Grundlagen Kurz und Knapp: Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

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Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) oder Englisch:“ Uninterrupted Power Supplies (UPS) dienen der Daten- und Systemsicherheit. Hier erkläre ich kurz und knapp die Grundlagen sowie die richtige Dimensionierung. Mit Berechnungsbeispielen und Übungsaufgaben mit Lösungen.

Neben regelmäßigen Backups ist es für die Datensicherung mindestens genauso wichtig, dass bei möglichen Stromausfällen bzw. Spannungsstörungen die Server, Computer, Systeme, etc. weiterlaufen um ein kontrolliertes Herunterfahren zu gewährleisten oder andere Handlungsschritte durchzuführen. Somit kann in den meisten Fällen auch ein Datenverlust verhindern werden.

Ich erkläre die Grundlagen von USVs, die verschiedenen Arten und deren Funktionsweise kurz und knapp. In einen gesonderten Beitrag gehe ich auch auf die Dimensionierung (Auslegung/Berechnung) von USVs ein: Beispiele zur Dimensionierung (Auslegung) und Berechnung von USVs. Auch Hilfreich ist meine Formelsammlung zur Dimensionierung und  Berechnung von USVs.

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 herunter zu fahren, 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:

Abbildung: Offline USV, (c) Jens Timmermann, 2018

 

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.

 

Abbildung: Netzinteraktive USV, (c) Jens Timmermann, 2018

 

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.

Abbildung: Online USV, (c) Jens Timmermann, 2018

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
By |2018-04-19T09:56:24+00:00Februar 12th, 2018|Allgemein, Dies und Das, EDV Welt, Home, IT Welt, TIPPS|0 Comments

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