USV – Der Notfall-Akku für Ihre Systeme
Viele Komponenten einer Netzwerkinfrastruktur
(Switches, Router, Server, Workstations, Storage-Systeme etc.) müssen
rund um die Uhr zur Verfügung stehen, um den reibungslosen Betrieb
eines Systems zu gewährleisten. Das heißt auch, dass diese Geräte auf
eine permanente, schwankungsfreie Stromversorgung angewiesen sind. Um
diese zu gewährleisten, kommen sogenannte USVs (Unterbrechungsfreie
Stromversorgung) zum Einsatz. Diese USVs können – im Gegensatz zu AEVs
(Allgemeinen Ersatzstromversorgungen) – bei Stromausfall oder
Netzschwankungen tatsächlich unterbrechungsfrei die Stromzufuhr für
kritische Lasten für einen bestimmten Zeitraum sicherstellen, um den
ausfallsicheren Betrieb eines Systems zu gewährleisten. Ihren Dienst
leisten USVs direkt zwischen Versorgungsnetz und Verbrauchsgerät.
Sichern und schützen
Plötzliche Stromausfälle gehören im europäischen Kontext nicht mehr
zur Tagesordnung, dennoch kommt es im regulären Stromnetz häufig zu
Spannungsschwankungen bzw. kurzzeitigen Über- und Unterspannungen. Die
Gründe dafür sind beispielsweise ein plötzlicher, kollektiver
Belastungsrückgang (oder -anstieg) im Stromnetz (Ende eines
Fussballspiels), Blitzschlag oder ein schlecht regulierter Netzbetrieb
des Stromversorgers. Viele elektrische Geräte reagieren auf diese
Schwankungen sensibel, angefangen vom Abschalten (bei eigebautem
Überspannungsschutz) bis hin zur Zerstörung von Bauteilen bzw. des
gesamten Gerätes. Ja nach Bauform und Typ kann eine USV folgende
Störungen im regulären Versorgungsnetz abfangen:
- Stromausfälle
- Oberschwingungen
- Frequenzänderungen
- Unterspannung
- Überspannung
- Spannungsschwankungen
Funktionsweise
Vereinfacht kann man sich eine USV tatsächlich als intelligenten
Akku vorstellen. Fällt der Strom aus, übernimmt die USV für eine
gewisse Zeit die Energieversorgung. Sobald wieder Strom wieder regulär
fliesst, klinkt sich die USV als Versorger aus und lädt den Akku über
das Stromnetz erneut auf. Zudem fangen viele USVs Spannungsspitzen ab
bzw. gleichen Unterspannungen aus. Da sich USVs in Bauform,
Eigenschaften und Leistungsfähigkeit stark unterscheiden, werden sie
in drei Klassen unterteilt:
- Standby- oder Offline-USV
- Line-Interactive-UPS
(Netzinteraktive-USV)
- Online-UPS (Dauerwandler-USV)
Klasse 3: Standby- oder Offline-USV
Standby-USVs gehören zu den einfachsten und kostengünstigsten USVs.
Sie sind zum Schutz gegen Netzausfälle und kurzzeitige
Spannungsschwankungen ausgelegt. Die Umschaltdauer zwischen
Netzbetrieb auf Batteriebetrieb liegt im Bereich von 4-10 ms
(Millisekunden). Kompensiert werden Spannungsschwankungen unter 16 ms
sowie Spannungsspitzen zwischen 4 und 16 ms. Da das für sensible
Geräte bzw. Geräte ohne eigenes Netzteil bereits zu lange sein kann
(während der Umschaltzeit werden Spannungsspitzen oder Störspannungen
nicht erkannt), sollten nur einzelne Computer mit eigenen Netzteilen
und Spannungsschutz oder kleine TK-Anlagen an Klasse 3-USVs
angeschlossen werden.
Klasse 2: Netzinteraktive USV (Netzinteraktive-USV)
Ähnlich wie Offline-USVs schützen auch Klasse-2-USV vor
Spannungsspitzen und Stromausfällen, jedoch können diese Geräte auch
Spannungsschwankungen ständig regeln. Die Umschaltzeit von Netz- auf
Batteriebetrieb fällt mit 2-4 Millisekunden etwas geringer aus, was
Klasse-2-USVs auch zur Absicherung grösserer TK-Anlagen, einzelnen
Computern und einfachen Netzwerken berechtigt.
