USV-Anlage auslegen und berechnen: Leistung, Batterie und Überbrückungszeit

Welche Verbraucher sollen weiterlaufen?

Am Anfang steht eine Lastliste. Erfassen Sie jeden Verbraucher, der an der USV hängen soll, mit seiner tatsächlichen elektrischen Aufnahme. Entscheidend ist der Betriebszustand während des Netzausfalls.

Eine brauchbare Lastliste enthält:

Wo möglich, sollten Lasten im relevanten Betrieb gemessen werden. Die Nennleistung eines Netzteils oder die mechanische Leistung eines Motors ist nicht zwangsläufig seine tatsächliche elektrische Aufnahme.

Prüfen Sie außerdem, ob wirklich jeder angeschlossene Verbraucher überbrückt werden muss. Eine gezielte Abschaltung unkritischer Lasten kann die benötigte USV-Leistung und Batteriekapazität deutlich verändern.

USV-Leistung berechnen: kW und kVA getrennt prüfen

USV-Anlagen werden häufig mit einer Leistung in kVA bezeichnet. Zusätzlich besitzt jedes Modell eine zulässige Wirkleistung in kW. Beide Grenzen müssen eingehalten werden.

Die grundlegende Beziehung lautet:

\[ P = S \cdot \lambda \qquad\text{beziehungsweise}\qquad S = \frac{P}{\lambda} \]

Dabei steht \(P\) für die Wirkleistung in kW, \(S\) für die Scheinleistung in kVA und \(\lambda\) für den Leistungsfaktor der Last.

Ein Verbraucher mit 8 kW und einem Leistungsfaktor von 0,8 beansprucht beispielsweise:

\[ S = \frac{8\ \mathrm{kW}}{0{,}8} = 10\ \mathrm{kVA} \]

Eine USV mit 10 kVA, aber nur 8 kW zulässiger Ausgangsleistung läge damit bereits an beiden Grenzen. Reserve für Lastschwankungen wäre nicht vorhanden.

So entsteht die erforderliche Leistungsgröße

1. Addieren Sie die Wirkleistungen der gleichzeitig betriebenen Verbraucher.
2. Ermitteln Sie deren Scheinleistungen und addieren Sie diese für eine konservative erste Abschätzung.
3. Berücksichtigen Sie realistische Erweiterungen und Lastschwankungen.
4. Vergleichen Sie beide Ergebnisse mit den kW- und kVA-Grenzen der vorgesehenen USV.
5. Prüfen Sie Einschaltströme, Überlastfähigkeit und gegebenenfalls die Belastung einzelner Phasen separat.

Ein pauschaler Reservewert kann für die Vorauswahl helfen. Er ersetzt keine Prüfung des tatsächlichen Lastverlaufs. Gerade Motoren, Transformatoren und größere Netzteile können beim Einschalten eine deutlich höhere Leistung fordern als im Dauerbetrieb.

Überbrückungszeit festlegen, bevor die Batterie gewählt wird

Die benötigte Laufzeit ergibt sich aus dem Betriebsziel. Soll die IT geordnet herunterfahren? Muss die USV die Startzeit einer Netzersatzanlage überbrücken? Oder soll ein Prozess bis zum Ende eines Arbeitsschritts weiterlaufen?

Für die Zeitvorgabe zählen alle Schritte bis zum sicheren Zielzustand. Bei einem Aggregat können dazu Erkennung des Netzausfalls, Start, Stabilisierung, Umschaltung und eine zeitliche Reserve gehören. Die Verträglichkeit von USV und Aggregat muss zusätzlich geprüft werden: Ein ungeeignetes Zusammenspiel kann dazu führen, dass eine USV trotz laufendem Aggregat wiederholt auf Batterie schaltet.

Energiebedarf als erste Abschätzung

Bei annähernd konstanter Last gilt:

\[ E_\mathrm{AC} = P_\mathrm{Last} \cdot t \]

Für 12 kW über 20 Minuten ergibt sich:

\[ E_\mathrm{AC} =12\ \mathrm{kW}\cdot\frac{20}{60}\ \mathrm{h} =4\ \mathrm{kWh} \]

Die Verbraucher benötigen in diesem Beispiel 4 kWh elektrische Energie am USV-Ausgang. Das ist noch keine Angabe zur erforderlichen Batterie-Nennkapazität. Verluste, Entladerate, zulässige Entladetiefe, Temperatur und der geplante Batteriezustand am Ende der Nutzungsdauer kommen hinzu.

