Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) – Grundlagen kurz und knapp erklärt!

“Unterbrechungsfreie Stromversorgungen” (USV) oder Englisch ” Uninterrupted Power Supplies” (UPS) dienen der Daten- und Systemsicherheit. Hier erkläre ich kurz und knapp welche unterschiedlichen Arten von USVs es gibt , wie sie funktionieren und welche Vor-und Nachteile sie haben.

Neben regelmäßigen Backups ist es für die Datensicherung aber auch für die allgemeine Systemsicherheit sehr wichtig, dass bei möglichen Stromausfällen bzw. Spannungsstörungen die Server, Computer und andere Systeme möglichst fehlerfrei weiterlaufen. Bei Stromausfällen, sollten die Systeme zumindest noch die Zeit weiterlaufen, die notwendig ist sie kontrolliert herunterfahren zu können.

Genau dieses ist die Aufgabe von Unterbrechungsfreien Stromversorgungen. Die USV beugen somit in den allermeisten Fällen Systembeschädigungen oder Datenverlust bei Stromausfällen bzw. Spannungsstörungen vor.

In diesem Beitrag möchte ich die Grundlagen von USVs, die verschiedenen Arten und deren Funktionsweise kurz und knapp erklären.

In einen gesonderten Beitrag gehe ich auch auf die Dimensionierung (Auslegung/Berechnung) von USVs ein:

Auslegung und Berechnung von Unterbrechungsfreien Sromversorgungen (USVs) – Übungsaufgaben mit Lösungen Schritt für Schritt erklärt!

Hilfreich könnte auch meine Formelsammlung zur Dimensionierung und  Berechnung von USVs. sein.

Warum sind USV wichtig?

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) filtern die Netzspannung und schützen somit vor Spannungsspitzen und Spannungsunterbrüchen. Bei kompletten Stromausfällen können Sie über ihre Akkumulatoren (Akkus) die Versorgung der ihr angeschlossenen Geräte für eine gewisse Zeit aufrechterhalten. Diese Überbrückungszeit reicht in der Regel aus, um ein kontrolliertes Herunterfahren der angeschlossenen Geräte durchzuführen und somit einen Datenverlust zu verhindern.

Also, kurz und knapp: USV s bieten einen Schutz bei:

• Energienetz-/Stromnetzausfällen
• Spannungsverlust und Unterspannung im Energienetz
• Netzüberspannungen im Energienetz
• Schutz vor energiereichen Störimpulsen die durch das Energienetz übertragen werden.
  USVs stellen somit sicher:
• Das kein Datenverlust auftritt!
• Das keine Hardware-Schäden an den angeschlossenen Geräten auftreten
• Teure, wichtige unter Umständen lebenserhaltende Systeme (Krankenhäuser) bei Störungen weiterlaufen

Wo werden USV s eingesetzt (Beispiele):

• Server- und sonstige IT-Räume
• Sicherheitssysteme (Alarmanlagen, Krankenhäuser)
• Wichtige Computer (Workstation/PC)
• Netzwerk-Infrastruktur (z.B. Firewall, Switche)
• Kassensysteme

Dimensionierung (Auslegung) und Berechnung einer USVs.

Meistens sind Stromausfälle in Deutschland sehr kurz. Sie können manchmal aber auch 30 Minuten oder länger dauern. Eine USV muss in diesem Fall solange mit ihren Akkumulatoren den Betrieb der angeschlossenen Geräte aufrechterhalten.

Empfohlen wird eine Mindestüberbrückungszeit von 10 Minuten. Auf jeden Fall so viel Zeit die es benötigt z.B. einen Server kontrolliert herunterzufahren, um Datenverlust zu verhindern. Beispiele zur Dimensionierung (Auslegung) und Berechnung von USVs findet ihr hier.

Arten von Unterbrechungsfreien Stromversorgungen USVs.

1. Off-Line (Standby) USV

Off-Line USV sind die kostengünstigsten und einfachsten USV. Sie schützen nur gegen Stromausfälle und kurzzeitige Spannungsschwankungen. Im Normalbetrieb leitet die Off-Line USV den Strom durch die USV ohne eine Spannungswandlung an die angeschlossene Geräte weiter. Sobald Spannungsschwankungen oder Stromausfälle auftreten, schaltet die Off-Line USV automatisch auf Batteriebetrieb um. Die Umschaltung erfolgt innerhalb von ca. 2 – 10 ms.