Klasse 1: Online-USV (Dauerwandler-USV)
Online USV besitzen gegenüber den Klasse-2- und Klasse-3-Geräten
einen entscheidenden Vorteil: Sie benötigen überhaupt keine
Umschaltzeit. Dafür sorgt ein Generator, der ständig eine „saubere“
Ausgangsspannung bereitstellt. Sollte dieser Ausgang einmal überlastet
werden oder ein interner Fehler auftreten, kann über einen Bypass
unterbrechungsfrei auf normale Netzspannung umgestellt werden. Da die
Akkus ständig unter Last stehen, ist auch der Verschleiss entsprechend
höher. Die Akkus sollten daher alle drei bis vier Jahre gewechselt
werden. Online USVs werden zur Absicherung hochverfügbarer
Serversysteme und grosser Netzwerkarchitekturen eingesetzt.
USV Klasse: |
Ausgangsleistung (ca.): |
Anwendungsumgebung: |
1 |
ab 500 VA |
Server; sensible und hochverfügbare Systeme |
2 |
bis zu 5.000 VA |
Einzelcomputer, TK-Anlagen, Netzwerke |
3 |
Einzelcomputer, TA-Anlagen, Netzwerke |
Kleinstverbraucher, einzelne Computer |
Hinweise zur richtigen Dimensionierung der USV
Im ersten Schritt sollten Sie alle Geräte auflisten, die mit einer
USV gesichert werden sollen. Dann zählen Sie die Anschlussleistungen
(in Watt oder Voltampere) dieser Geräte zusammen. Dies ist der
Basiswert für die weitere Berechnung, in die noch ein Leistungsfaktor
für die USV einfliesst. Der Leistungsfaktor gibt den Verlustwinkel
eines Wechselstromkreises wieder, der durch die Phasenverschiebung von
Blindstrom, Wirkstrom und Spannung verursacht wird. Je nach
Leistungsklasse definieren sich unterschiedliche Leistungsfaktoren:
- Klasse 1: zwischen 0,7 und 0,8
- Klasse 2 und 3:
zwischen 0,6 und 0,7
Zusätzlich sollten immer Reserven von etwa 30 Prozent für weitere
Geräte mit eingeplant werden. Daraus ergibt sich folgende Faustformel:
- Anschlussleitung der Verbraucher (VA) / Leistungsfaktor =
MinimumUSV-Leistung (VA)
- USV-Leistung * 30 % Reserve (1,3)
= optimale USV-Leistung (VA)
Beispiel: 1.000 VA / 0,8 = 1.250 VA; 1250 VA * 1,3 = 1.625 VA In
diesem Beispiel sollte die USV also eine Leistungskapazität von
mindestens 1.625 VA besitzen.
Bauformen und Ausstattungsmerkmale von USVs:
Bauform
Kleinere USVs sind als Standgeräte für den Anschluss am Arbeitsplatz
erhältlich, größere USVs als 19“-Einheiten für den Einbau in Racks
bzw. als Standgeräte für Technikräume. Grössere USVs sollten zudem gut
zugänglich sein, um bei Bedarf die Batterien schnell wechseln zu können.
Anschlüsse
Je nach Modell verfügt eine USV über unterschiedlich viele Ausgänge,
um Verbraucher / Endgeräte zu versorgen. Bei manchen Modellen sind
diese Anschlüsse mit unterschiedlichen Funktionalitäten ausgestattet,
zum Beispiel drei Ausgänge für den reinen Überspannungsschutz und drei
weitere Ausgänge für unabhängige Stromversorgung und Überspannungsschutz.
Batterien
Viele Hersteller vertrauen auf eigene Batteriesätze für Ihre
Modelle. Bei einem Austausch oder Neukauf sollten Sie auf die
richtigen Werte wie Kapazität und Spannung achten.
Schnittstellen
Durch RS 232-, USB- oder LAN-Schnittstellen können Sie Ihre USV
administrieren und bspw. so konfigurieren, dass alle angeschlossenen
Computer oder Server bei andauernder Versorgungsunterbrechung
rechtzeitig heruntergefahren werden. Während der Zeitspanne bis zum
erfolgreichen Herunterfahren werden die Geräte (Backup Hardware) von
der USV mit Strom versorgt. Über entsprechende Software können
zusätzliche Dienste, etwa E-Mail-Benachrichtigen oder
Remote-Verbindungen, angesteuert werden.