USV-Leistungsfaktor: Was 0,8, 0,9 und 1,0 für kVA und kW bedeuten

Vor einigen Monaten fragte ein Kunde, warum eine 100-kVA-USV in seinem Serverraum immer wieder Überlastungen meldete und gelegentlich auf Bypass umschaltete.

Die Anschlussleistung betrug nur etwas über 80 kW, sodass er davon ausging, dass die USV groß genug hätte sein müssen.

Wir baten ihn, das Typenschild zu überprüfen.

100 kVA / 80 kW

Das erklärte den Großteil des Problems.

Die USV hatte eine Nennleistung von 100 kVA, ihre Wirkleistung betrug jedoch nur 80 kW. Da mehr als 80 kW bereits angeschlossen waren, arbeitete das System an oder über seiner Nenn-kW-Grenze. Ein kleiner Lastanstieg oder eine kurze Leistungsspitze könnten ausreichen, um eine Überlastung auszulösen.

Dies ist ein häufiger Fehler bei der USV-Auswahl.

Die Leute erinnern sich an die 100-kVA- oder 120-kVA-Zahl, übersehen aber oft die daneben aufgedruckte kW-Angabe.

Für die USV-Größe ist beides wichtig.

Beginnen Sie mit der Trennung der verschiedenen Leistungsfaktoren

In einem USV-Datenblatt können mehrere Leistungsfaktorwerte aufgeführt sein:

• Eingangsleistungsfaktor
• Bewerteter Ausgangsleistungsfaktor
• Lastleistungsfaktor

Sie hängen zusammen, beschreiben aber nicht dasselbe.

Der Eingangsleistungsfaktor ist hauptsächlich ein Problem der vorgeschalteten Stromversorgung

Der Eingangsleistungsfaktor beschreibt das Verhältnis zwischen der Wirkleistung und der Scheinleistung, die die USV vom Versorgungsnetz oder Generator bezieht.

Moderne Doppelwandlungs-USV-Systeme mit IGBT-Gleichrichtern oder aktiver PFC können unter bestimmten Betriebsbedingungen einen Eingangsleistungsfaktor nahe Eins erreichen, mit deutlich geringerer Stromverzerrung als ältere Gleichrichterkonstruktionen.

Bei der Größenbestimmung kommt es darauf an:

• Eingangskabel
• Vorgeschaltete Leistungsschalter
• Transformatoren
• Dieselgeneratoren

Für die vorgeschaltete elektrische Auslegung reicht die USV-Nennleistung in kVA allein nicht aus.

Eine nützlichere Zahl ist normalerweise:

Maximaler Eingangsstrom

Der USV-Eingang muss gleichzeitig die angeschlossene Last, Umwandlungsverluste und in vielen Fällen die Batterieladung versorgen.

Dies wird bei Langzeitsystemen mit größeren Batteriebänken und höheren Ladeströmen immer wichtiger.

Für die Dimensionierung von Kabeln und Leistungsschaltern ist der vom Hersteller angegebene maximale Eingangsstrom normalerweise eine bessere Referenz als eine einfache Berechnung, die nur auf der kVA-Ausgangsleistung der USV basiert.

Was bedeuten 0,8, 0,9 und 1,0?

Wenn eine USV mit einem Ausgangsleistungsfaktor von 0,8, 0,9 oder 1,0 beschrieben wird, bezieht sich dies normalerweise auf das Verhältnis zwischen ihrer Nennleistung in kW und ihrer Nennleistung in kVA.

Eine einfache Möglichkeit, es zu lesen, ist:

Nennleistung PF = Nenn-kW ÷ Nenn-kVA

Wenn also ein Lieferant sagt:

Dies ist eine 100-kVA-USV.

Es bleibt noch eine wichtige Frage:

Für wie viel kW ist es ausgelegt?

Eine 100-kVA-/80-kW-USV und eine 100-kVA-/100-kW-USV haben möglicherweise die gleiche kVA-Leistung, ihre Wirkleistungsfähigkeit ist jedoch sehr unterschiedlich.

Dies ist auch stromübergreifend sichtbarHochfrequenz-USVDesigns, bei denen das Nenn-kW-zu-kVA-Verhältnis vom jeweiligen Modell und nicht nur von der Produktkategorie abhängt.

Bedeutet eine Niederfrequenz-USV immer einen Leistungsfaktor von 0,8?

NEIN.

Viele ältere transformatorbasierte Systeme wurden bewertet mit:

100 kVA / 80 kW

Später wurden viele transformatorlose Hochfrequenzsysteme auf Folgendes umgestellt:

100 kVA / 90 kW

Und heute sind 100-kVA-/100-kW-Ausführungen immer häufiger anzutreffen.

Dieser Verlauf hat eine Abkürzung geschaffen:

Niederfrequenz-USV = 0,8
Hochfrequenz-USV = 0,9
Modulare USV = 1,0

Es handelt sich nicht um eine verlässliche Regel.

