA vs Watts: What's the Difference Anyway?“ (Englisch)
• AVR-Spannungsregelung und Batteriebetrieb: Schneider Electric FAQ FA158913 (Englisch)
• Selektivität hinter einer USV: Schneider Electric FAQ FAQ000280512 (Englisch)
• Japanische USV-Bauarten und Ausgangskurvenformen: Omron Social Solutions, Einspeisearten von USV (Japanisch)
• VA-/W-Grenzen, Umschaltzeit, Einschränkungen bei Rechteckspannung, Bedingungen der Überbrückungszeit: Omron Social Solutions, Erläuterung der Spezifikationspunkte (Japanisch)
• Wiederanlauf nach Spannungswiederkehr: Omron Social Solutions FAQ (Japanisch); Schneider Electric FAQ FA342238 (Japanisch)
• USV-Überblick und Shutdown-Software: Omron Industrial Automation, technischer Leitfaden USV (Japanisch); Shutdown-Software (Japanisch)
• Reserve bei der Überbrückungszeit (das Doppelte) und Halbierung am Ende der Batterielebensdauer: Fuji Electric, Auswahl einer USV (Japanisch)
• Netzstörungen, Bauarten und Bypass: Mitsubishi Electric, Produktmerkmale von USV (Japanisch)
• Spannungseinbrüche: Kansai Transmission and Distribution (Japanisch)
• AVR mit Anzapfungen eines Spartransformators (Prinzip von Abbildung 4): Renesas, Application Note CM-314 (Englisch)
• JIS C 4411-3:2014 (Gegenstück zu IEC 62040-3): Japanese Standards Association, Vorschau (Japanisch); IEC 62040-3:2021: IEC Webstore
• IEC 62040-1 (Sicherheitsanforderungen an USV): IEC Webstore
• UL 1778, Anwendungsbereich und Abstimmung mit CSA C22.2 Nr. 107.3: UL Solutions, „UL 1778, the Standard for Uninterruptible Power Systems“ (Englisch)
• Nennspannung und Frequenz nach Ländern: WorldStandards, „Plug, socket and voltage by country“ (Englisch)
• Grenze zwischen 50 und 60 Hz in Japan: Hitachi Energy, überregionale HVDC-Kopplung in Japan (Japanisch)
• Einphasen-Dreileitersystem mit 100/200 V: Watanabe, Glossar zur Gebäudetechnik (Englisch)