USV-Konzepte im Überblick
Immer unter Strom
Fehlende einheitliche Bezeichnungen verwirren Anwender von unterbrechungsfreien Stromversorgungen immer noch. Abhilfe kann ein Blick auf die unterschiedlichen Funktionsweisen leisten. Auch die IEC-Einstufung ist nützlich.
Stromausfälle sind für Privathaushalte lästig, in Unternehmen führen sie nicht selten sogar zu größeren finanziellen Schäden. Netzwerke, Computer, Maschinenstillstände: Es braucht nicht viel Fantasie, um die Risiken eines Stromausfalls abzuschätzen. Dabei sind die häufigsten Ursachen für Datenverluste mit 47,6 Prozent Spannungsabweichungen, das heißt Stromausfälle oder Überspannungen. Zu den gefährlichsten Bedrohungen gehören indes in der Regel nicht die länger andauernden Ausfälle. Vielmehr resultieren Systemabstürze im Unternehmen größtenteils auf Versorgungslücken im Zehntelsekundenbereich - Störungen, die sich verhindern ließen.
Unerlässlicher Schutz
USV-Systeme überbrücken die Stromversorgung für eine bestimmte Zeit und verhindern einen Datenverlust während eines Stromausfalls. Die Länge dieser Überbrückungszeit hängt von der internen und externen Batterieanlage und der geforderten Leistung ab. Dabei muss die Laufzeit mindestens so dimensioniert sein, wie die zu schützenden Geräte benötigen, um ordnungsgemäß herunterzufahren - oder bis ein zusätzliches Notstromaggregat startet und seine Arbeit aufnimmt. Bei Datenbanken etwa kann es bis zu einer halben Stunde dauern, bis das System heruntergefahren ist.
Die verschiedenen Arten von USV-Systemen unterscheiden sich allerdings hinsichtlich ihrer Leistungsmerkmale. Ein Umstand, der bei Betreibern von Rechenzentren oft immer noch Verwirrung auslöst. Hartnäckig hält sich das Gerücht, es gäbe lediglich zwei Arten: in der Betriebsart Bereitschaft (Standby) und in der Betriebsart Online arbeitende Systeme. Gängig sind allerdings vier verschiedene USV-Arten. Damit Rechenzentrumsbetreiber abhängig von der Anforderung das richtige System auswählen können, müssen sie also die Besonderheiten sowie Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Typen und ihrer Arbeitsweise verstehen.
USV-Anlagen für Bereitschaftsbetrieb dienen am häufigsten zur Spannungsversorgung von Computern. Dabei ist der Netzspannungsumschalter so konfiguriert, dass die gefilterte Netzwechselspannung als primäre Netzspannungsquelle gewählt wird. Bei einem Ausfall kommen Wechselrichter und Akku als Backup-Quelle zum Einsatz. In diesem Fall verbindet der Netzspannungsumschalter die Last mit dem Ausgang der USV. Der Wechselrichter startet nur bei einem Ausfall der Netzwechselspannung. Aus diesem Grund bezeichnen Hersteller diese Betriebsart als Bereitschaft. Derartige Systeme zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, geringe Abmessungen und niedrige Kosten aus.
Geräte für den linearen Bereitschaftsbetrieb sind hauptsächlich für die Absicherung von Servern in kleinen Unternehmen vorgesehen. Der Wechselrichter ist hier stets mit dem Ausgang der USV verbunden. Ist die Netzwechselstimmung einwandfrei, dient die Wechselrichterelektronik als Ladeelektronik für den Akku. Bei einem Ausfall öffnet sich der Netzspannungsumschalter, sodass der Wechselrichter die Akkuspannung in Wechselspannung umwandelt. Ist der Wechselrichter stets aktiviert, kann die USV im Gegensatz zu einer USV für den Bereitschaftsbetrieb Spannungsspitzen durch Umschaltung aus der Wechselspannung herausfiltern. Systeme dieser Art sind insbesondere für anspruchsvolle IT-Anforderungen geeignet. Sie bieten einen zuverlässigen Netzausfallschutz und sehr guten Wirkungsgrad. Zudem sind sie günstiger als Online-USVs. Sie weisen aber eine eingeschränkte Überbrückungszeit auf.
