Grundlagen der USV-Technik - Teil 1
Stromausfall - Nein, danke
Seit der Energiewende nimmt die Versorgungsqualität im deutschen Stromnetz spürbar ab: Spannungsschwankungen sowie kurzzeitige Ausfälle häufen sich. USV-Technik kann Abhilfe leisten, daher lohnt es sich, das Grundlagenwissen dazu aufzufrischen. Hier Teil 1 einer dreiteiligen LANline-Serie.In ihrer Jahresstatistik, dem "System Average Interruption Duration Index" (SAIDI), der alle Stromausfälle ab einer Dauer von drei Minuten erfasst, verzeichnete die Bundesnetzagentur im Jahr 2011 rund 200.000 Blackouts. Hinzu kommen nach Ansicht von Experten mindestens genauso viele Ausfälle unterhalb der Drei-Minuten-Grenze. Diese so genannten Mini-Blackouts können selbst bei einer Dauer von nur wenigen Sekunden erhebliche Folgen haben und für die betroffenen Unternehmen ein beträchtliches Kostenrisiko darstellen. Die Gefahren reichen dabei von Arbeitszeitausfall durch Hardwareschäden bis hin zum Verlust wichtiger Daten. Letzteres gilt insbesondere für Bereiche, in denen kritische Informationen verwalten werden, etwa in der Finanzbuchhaltung oder an CAD-Arbeitsplätzen. Retter: Unterbrechungsfreie Stromversorgung Um diesen Risiken vorzubeugen, empfiehlt sich der Einsatz von Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Diese stellen einen Batteriepuffer bereit, der Stromausfälle oder kritische Netzschwankungen kompensiert und das System weiterhin mit Strom versorgt. Die Puffer sind dabei in der Lage, Zeitspannen von etwa fünf bis fünfzehn Minuten zu überbrücken, je nach Kapazität auch länger. Innerhalb dieses Zeitraums lassen sich alle wichtigen Dokumente abspeichern und das System geordnet herunterfahren. Doch Vorsicht: Bei manchen Servern, auf denen beispielsweise Datenbankprozesse laufen, kann ein fachgerechter Shutdown teilweise bis zu zwanzig Minuten dauern. Reicht dafür die Batteriekapazität nicht aus, kommt es zum Systemabsturz und damit zu Einbußen in puncto Datenintegrität. Es gilt daher, angeschlossene Lasten individuell auf die tatsächlich benötigte Batteriekapazität hin zu überprüfen. Eine intelligente USV-Software steuert dann das ordnungsgemäße Herunterfahren der Computersysteme und überwacht kritische Informationen wie Batterieladestand, Überbrückungszeit oder momentane Auslastung. Zusätzlich sorgt sie dafür, dass alle Messwerte, Parameter und Einstellungen der Systeme per geschütztem Fernzugriff einsehbar und zu bearbeiten sind. USV-Anlagen gibt es in unterschiedlichen Bauformen, sodass sie prinzipiell in Unternehmen jeder Art zum Einsatz kommen können. Rack-Modelle ermöglichen den Einbau in standardisierte 19-Zoll-Server-Schränke, Tower-Geräte die Verwendung als Standalone-Lösung. In gewöhnlichen Arbeitsumgebungen und Büros kommen in der Regel USV-Anlagen zum Einsatz, die mit Einphasen-Wechselstrom arbeiten. Industrielle Großanlagen und Produktionsstätten, in denen Geräte mit 400V-Drehstrom laufen, benötigen jedoch ein USV-System mit Dreiphasen-Wechselstrom. Generell unterscheidet man USV-Geräte in drei Typen: Standby-, Line-Interactive- und Doppelwandler-USV. Jede dieser Topologien ist dabei in der Lage, bestimmte Störungen aus dem Stromnetz zu filtern; die spezifischen Anforderungen verschiedenster Verbraucher lassen sich so optimal erfüllen. Die Risiken kennen Für weniger empfindliche Endgeräte wie Einzelcomputer inklusive Peripherie oder TK-Anlagen bieten sich passive Standby- oder Offline-USV-Anlagen an. Diese sind gemäß der Norm 62040-3, Stufe 1, des