Bei zeitlich veränderlicher Last werden die einzelnen Phasen getrennt berechnet:

\[ E_\mathrm{AC}=\sum(P_i\cdot t_i) \]

Wenn nach einem geordneten Abschalten nur noch die halbe Leistung versorgt werden muss, wäre eine Rechnung mit 12 kW über die gesamten 20 Minuten beispielsweise zu hoch. Umgekehrt darf eine Lastspitze während des Batteriebetriebs nicht übersehen werden.

Warum sich Batterielaufzeit nicht zuverlässig aus Ah allein ergibt

Eine Batterieangabe wie „100 Ah“ reicht nicht aus, um die Laufzeit einer USV zu bestimmen. Benötigt werden unter anderem die Batteriespannung, das Entladeverhalten bei der geforderten Leistung und die Abschaltgrenze der USV.

Besonders bei kurzen Überbrückungszeiten ist die Entladung vergleichsweise hoch. Die auf einem Batterieetikett angegebene Ah-Kapazität darf daher nicht einfach mit der Nennspannung multipliziert und anschließend durch die Last geteilt werden, um eine garantierte Laufzeit zu erhalten.

Für die endgültige Auswahl zählen die Laufzeitdaten der konkreten USV-Batterie-Kombination bei der vorgesehenen Last. Hersteller stellen dafür Laufzeitkurven oder Konfigurationsdaten bereit. Der Nachweis sollte auch festhalten, ob er für neue Batterien gilt oder eine Reserve für den geplanten Batteriezustand am Ende der Nutzungsdauer enthält.

Klären Sie vor der Auswahl außerdem:

• Batterietechnologie und zulässige Betriebstemperatur
• erforderliche Wiederaufladezeit nach einer Entladung
• mögliche weitere Netzausfälle vor vollständiger Wiederaufladung
• Platzbedarf, Zugänglichkeit und Batteriewartung
• Überwachung von Batterie und Einzelkomponenten

USV-Technologie und Redundanz passend wählen

Neben Leistung und Laufzeit muss das Betriebsverhalten zur Last passen. Die Normenreihe IEC 62040-3 beschreibt Leistungsmerkmale und Prüfanforderungen für USV-Systeme. Bei der Auswahl begegnen Ihnen unter anderem die Klassen VFD, VI und VFI. Eine VFI-USV arbeitet im Doppelwandlungsbetrieb; welche Betriebsart sinnvoll ist, hängt von Last, Netzqualität und Schutzziel ab.

Eine zweite Frage ist die gewünschte Verfügbarkeit. Leistungsreserve und Redundanz sind verschiedene Dinge. Soll nach Ausfall eines Leistungsmoduls die volle kritische Last weiterlaufen, müssen die verbleibenden Module diese Last allein tragen können.

Beispiel: Eine kritische Last von 12 kW wird durch zwei parallel betriebene Module mit jeweils 10 kW versorgt. Zusammen reicht ihre Leistung aus. Fällt eines aus, verbleiben nur 10 kW. Für diese Last liegt also keine N+1-Redundanz vor.

Prüfen Sie bei der Planung auch Wartungsbypass, Austauschbarkeit von Modulen, Überwachung und den gewünschten Betrieb während einer Wartung. Ein Bypass schafft einen Wartungsweg, schützt die Verbraucher in dieser Betriebsart aber nicht automatisch weiter gegen jede Netzstörung.

Die Anlage rund um die USV mitplanen

Die passende USV-Leistung allein macht noch keine funktionierende Installation. Eingang, Ausgang, Batterien und Einbauort müssen zusammenpassen.