USV-Geräte mit Doppelwandlung bieten einen kompromisslosen Netzausfallschutz und kommen in erster Linie für die umschaltfreie Versorgung von Lasten mit einer Leistungsaufnahme von mehr als 10 kVA zum Einsatz. Der Unterschied zwischen einer solchen Online-USV und denen im Bereitschaftsbetrieb ist, dass sie keine Umschaltzeit benötigt, um die Last nach einem Ausfall der Netzwechselspannung zu übernehmen. Sowohl die Akkuladeeinheit als auch der Wechselrichter müssen in diesem Fall die gesamte Leistung zur Verfügung stellen. Die Ausgangsspannung kommt bei dieser Art vom Wechselrichter, der gleichzeitig den Akku lädt. Ein Netzspannungsumschalter muss nicht aktiv werden. Der Wirkungsgrad dieser USV-Art, der vor wenigen Jahren noch niedrig war, ist mittlerweile hoch. Grund dafür ist die IGBT-Technik (Isolated Gate Bipolar Transistor), die heute Stand der Technik in den führenden USV-Systemen ist. Dank dieser Halbleitertechnik sinkt der Stromverbrauch deutlich.
Auch bei Online-USV mit Delta-Umwandlung erfolgt die Versorgung der Last stets vom Wechselrichter mit Wechselspannung. Zusätzlich ist jedoch ein Delta-Wandler eingebaut. Er sorgt für einen noch besseren Wirkungsgrad: USV-Systeme mit Doppelwandlung wandeln die elektrische Energie zweimal um, nämlich einmal von Wechsel- in Gleichspannung zum Laden des Akkus und danach von Gleich- in die Ausgangswechselspannung zur Versorgung der Last. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Delta-Wandler übernimmt dagegen bei Mehr- oder Minderstromaufnahme beziehungsweise Unter- oder Überspannung nur die Differenz (das Delta) und nicht die komplette Leistung dieser Umwandlung.
Der Delta-Umwandler hat zwei verschiedene Aufgaben. Die erste ist die Steuerung der Charakteristik der Eingangswechselspannung. Dadurch ist sichergestellt, dass in das Wechselstromnetz keine Störsignale einlaufen. Auf diese Weise wird auch eine Überhitzung und Beschädigung des Stromverteilungsnetzes vermieden. Die zweite Aufgabe des Konverters besteht darin, die Eingangsspannung zu glätten, um die sichere und ausreichende Ladung der Akkus zu gewährleisten. Im Grunde weist eine Online-USV mit Delta-Wandlung die gleichen Ausgangseigenschaften wie eine USV mit Doppelwandlung auf, jedoch unterscheiden sich die Eingangscharakteristiken. Die Regelung der Eingangsspannung macht diese USV-Art mit allen Generatorarten kompatibel und ermöglicht es, auf eine Überdimensionierung von Verkabelung und Generator zu verzichten. Der wichtigste Vorteil von USV-Geräten dieser Art ist eine erhebliche Reduzierung von Energieverlusten.
Die USV-Systeme der letzten beiden Kategorien kommen in hochsensiblen und unternehmenskritischen Bereichen in der Computer- und Kommunikationstechnik von Unternehmen jeder Größe sowie öffentlichen Institutionen wie Universitäten, Krankenhäusern oder Rechenzentren zum Einsatz.
Fazit: USVs für alle Einsatzfälle
Die einzelnen USV-Arten eignen sich für verschiedene Anwendungen. Aufgrund der unterschiedlichen Bedürfnisse der jeweiligen Geräte haben sich drei Klassen im USV-Bereich etabliert, die das International Engineering Consortium (IEC) unter der Produktnorm IEC 62040-3 festgelegt hat. Entsprechend diesen Abhängigkeiten sind die drei USV-Typen den zehn Netzfehlern als differenzierte Lösungen zugeordnet. Diese Einstufung dient der Übersicht und der Entscheidungsfindung für den Anwender. Generell reichen für den Schutz der Computer am Arbeitsplatz Offline-USVs (Klasse 3) aus, sie bieten eindeutig das beste Preis-Leistungsverhältnis. Klasse-2-USVs (line-interaktiv) eignen sich optimal für die Spannungsversorgung von verteilten Servern und sind wegen der Möglichkeit zum Einbau in 19-Zoll-Racks die am häufigsten eingesetzte USV-Art. Geschäftskritische Anwendungen benötigen Geräte der ersten Klassifizierung. Sie bieten einen sehr hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende Aufbereitung der Netzwechselspannung.
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