Die tatsächliche Wirkleistungsbewertung hängt vom Wechselrichterdesign, der Halbleiterstromkapazität, dem thermischen Design und der Bewertungsmethode des Herstellers ab.

Ein Ausgangstrenntransformator ergibt nicht automatisch einen USV-PF von 0,8. Auch ein transformatorloser oder modularer Aufbau ist nicht automatisch PF 1.0.

Beim VergleichNiederfrequenz-USV, Hochfrequenzsysteme undmodulare USVDer sicherste Ansatz besteht immer noch darin, die Nenn-kVA und die Nenn-kW auf dem Datenblatt zu überprüfen.

Einen umfassenderen Vergleich der beiden wichtigsten USV-Topologien finden Sie in unserem LeitfadenNiederfrequenz-USV vs. Hochfrequenz-USV.

Auch die Last hat ihren eigenen Leistungsfaktor

Die USV hat kW- und kVA-Grenzwerte.

Die Last hat auch ihre eigenen kW-, kVA- und Leistungsfaktoren.

Angenommen, die tatsächliche Last ist:

80 kW bei PF 0,95

Die Scheinleistung beträgt:

80 ÷ 0,95 ≈ 84,2 kVA

Die Ladung verwendet also:

• 80 kW Wirkleistung
• ca. 84,2 kVA Scheinleistung

Schließen Sie diese Last nun an eine 100-kVA-/80-kW-USV an.

Die Belastung beträgt ungefähr:

• kW: 100 %
• kVA: 84 %

Die kVA-Leistung der USV ist nicht erschöpft.

Es ist keine kW mehr vorhanden.

Wenn Sie eine 100-kVA-/100-kW-USV mit der gleichen Last belasten, ergeben sich folgende Werte:

• kW: 80 %
• kVA: 84 %

Beide bleiben innerhalb der UPS-Bewertung.

Aus diesem Grund sollte die USV-Dimensionierung niemals allein auf kW oder kVA basieren.

Die Belastung muss innerhalb beider Grenzen bleiben.

Je nachdem, welches zuerst erreicht wird, wird es zur Einschränkung.

Einen vollständigen Prozess zur Größenbestimmung finden Sie in unserem Leitfaden unterwie man eine industrielle oder medizinische USV dimensioniert und auswählt.

PF 1,0 bedeutet nicht, dass eine beliebige 100-kW-Last angeschlossen werden kann

Dies ist ein weiteres häufiges Missverständnis.

Wenn eine USV bewertet ist:

100 kVA / 100 kW

Dies bedeutet nicht, dass jede Last unter 100 kW automatisch akzeptabel ist.

Nehmen Sie eine Last von 80 kW.

Bei PF 1,0:

80 kW = 80 kVA

Bei PF 0,8:

80 ÷ 0,8 = 100 kVA

Die Wirkleistung beträgt immer noch nur 80 kW, aber die Last hat bereits die 100-kVA-Grenze der USV erreicht.

Ein PF-Wert von 1,0 bedeutet also, dass die USV die gleiche Nennleistung in kW und kVA haben kann.

Dies bedeutet nicht, dass der Lastleistungsfaktor ignoriert werden kann.

Auch der voreilende und nacheilende Leistungsfaktor spielt eine Rolle

Ein Lastleistungsfaktor von 0,8 ist nicht die ganze Wahrheit.

Es kann sein:

• 0,8 Verzögerung
• 0,8 führend

Diese repräsentieren unterschiedliche Betriebsbedingungen für den Wechselrichter.

Server, Schaltnetzteile, VFDs, Motoren und andere Industrielasten verhalten sich nicht alle gleich.

Aus diesem Grund enthält ein gutes Datenblatt für USVs mittlerer oder großer Kapazität oft mehr als:

Ausgangs-PF = 1,0

Es kann auch Folgendes angeben:

Bereich des Lastleistungsfaktors

und stellen manchmal eine Leistungsreduzierungskurve bereit, die zeigt, wie viel kW oder kVA bei verschiedenen voreilenden und nacheilenden Leistungsfaktoren verfügbar ist.

Bei herkömmlichen IT-Lasten stellt dies möglicherweise kein großes Problem dar.

Für Geräte wie:

• VFDs
• Motoren
• CNC-Maschinen
• Medizinische Bildgebungsgeräte
• Andere dynamische oder nichtlineare Lasten

Der Last-PF-Bereich, die Überlastfähigkeit und die Spitzenstromanforderungen sollten ebenfalls überprüft werden.

Für motorische und induktive Anwendungen sieheWas ist bei der Auswahl einer USV für induktive Lasten zu beachten?.

