Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (kurz: USV, englisch: Uninterruptible Power Supply, kurz: UPS) dient der Sicherstellung der Stromversorgung kritischer elektrischer Geräte bei Störungen im Stromnetz, wie beispielsweise kurzfristigen Stromausfällen und Stromschwankungen in Form von Über- oder Unterspannungen.

Verwendung

Die USV wird zwischen die Stromzuleitung der zu sichernden Geräte oder Anlagen geschaltet. Sie findet überwiegend Verwendung in Rechenzentren, Krankenhäusern und in den Leitstellen von Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS). Aber auch in Systemen mittelständischer und kleiner Unternehmen, sowie in Privathaushalten ist die USV inzwischen stark verbreitet. Eine zuverlässige Stromversorgung von Geräten aus der Kommunikations- und Informationstechnik gewinnt zunehmend an Bedeutung.

Störungen im Stromnetz

Auch wenn im westeuropäischen Raum längere Stromausfälle eher selten auftreten, so kommt es durchaus regelmäßig (z.B. aufgrund von Kurzschlüssen und besonders hohen Einschaltströmen großer Elektromotoren oder Schweißstromquellen) zu ungewollten Spannungsabsenkungen im Netz. Andererseits führen Blitzeinschläge und das Abschalten großer Stromverbraucher zu entsprechenden Spannungsspitzen. Die Energieversorger können zwar die in der Summe auftretenden Schwankungen als auch Unregelmäßigkeiten der Netzfrequenz nachregeln, jedoch können lokal verbleibende Auswirkungen empfindliche Geräte durchaus in ihrer Funktion stören oder sogar beschädigen.

Abhängig vom Konzept der USV können die angeschlossenen Verbraucher vor folgenden Störungen geschützt werden:

• Ausfall der Stromversorgung
• Unterspannung und Überspannung
• Spannungseinbrüche und Spannungsstöße
• Schaltspitzen
• Störspannungen
• Frequenzschwankungen
• Harmonische Oberschwingungen

USV-Klassen

Da sich anhand unterschiedlicher Bedürfnisse einzelner Geräte im Laufe der Zeit drei Klassen im USV-Bereich etabliert haben, wurden diese durch das International Engineering Consortium (IEC) unter der Produktnorm IEC 62040-3 und durch die Europäische Union unter EN 50091-3 festgelegt. Unterschieden werden deshalb folgende Typen:

• Klasse 1: VFI Voltage and Frequency Independent, auch bezeichnet als Dauerwandler- bzw. Online-USV
• Klasse 2: VI Voltage Independent, auch bezeichnet als netzinteraktive USV
• Klasse 3: VFD Voltage and Frequency Dependent, auch bezeichnet als Standby- bzw. Offline-USV

Generelle Funktion

Die Elektronik einer USV überwacht dauernd die vom Netzanschluss eingehende Spannung bezüglich deren Eigenschaften. Bei Detektion einer Störung schalten USVs der Klassen 3 und 2 innerhalb weniger Millisekunden auf die Versorgung mittels der internen Stromerzeugung um, welche aus einem Akku oder einem Verbund mehrerer Akkus gespeist wird.

Aufgrund des Schaltvorganges kommt es also entgegen dem eigentlichen Wortlaut unterbrechungsfrei bei diesen USV durchaus zu einer kurzen Unterbrechung der Stromversorgung von wenigen Millisekunden, welche jedoch von den meisten Stromverbrauchern ohne Funktionsstörungen toleriert wird. Ein ATX-Netzteil muss beispielsweise Unterbrechungen von bis zu 17ms überbrücken können.

Nur bei USVs der Klasse 1 kommt es zu keiner Unterbrechung, weil der Strom ständig vom Generator der USV stammt.

Je nach Auslegung kann eine USV Störungen im Zeitrahmen von einer Minute bis hin zu mehreren Stunden überbücken. Innerhalb dieser Zeit können entweder die Störungen beseitigt werden oder aber die angeschlossenen Systeme schadfrei heruntergefahren bzw. außer Betrieb genommen werden. Viele USVs können dazu über einen Datenbus ein Alarmsignal aussenden, um den Störfall unverzüglich einer systemverantwortlichen Person zu melden oder direkt in den betroffenen Systemen durch eine Software automatisch das Schließen offener Dateien und das Herunterfahren dieser Systeme zu veranlassen.