International Engineers Consortium (IEC) als "Voltage and Frequency Dependent" (VFD) klassifiziert und preiswert in der Anschaffung. Sie schützen die angeschlossenen Verbraucher nicht nur gegen Netzausfälle, sondern auch gegen kurzfristige Netzschwankungen wie Spannungseinbrüche oder Überspannungsspitzen. Letztere sind besonders gefährlich, da sie zu Beschädigung von Hardware oder Datenverlust führen können. Für diesen einfachen Schutz benötigen Standby-USV-Anlagen keine komplexe Architektur: Der eingehende Strom geht durch einen Filter direkt an die Verbraucher weiter, parallel dazu lädt bei Bedarf auch die USV-Batterie. Kurzzeitige Netzschwankungen gleicht der Puffer direkt aus. Aber Vorsicht: Kommt es zu häufigen Unterbrechungen oder vermehrten Über- oder Unterspannungen im Stromversorgungsnetz, ist eine VFD-Lösung nicht die optimale Wahl. Als Alternative zu den einfachen Offline-USVs bieten sich USV-Systeme mit Line-Interactive-Technik an. Diese sind entsprechend der IEC-Norm 62040-3 als "Voltage-Independent" (VI) Klasse 2 typisiert. Line-Interactive- oder netzinteraktive USVs gewährleisten einen besseren Schutz vor Störungen im Stromnetz, sind jedoch in der Anschaffung etwas teurer. Der Ausgleich von Spannungsschwankungen erfolgt bei diesen Systemen durch eine so genannte Kompensationsschaltung und damit ohne den Gebrauch der Batterie. Dadurch lassen sich auch längerfristige oder verstärkt auftretende Stromschwankungen problemlos abfangen. Nicht nur Unterspannungen, die unter anderem von Überlastungen des öffentlichen Stromnetzes herrühren, sondern auch Überspannungen, wie sie mitunter nach dem Abschalten von elektrischen Antrieben festzustellen sind, sind somit durch VI-USV-Systeme optimal ausgleichbar. Bestimmte Line-Interactive-Modelle bieten zudem den Vorteil, dass die Kompensationsschaltung eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt. Verbraucher erhalten so sauberen Strom, was die Lebensdauer der angeschlossenen Geräte in vielen Fällen deutlich er-höhen kann. Rundum sicher dank Doppelwandlung Standby- wie auch Line-Interactive Lösungen haben jedoch auch Nachteile. Zum einen fehlt bei diesen Geräten ein interner Bypass, wodurch es ihnen nicht möglich ist, vorübergehende Überlastungen durch direkte Zuschaltung der Eingangsspannung zu kompensieren. Zum anderen weisen sie beim Wechsel von Netz- auf Batteriebetrieb eine kurze Umschaltlücke auf. Diese beträgt bei fortschrittlichen VI-Anlagen allerdings nur zwei bis vier Millisekunden und bewegt sich dadurch deutlich innerhalb der Spannung-Zeit-Kurve der IT-Branchenvereinigung ITIC (Information Technology Industry Council). Diese Kurve definiert das Ausmaß und die Dauer von Spannungsabweichungen, die Netzteile von IT-Equipment tolerieren müssen und ist weithin als internationaler Standard anerkannt. Da die Umschaltzeiten der Line-Interactive-USV-Anlagen somit weitgehend zu vernachlässigen sind, stellen sie für alle Büro- und IT-Umgebungen eine gute Lösung dar. Lediglich für den Schutz von Servern mit Hochverfügbarkeitsanforderungen oder medizinischer Ausrüstung sind sie nicht zu empfehlen. Dort bieten sich stattdessen so genannte Doppelwandler- oder Online-USV-Anlagen an, die sich in die IEC-Klassifizierung "Voltage and Frequency Independent" (VFI) einordnen. Bei Geräten dieses Typs wird die Eingangsspannung zunächst gleichgerichtet und danach erneut als Wechselstrom aufbereitet. Durch diesen Prozess gibt es keine Umschaltlücke. Selbst Störfaktoren wie