Besonders wichtig sind:

• Netzanschluss und maximaler Eingangsstrom, einschließlich Batterieladung
• ein- oder dreiphasige Versorgung und Verteilung der Lasten auf die Phasen
• Leitungsquerschnitte, Schutzorgane und Abschaltbedingungen
• Kurzschlussverhalten der USV und Verhalten im Bypass
• Temperatur, Belüftung und Abwärme im Technikraum
• Platz für Batterie, Wartung und spätere Erweiterung
• Meldungen und Schnittstellen für die Betriebsüberwachung

Die einschlägigen Normen hängen vom Einsatzfall ab. DIN EN IEC 62040-1:2026-09 behandelt Sicherheitsanforderungen an USV-Systeme, DIN EN IEC 62040-2 deren elektromagnetische Verträglichkeit und DIN EN IEC 62040-3 Leistungsmerkmale und Prüfungen. Für stationäre Batterieanlagen ist außerdem IEC 62485-2 relevant.

Versorgt die Anlage Einrichtungen für Sicherheitszwecke, muss deren Installation gesondert betrachtet werden. DIN VDE 0100-560 behandelt solche Stromquellen und Stromkreise; sie gilt ausdrücklich nicht allgemein für jede Ersatzstromversorgungsanlage. Die konkrete Anwendung sollte deshalb zu Beginn des Projekts festgelegt werden.

Von der Vorrechnung zur belastbaren Auslegung

Eine erste Rechnung grenzt die Leistungsklasse ein. Für ein belastbares Angebot werden die Annahmen anschließend mit Herstellerdaten und dem tatsächlichen Betriebsziel abgeglichen.

Das Ergebnis sollte mindestens festhalten: maximale Dauerlast in kW und kVA, Lastspitzen, gewünschte Laufzeit bei definierter Last, Batterieannahmen, Redundanz, Netzanschluss und Einbaubedingungen. Nur so lässt sich später prüfen, ob die angebotene Anlage die geforderte Aufgabe erfüllt.

Sie planen eine neue USV-Anlage oder den Austausch einer bestehenden Lösung? Senden Sie der Thiele KG Ihre Lastliste und die gewünschte Überbrückungszeit. Wir prüfen die passende Leistungsklasse und legen die Laufzeit für die konkrete Anlage aus.

Welche Normen können relevant sein?

Die anzuwendenden Normen hängen vom Gerät, Einbauort und Einsatzgebiet ab. Eine CE-Kennzeichnung oder einzelne Prüfstandards ersetzen deshalb keine projektbezogene Bewertung.

Für allgemeine leistungselektronische Stromrichtersysteme beschreibt IEC 62477-1:2022 grundlegende Sicherheitsanforderungen bis 1.000 V AC beziehungsweise 1.500 V DC. Sie behandelt unter anderem elektrische, thermische, energetische und mechanische Gefährdungen. Für Bahnanwendungen gilt sie jedoch nicht als alleinige Grundlage.

In industriellen Umgebungen können, sofern keine speziellere Produktnorm greift, die generischen EMV-Normen IEC 61000-6-2 für Störfestigkeit und IEC 61000-6-4 für Störaussendung relevant sein.

Für den Schutz von Leitungen bei Überstrom ist in Deutschland unter anderem DIN VDE 0100-430 zu berücksichtigen. Sie behandelt den Schutz bei Überlast und Kurzschluss. Welche Teile der DIN-VDE-0100-Reihe anzuwenden sind, hängt von der konkreten Installation ab.

Bei Wechselrichtern auf Schienenfahrzeugen ist die Abgrenzung besonders wichtig. IEC 61287-1 behandelt Merkmale und Prüfverfahren kompletter Leistungsstromrichter auf Schienenfahrzeugen. EN 50155 betrifft elektronische Betriebsmittel und deren Betriebsbedingungen. Für Schock und Vibration wurde IEC 61373 im Juli 2026 neu veröffentlicht. Hinzu kommen je nach Anwendung beispielsweise Anforderungen an EMV, Brandschutz und Isolation.

Normenstände und vertraglich vereinbarte Ausgaben sollten zu Beginn jedes Projekts geprüft werden. Eine Normnennung im Datenblatt sagt außerdem noch nicht, für welche Prüfklasse oder welchen konkreten Einbauort das Gerät geeignet ist.