Aufbau

Eine Online-USV erzeugt im Normalbetrieb (grüne Pfeile) dauerhaft selbst generierten Strom aus den Akkus. Diese werden über den Gleichrichter dauerhaft nachgeladen. Fällt der Strom am Eingang aus oder wird eine nicht filterbare Störung entdeckt, hat dies keinerlei Auswirkungen auf den am Ausgang zur Verfügung stehenden Strom. Allerdings muss der in blau dargestellte Teil sehr hohen Anforderungen gerecht werden, womit sich der hohe Preis von Online-USV erklärt.

Sollte es zu einer Störung oder einer Überhitzung (z.B. durch eine zu große Last am Ausgang) im Generator (blaue Gruppe) kommen, kann die Elektronik ohne Schaltverzögerung den gefilterten Netzstrom des Eingangs über den Bypass direkt auf den Ausgang durchschalten (rote Pfeile). Nach Abkühlung wird durch die Elektronik netzsynchron und unterbrechungsfrei wieder auf den selbst generierten Strom zurück geschaltet.

Eine Offline-USV hingegen schaltet im Normalbetrieb (grüne Pfeile) dauerhaft die durch den Filter eingehende Netzspannung an den Ausgang durch. Gleichzeitig wird diese überwacht und parallel dazu bei Bedarf der Akku aufgeladen. Fällt der Strom am Eingang aus oder wird eine nicht filterbare Störung entdeckt, aktiviert die Elektronik den Wechselrichter und schaltet den erzeugten Strom innerhalb von 4 bis 10 Millisekunden auf den Ausgang (rote Pfeile). Nachdem die Elektronik wieder eine einwandfreie Eingangsspannung feststellt, schaltet diese auf den Netzbetrieb zurück und deaktiviert den Wechselrichter.

Weil die in blau dargestellten Gruppen also keiner Dauerbelastung ausgesetzt sind, müssen diese nicht so hochwertig sein, wie in einer USV der Klasse 1. Deshalb sind Einsteiger-Geräte der Klasse 3 bereits sehr preisgünstig zu haben.

Kaufkriterien

• Bauart
  In Hinsicht auf zukünftig bevorstehende Batteriewechsel oder Wartungen an der USV sollte zunächst der genaue Standort bestimmt werden und in Abhängigkeit davon die Bauweise. USV sind als kleine Standgeräte, als 19" Einbaugeräte bis hin zu großen und sehr schweren USV-Schränken erhältlich.

• USV-Klasse
  Für günstige, unempfindliche Geräte reichen USV der Klasse 3. Wichtige PC-Systeme und Server sollten mit USV der Klasse 2 abgesichert werden. Für kritische Geräte und Anwendungen kommen letztlich nur Klasse 1 USV in Betracht.

• Shutdown-Zeit
  Die Überbrückungszeit der USV muss für den benötigten Zeitraum ausgelegt sein, um alle Geräte ordnungsgemäß herunterfahren zu können, damit Datenverluste oder Hardwareschäden vermieden werden können.

• Mindestleistung
  Hier sollte der Stromverbrauch der Gesamtlast bekannt sein. Diesen Wert multipliziert man mit 230 V und addiert sicherheitshalber noch etwa 30% Reserve hinzu. Generell sollten eventuell nochmals bis zu 25% Reserve eingeplant werden, um bei einer Systemerweiterung nicht eine neue USV anschaffen zu müssen.

USV und aktives PFC

Ein Netzteil mit einem aktiven PFC benötigt für die Regelung eine echte Sinusspannung. Je nach USV wird im Batteriebetrieb nur eine Sinus ähnliche Spannung erzeugt. Dieses Verursacht beim Umschalten der USV auf Batteriebetrieb ein "overload" und kann das Netzteil zerstören.