Das Wesen des nahtlosen Umschaltens ist der Wiederaufbau der Spannungsphase/Frequenz/Amplitude vom Netzspannungs- in den Inselnetzspannungszustand oder in umgekehrter Richtung innerhalb von <20 ms. In diesem Moment zeigt die physikalische Wirkung am PCS-Ausgang einen vollkommen unterschiedlichen Verlauf, wenn die „Gegenseite" einem anderen Lasttyp entspricht.
1. Unterschiedliche Lasten haben eine unterschiedliche „Rückwirkung" auf die Umschaltung
| Lasttyp | Physikalisches Verhalten im Umschaltaugenblick | Auswirkung auf den PCS |
|---|---|---|
| Ohmsch (R) | Spannung und Strom sind phasengleich, keine Energiespeicherelemente | Nahezu keine Stoßbelastung |
| Induktiv (L) | Restmagnetismus von Motor/Transformator sowie Gegen-EMK wirken weiter, die Phasenlage der Restsspannung ist nicht fix | Rückwärtsstrom, Phasenverschiebung → Abschaltung |
| Kapazitiv (C) | Zwischenkreiskondensatoren, Restsspannung der Kompensationsanlage weisen eine große Phasendifferenz gegenüber dem Netz auf | 6–10× Einschaltstromstoß |
| Nichtlinear (Gleichrichter/Schaltnetzteile) | Einspeisung von Oberschwingungsströmen | THD-Sprung nach der Umschaltung |
| Empfindliche Lasten (IT/Medizin) | Äußerst geringe Störfestigkeit | Bereits ein 20 ms langer Spannungseinbruch führt zum Ausfall |
2. Drei zentrale Abstimmungsanforderungen im Schaltaugenblick
- Phasensynchronisation – Die Restspannung der induktiven Last (Motor) und die neu aufgebaute Spannung des PCS erzeugen bei einer Phasenverschiebung direkt einen Stoßstrom.
- Frequenzanpassung – Stimmt die zur Motordrehzahl gehörende Frequenz nicht mit der PCS-Frequenz überein, entsteht ein Schlupfstrom.
- Amplitudenanpassung – Der Einschaltstoßstrom der Transformatoren (Magnetisierungseinschaltstoß) sowie der Ladestoßstrom kapazitiver Lasten sind proportional zur Spannungsdifferenz.
Genau deshalb wird die Belastungsrate bei direkt gestarteten Motorlasten auf 15–20 % und bei frequenzumrichtergespeisten Lasten auf 60 % begrenzt – nicht, weil der PCS diese Leistung nicht bewältigen könnte, sondern weil die Stoßströme im Schaltaugenblick die Schutzeinrichtungen auslösen.
3. Spezielle Lastsituationen
- DyN11 Trenntransformator (R4): Wolframfadenlampen/Ladestationen müssen über einen DyN11-Transformator betrieben werden, da sonst die DC-Komponente des PCS eine Isolationswarnung auslöst.
- Mehrmodulige Lastaufschaltung ≤ 40 % (R5): Gleichzeitiges Zuschalten löst den Ringstromschutz zwischen den Modulen aus.
- Frequenzumrichter-Klimageräte: Der Kondensator des DC-Zwischenkreises wird im Schaltaugenblick zusammengebrochen, sodass der Unterspannungsschutz auslöst → Schaltung fehlgeschlagen.
4. Technische Gegenmaßnahmen
- Lastklassifizierungstabelle vor der Umschaltung erstellen – alle Abgangsstromkreise nach Typ klassifizieren
- Sanftanlauf für nichtlineare/stoßartige Lasten – 5–10 s nach der Umschaltung schrittweise zuschalten
- Frequenzumrichter-Nachrüstung für Motorlasten – von Direktstart auf Frequenzumrichter umrüsten (Auslastungsgrad von 15 % auf 60 % steigern)
- STS-Leistungsreserve – Speicher-Ladeleistung + Lastaufnahmeleistung
- Separate Stromkreise für empfindliche Lasten – gemeinsame Sammelschiene mit stoßartigen Lasten vermeiden
Kurz zusammengefasst: Die Herausforderung der nahtlosen Umschaltung liegt nicht darin, ob der PCS selbst eine Spannung aufbauen kann, sondern darin, dass die Last im Umschaltaugenblick eine rückwärtsgerichtete elektrische Beanspruchung auf den PCS-Abgang ausübt. Die Art dieser rückwärtsgerichteten Beanspruchung unterscheidet sich je nach Lasttyp grundlegend, weshalb Umschaltstrategie und Auslastungsgrad für jeden Lasttyp individuell ausgelegt werden müssen.