USV – Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Englischer Begriff: UPS für „Uninterruptable Power Supply“

Dieser Artikel beschreibt:

-          wofür man eine USV braucht (Grundlagen),

-          welche Technologien eingesetzt werden (technische Informationen),

-          welche Betriebsarten es gibt,

-          welche Arten von Netzstörungen auftreten können,

-          wie man USVs dimensioniert (Leistungsberechnung),

-          welche Aussagen es zu der Lebensdauer einer USV gibt,

-          welche Normen vorliegen sollten,    u.s.w.

Grundlagen:

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sorgen für eine konstante Spannungsversorgung. Sie sichern vor allem IT- und TK-Systeme ab. Die Energieversorgungsunternehmen (EVUs) können nicht für eine 100-prozentige Verfügbarkeit garantieren. Die meisten EVUs geben eine Verfügbarkeit von 99,98% an. Daraus ergibt sich eine Ausfallzeit von ungefähr zwei Stunden pro Jahr. Die Praxis verzeichnet aber einen deutlich höhere Ausfallzeit. Die Ausfallzeit wird in der Fachsprache als „Down Time“ bezeichnet.

Schon nach wenigen Millisekunden Stromunterbrechung kann es zur Abschaltung der PC-Komponenten kommen (Datenverlust) bzw. ein mehrmaliges ab- und anschalten des Stromes die Hardware eines Systems beschädigen (Totalausfall). Wichtig ist also, dass die USV schnell und präzise auf eine Stromstörung reagiert.

Alle USV`s weisen prinzipiell zwei Betriebsarten auf:

-          Normalbetrieb: die USV hängt am Stromnetz des Elektrizitätsunternehmens

-          Batteriebetrieb: versorgt den Verbraucher mit Energie aus den Akkus der USV

Aufbau einer USV:

Funktionale Teile sind:

-          Gleichrichter (AC/DC-Wandler)

-          Wechselrichter (DC/AC-Wandler)

-          Akkumulator,

-          Automatic Voltage Regulator AVR (AC/AC-Wandler),

-          Frequenzfilter,

-          Störspannungsschutz.

Der Gleichrichter wandelt Wechselspannung in Gleichspannung um (Eingangsseite). Die Akkumulatoren werden mit Gleichstrom aufgeladen. Der Wechselrichter wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um (Ausgangsseite). Wichtig ist bei der Umwandlung eine sinusförmige Ausgangsspannung wieder zu erhalten. Ein AVR, wird auch PLC (Power Line Conditioner) genannt, ist ein AC/AC-Wandler der Netzstörungen filtern soll. Der Einsatz ist häufig bei Line-Interactive-USVs anzutreffen und dient zum filtern von hochfreguenten Störsignalen die gegen Masse abgeleitet werden.

USV-Systeme werden entweder dezentral (Absicherung einzelner EDV-Systeme, z.B. Server) oder zentral (Absicherung ganzer Rechenzentren) aufgebaut.

Technische Grundlagen:

Die technische Unterteilung ergibt sich aus der Schaltungstechnik einer USV:

-          Offline – USV

-          Line-Interactive – USV (Hybrid USV bzw. Single-Conversion-USV)

-          Ferro-Resonante USV

-          Online – USV

Offline – USV:

Eine Offline-USV stellt die einfachste Ausführung einer USV-Anlage dar. Im Normalbetrieb wird die eingehende Netzspannung gefiltert an den Verbraucher weitergegeben. Die Filter im Eingangskreis begrenzen Transienten (kurze, steile Spannungs- bzw. Stromänderungen) und hochfrequente Störungen nur teilweise. Dies ist durch den einfachen Aufbau der USV zu erklären. Die gefilterte Spannung aus dem Eingangskreis wird zum Laden der Akkus genutzt. Die Offline-USV geht dann in Funktion, wenn die normale Netzspannung ausfällt. Der Umschalter wird automatisch betätigt, der wiederum den Impuls für die Akkumulatoren auslöst, diese zu nutzen.

Die Akkumulatoren der USV speisen nach einer kurzen Reaktionszeit (>10ms) die angeschlossenen Verbraucher. Die Netzteile der Verbraucher überbrücken die Umschaltzeit durch die Speicherkondensatoren im Netzteil. Da aber Akkus nur Gleichstrom (DC) liefern wird dieser zuvor in Wechselspannung gewandelt, wobei die Form des Wechselstroms (AC) eher rechteckartig als sinusförmig ist. Die Offline-USV haben trotz des geringen Preises (einfacher Aufbau) nur einen kleinen Marktanteil.

Wichtig: Bei allzu schlechter Eingangsspannung besteht die Gefahr, dass ständig der Umschalter ausgelöst wird, obwohl eigentlich gar kein Stromausfall vorliegt. Dies kann wiederum die Akku`s stark beanspruchen ggf. sogar zerstören.

Nachtrag: Der Wirkungsgrad beträgt bei Offline-USV`s nur 90 Prozent.

Line-Interactive-USV (Single-Conversion-USV):

Die Line-Interactive-USV-Systeme haben den zweitgrößten Marktanteil. Bei dieser USV besteht im Normalfall über einen AC/AC-Wandler eine direkte Verbindung vom Eingang zum Ausgang. Der Ausgang wird vom AC/AC-Wandler gespeist. Durch diese Wandlung werden sie auch Single-Conversion-USV genannt. Im Fehlerfall (Ausfall der Netzeingangsspannung) schaltet die USV auf die Akkus um. Der gelieferte Gleichstrom von den Akkus wird in Wechselstrom gewandelt (DC/AC-Wandler). Zusätzliche Netzfilter dämpfen hochfrequente Störfrequenzen, bzw. die USV kompensiert eine Unterspannung innerhalb des AC/AC-Wandlers indem die Stromaufnahme erhöht und damit die Ausgangsspannung der USV hochgeregelt wird. Dies bedeutet wiederum das die Akkus geschont werden und somit die Lebensdauer der Akkus erhöht wird (der Vorgang wird in der Fachwelt als „Boosting“ bezeichnet). Das Umschalten im Fehlerfall wird mit ca. 2 – 4ms durchgeführt.