Das gleiche Prinzip gilt für medizinische Bildgebungssysteme. In einem aktuellen Projekt, aFür einen CT-Scanner in Kamerun wurde eine 120-kVA-Niederfrequenz-USV eingesetzt, wo dynamisches Lastverhalten und transienter Bedarf ebenso wichtig waren wie die auf dem Typenschild angegebene kVA-Leistung.

Fügen Sie dem USV-Ausgang nicht einfach 15 % Batterieladeleistung hinzu

Eine gängige Größenverknüpfung sieht so aus:

80 kW Last
+ 15 % Akkuladung
+ 20 % freie Kapazität
= Wählen Sie eine 120-kVA-USV

Es ist einfach zu berechnen, aber es vermischt die Eingangs- und Ausgangsseite der USV.

Durch das Laden der Batterie erhöht sich vor allem der eingangsseitige Leistungsbedarf.

Auch die Ladekapazität kann zwischen den Modellen erheblich variieren.

Zwei 100-kVA-USV-Systeme können sehr unterschiedliche Ladeströme haben, insbesondere wenn eines für eine externe Batteriebank mit langer Laufzeit ausgelegt ist.

Bei der Größenbestimmung:

• USV-Eingangskabel
• Eingangsunterbrecher
• Vorgeschaltete Transformatoren
• Dieselgeneratoren

Überprüfen Sie die Angaben des Herstellers:

Maximaler Eingangsstrom

Und:

Maximaler Ladestrom

Diese Zahlen sind aussagekräftiger als die Annahme, dass die Batterieladung immer 10 %, 15 % oder 20 % der USV-Kapazität beträgt.

Bei der Generatordimensionierung sollte kein fester Multiplikator verwendet werden

Eine weitere gängige Regel ist:

Generatorkapazität = USV-Kapazität × 1,5

Manchmal ist die Empfehlung ×2.

Es gibt Systeme, bei denen dieser Spielraum angemessen ist, insbesondere ältere USV-Designs mit niedrigerem Eingangsleistungsfaktor und höherer Stromverzerrung.

Aber es sollte nicht als universelle Regel betrachtet werden.

Moderne USV-Gleichrichter mit IGBT oder aktiver PFC können einen Generator ganz anders belasten.

Bei der Generatordimensionierung sollte Folgendes berücksichtigt werden:

• Maximaler USV-Eingangsstrom
• Eingangsleistungsfaktor
• Geben Sie THDi ein
• Ladeleistung des Akkus
• Sanftanlauf- oder Eingewöhnungszeit des Gleichrichters
• AVR-Antwort des Generators
• Antwort des Gouverneurs
• Andere Lasten, die an denselben Generator angeschlossen sind

Wenn der Generator auch Klimaanlagen, Pumpen, Beleuchtung oder andere Geräte versorgt, müssen diese Lasten ebenfalls einbezogen werden.

Bei kritischen Systemen ist die Generatordimensionierung nur ein Teil der gesamten Energiearchitektur. Redundanz kann genauso wichtig sein. Unser Artikel zum ThemaN+1 vs. 2N USV-Redundanzbehandelt dieses Thema separat.

Bei Projekten mit Generatorunterstützung sollten USV und Generator idealerweise gemeinsam anhand der tatsächlichen Modelle und nicht anhand eines festen Multiplikators überprüft werden.

Was sollte in einer technischen USV-Spezifikation enthalten sein?

Geben Sie für eine USV mittlerer oder großer Kapazität nur Folgendes an:

100-kVA-Online-USV

ist nicht genug.

Bestätigen Sie mindestens Folgendes:

Bei ungewöhnlichen oder hochdynamischen Lasten lohnt es sich auch, nach der Leistungsreduzierungskurve des Herstellers im Verhältnis zum Lastleistungsfaktor zu fragen.

Das ist weitaus nützlicher, als wenn man ihm sagt, dass eine USV „jede Last bewältigen kann“.

Ein letzter Punkt

Wenn Sie das nächste Mal eine 100-kVA-USV sehen, gehen Sie nicht davon aus, dass sie 100 kW liefern kann.

Überprüfen Sie die nächste Zeile des Datenblatts.

Ist es:

80 kW?

90 kW?

oder:

100 kW?

Vergleichen Sie dann diese Nennwerte mit der tatsächlichen Last in kW und kVA.

Wenn die Anwendung Motoren, Frequenzumrichter, medizinische Geräte oder andere dynamische Lasten umfasst, überprüfen Sie auch den zulässigen Leistungsfaktorbereich und die Überlastfähigkeit der Last.

Viele USV-Dimensionierungsfehler werden nicht durch eine schlechte Formel verursacht.

Sie fangen an, weil jemand zuschaut100 kVAund blieb dort stehen.

Dieser Artikel basiert auf den Erfahrungen von TAFENG mit USV-Dimensionierung und Feldanwendungen. Das endgültige Systemdesign sollte anhand der technischen Daten des ausgewählten USV-Modells und der Anforderungen des spezifischen Projekts überprüft werden.

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