Frequenzabweichungen oder harmonische Oberwellen, die unter anderem für physische Schäden an IT-Geräten verantwortlich sind, stellen für Doppelwandler-USVs kein Problem mehr dar. Frequenzabweichungen entstehen beispielsweise durch das Anlaufen von Elektromotoren und verursachen fehlerhafte Betriebsabläufe, Datenverluste oder Systemzusammenbrüche. Harmonische Oberwellen entstehen durch nicht-lineare Verbraucherlasten - etwa durch Kopierer oder Faxgeräte - und sind Ursache für Kommunikationsfehler und Überhitzung. Die Doppelwandlung bietet insgesamt einen hervorragenden Schutz bei Stromausfällen. Zwar sind VFI-USV-Anlagen in der Anschaffung am teuersten, dafür garantieren sie aber den höchsten Schutz vor Störungen im Stromnetz und erzeugen eine besonders saubere Sinus-Ausgangsspannung. Energieeffizienz durch richtige Dimensionierung Der zusätzliche Schutz durch Doppelwandler-Technik geht jedoch oft zu Lasten der Energieeffizienz. Denn durch die doppelte Umwandlung des Stroms entstehen Verlustleistungen, die das System in Wärme umwandel. Doppelwandlergeräte erreichen deshalb im Allgemeinen geringere Wirkungsgrade als netzinteraktive Anlagen. Die besten Effizienzwerte erzielen sie im oberen Lastbereich, also bei einer Auslastung zwischen 75 Prozent und 100 Prozent. Bei niedrigeren Beanspruchungen, steigt die Verlustleistung jedoch an. Die durchschnittlich benötigte USV-Kapazität in kleinen bis mittleren Unternehmen beträgt je nach Größe zwischen 700 Voltampere (VA) und 6.000 Voltampere. Wichtig ist zu beachten, dass diese Angabe die Scheinleistung des Systems widerspiegelt und nicht die tatsächlich verfügbare Wirkleistung darstellt. Als Scheinleistung wird die Summe aus Wirkleistung und so genannter Blindleistung bezeichnet. Letztere pendelt kontinuierlich zwischen Erzeuger und Verbraucher, also zum Beispiel zwischen Kraftwerk und PC. Da sie durch die Verschiebung nicht wirklich "verbraucht" wird, fallen dafür beim Energieversorger keine Kosten an. Dennoch muss das System in der Lage sein die zusätzliche Leistung zu transportieren. Diss hat zur Folge, dass die Kapazität der USV in jedem Fall höher bemessen sein muss als die Wirkleistung der Verbraucher. Einen standardisierten Wert, der den Unterschied zwischen Schein- und Wirkleistung beziffert, gibt es allerdings nicht. Da die Leistungsfaktoren aufgrund der Vielzahl an anwendungsspezifischen Kriterien stark schwanken, kann als Faustregel lediglich gelten, dass die Wirkleistung rund 60 Prozent der VA-Scheinleistung beträgt. Für eine Gesamtverbraucherwirkleistung von 600 Watt sollte deshalb eine USV mit einer Kapazität von mindestens 1.000 VA zum Einsatz kommen. Um die erforderliche Scheinleistung der USV-Lösung für das eigene System zu ermitteln, ist es empfehlenswert den Verbrauch aller angeschlossenen Geräte einzeln nachzumessen. Denn die Watt-Angaben, die sich beispielsweise auf Netzteilen wiederfinden, entsprechen nicht zwangsläufig der verbrauchten Leistung. Durch eine präzise Messung lassen sich hingegen die exakten Verbrauchswerte bestimmen und somit Überdimensionierungen vermeiden. Unnötige Betriebskosten und Beeinträchtigungen der Energieeffizienz sind dadurch effektiv zu unterbinden. Vielen weiteren Faktoren kommt im Zusammenhang mit USV-Anlagen eine entscheidende Bedeutung zu. Eine der wichtigsten Rollen nehmen dabei auch die verwendeten Batterien ein. Aus diesem Grund klärt Teil 2 deren spezifische Anforderungen.
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