Nachtrag: Der Wirkungsgrad liegt bei 98 Prozent.

Ferro-Resonate-USV:

Ferro-Resonate-USV kann entweder vom Typ Offline- bzw. Line-Interactive-USV arbeiten. Diese USV-Systeme werden heute kaum noch eingesetzt. Die Besonderheit liegt im ausgangsseitigen Trafo, der Spannungseinbrüche und Netzstörungen mildert bzw. durch Spulen ausfiltert. Der Trafokern wird immer in der magnetischen Sättigung gehalten, sodass er dadurch Energie speichert. Großer Vorteil ist die sinusförmige Ausgangsspannung. Nachteil, da der Trafo Aufgrund der Energiespeicherung groß dimensioniert ist, ist dieser Typ der USV sehr schwer bzw. sehr teuer.

Online-USV:

Haupteigenschaft der Online-USV  ist, dass den Verbrauchern ein zweifach gewandelter Strom (Double Conversion) zur Verfügung gestellt wird, unabhängig von einem vorliegenden Fehlerfall oder im Normalbetrieb. Der anliegende Wechselstrom am Eingang wird in einen Gleichrichterstrom gewandelt. Dieser lädt die Akkus und speist gleichzeitig eine Wechselrichtereinheit, die am Ausgang für Wechselspannung sorgt. Durch diesen Aufbau ergibt sich eine notwendige galvanische Trennung von Ein- und Ausgangsseite. Gleichzeitig werden aber Netzstörungen über diese Trennung vermieden bzw. beseitigt. Im Fehlerfall übernehmen die Akkumulatoren die Speisung der Ausgangsseite. Als Besonderheit besitzen Online-USVs einen sog. Bypass, der zwei Aufgaben übernimmt. Bei auftretenden Lastspitzen (z.B. beim Einschalten) wird direkt auf das Spannungsnetz umgeschaltet bzw. bei einem Defekt innerhalb der USV erfolgt ebenso ein Umschaltvorgang. Der große Vorteil liegt aber in der sauberen sinusförmigen Ausgangsspannung.

Nachtrag: Der Wirkungsgrad liegt bei 90 Prozent.

Dimensionierung / Berechnung einer USV:

In der Regel sind zwei Fragen zu klären:

1.)     Welche Systeme sind abzusichern?

2.)     Wie lange sollen diese im Fehlerfall online bleiben?

Die Leistung einer USV wird immer in VA (Volt Ampere) angegeben, auch benannt als Scheinleistung.

Ist auf dem Typenschild VA angegeben, so sind die einzelnen Werte der abzusichernden Geräte zu addieren. Ist die Leistung dagegen in W (Watt) angegeben, so muss folgende Formel angewendet werden: Leistung in Watt dividiert durch den Faktor 0,7 = Scheinleistung.

Folgende Werte können in der Praxis angenommen werden:

Lebensdauer einer USV:

Die Lebensdauer einer USV ist beschränkt durch die Akkumulatoren. Diese müssen i.d.R. alle 3 bis 5 Jahre ausgetauscht werden. Da Akkus extrem auf die Umgebungseinflüsse reagieren (Luftfeuchtigkeit, Temperatur) sollte hier speziell darauf geachtet werden. Den größten Einfluss haben aber die Ladevorgänge der Akkus. Auch die mechanischen Bauteile (Relais) unterliegen einem Verschleiß und sollten bei einer Wartung ggf. mit getauscht werden. Am sichersten sind USVs die eine Norm (VDS-2102) besitzen. Diese besagt: Lebensdauer ist mind. 4 Jahre und nach dieser Zeit mind. 80% der Nennkapazität.

Arten von Netzstörungen:

-          Netzausfälle seitens der EVU`s (Black Out)

-          Spannungsschwankungen (Flicker)

-          Unterspannung (Brown Out oder auch Sags)

-          Spannungsspitzen (Spikes)

-          Überspannung (Surge)

-          Blitzeinwirkung

-          Spannungsstöße (Transienten)

-          Spannungsverzerrungen

-          Spannungsoberschwingungen (Noise)

-          Frequenzschwankungen (Harmonics)

- usw.

Nachtrag: Nur die Online-USV kompensiert alle oben beschriebenen Netzstörungen.

Normen für Unterbrechungsfreie Stromversorgungen:

-          EU-Norm EN 50091 (Arten von USVs)

-          VDE-Norm 0558 (Netzstörungen)

-          IEC 62040-2 (Elektromagnetische Verträglichkeit)

-          IEC 62040-3 (Leistung und Prüfanforderung von USVs)

Weitere wichtige Funktionalitäten:

-          Shutdown-Software für verschiedene Betriebssysteme,

-          Management der USV über Netzwerk-Schnittstelle (mind. COM-Port-Lösung),

-          Meldung von schwachen Akkumulatoren,

-          Meldung von Temperaturen,

-          Mind. Batteriepufferzeit von 10 Minuten,

-          Benachrichtigung per E-Mail, SMS, Fax etc.

Weitere Informationen unter dem Punkt:   LAN / WAN   im Inhalt !

Letzte Bearbeitung:       08 / 2003     -   Bitte beachten Sie das Copyright und die Hinweise im Inhalt unter www.datahelp.de

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