Funktionsweise:

 

Die Off-Line USV bietet Schutz bei:

• Stromausfällen / Stromnetzausfällen
• Spannungseinbrüchen und Spannungsabfällen
• Spannungsstößen

Vorteile:

• Sehr hoher Wirkungsgrad (kleine Energieverluste)
• Kleine und kompakte Bauweise
• Lange Akkulebensdauer
• Niedrige Anschaffungskosten

Nachteile:

• Relativ langsame Umschaltung (bis 10ms). Einige Geräte vertragen das nicht gut (z.B. Netzwerk Switche)
• Ausgangsspannung ist von der angeschlossenen Last abhängig
• Ausgangsspannung trapezförmig (Nicht geeignet für empfindliche Geräte)
• keine Filterwirkung gegen Frequenzänderungen
• kein Inselbetrieb möglich (Starten ohne Netz)

 

2. Line-Interaktive (Hybrid) USV

Funktionsweise:

Die Line-Interaktive USV (line-Interactive) wird auch als Off-line + AVR USV, Netzinteraktive-, Delta-Conversion- und Single-Conversion USV genannt. Sie stellt ein Mischverfahren zwischen Online- und Offline USV Technik dar.

Bei diesem Typ werden die Akkus ständig über einen Gleichrichter geladen. Im Normal- und Störbetrieb passiert die Versorgungsspannung einen AVR (Automatic Volt Regulator) der für eine konstante Ausgangsspannung sorgt. Die Überwachung der Spannungsqualität wird ständig über einen Mikroprozessor überwacht. Treten Unregelmäßigkeiten auf, springt wird sofort auf Störbetrieb umgeschaltet und versorgt die  die angeschlossenen Geräte mit einer stabilisierten Spannung aus den Akkumulatoren. Im Gegensatz zur Offline USV bietet die Netzinteraktive USV eine stabilere und zudem sinusförmige Ausgangsspannung.

 

 

Die Line-Interaktive (line-Interactive) USV bietet Schutz bei:

• Stromausfällen / Netzstromausfällen
• Spannungseinbrüchen / Spannungsabfällen
• Spannungsstöße
• Unter- und Überspannungen
  

Vorteile:

• Extrem kurze Umschaltzeit
• Hoher Wirkungsgrad (ca. 98%) => geringe Energieverluste
• Hohe Filterleistung durch AVR
• Gutes Preis-/Leistungsverhältnis
• Sinusförmige Ausgangsspannung

Nachteile:

• Keine Filterwirkung gegen Frequenzänderungen

3. On-Line / Online USV

On-line (Online) USVs werden auch als Dauerwandler-, Doppelwandler- (Double-Conversion) oder VFI „Voltage and Frequency Independent“ USV bezeichnet. 

Funktionsweise:

Online USVs beliefern die angeschlossenen Geräte permanent mit Spannung die aus den Akkumulatoren (Akkus) der USV generiert wird. Die Netzspannung dient lediglich dem Laden der Akkus. Dadurch das die eingehende Netzspannung permanent von Wechselstrom in Gleichstrom und wieder zurück zu Wechselstrom konvertiert wird (Dauerwandler), werden Störungen in der Netzspannung wie Frequenzänderungem, Unter- unter Übersannung, etc. vollständig eliminiert.

Die Spannung wird durch Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen
regeneriert. Die USV überwacht sich dabei ständig selbst. Sollte ein Fehlerin der Funktionsweise der USV erkannt werden, wird sofort auf direkten Netzbetrieb umgeschaltet. Dies nennt man
auch Bypass oder Umgehung.

Die On-Line USV bietet Schutz bei:

• Stromausfall / Netzstromausfall
• Spannungseinbruch / Spannungsabfall
• Spannungsstösse / Störspannungen
• Unter- und Überspannung
• Frequenzschwankungen
• Schaltspitzen
• Harmonische Oberwellen
  

Vorteile:

• Gleichbleibende Spannungsqualität am Ausgang gewährleistet
• Keine Umschaltzeit
• Lange Autonomiezeit
• Volle Filterwirkung

Nachteile:

• Hohe Investitionskosten
• Höherer Energieverbrauch (Wirkungsgrad
  nur ca. 90%)
• Akku Lebensdauer zwischen 3 – 4 Jahren

 
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