USV Einführung in die unterschiedlichen Varianten unterbrechungsfreier Stromversorgungen

Eine Störung mit Versorgungsunterbrechung liegt im Sinne einer Statistik des Energieversorgers dann vor, wenn die Versorgung eines oder mehrerer Endverbraucher länger als 1 s unterbrochen wird. Somit sind Aussetzer länger als 0,01 s aber kürzer als 1 s statistisch nicht erfasst. Diese geringe Zeitspanne reicht aber schon für den Ausfall von Computern, Industriesteuerungen und Rechenzentren. Der Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) ist eine wirksame Schutzmaßnahme.

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Die konstante Energie aus der Steckdose war einst Standard und ist heute Vergangenheit: Wie man den Stellungnahmen deutscher Energieversorger entnehmen kann, muss sich das Land in Zukunft häufiger auf Spannungsschwankungen und auch auf Spannungsausfälle einstellen. Gehen erst einmal die Lichter aus, dann ist der finanzielle Schaden in vielen Unternehmen immens. Es braucht nicht viel Phantasie, um das Ausmaß eines solchen Vorfalls abzuschätzen. Aus gutem Grund setzen deshalb viele Unternehmen auf unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

Die Verbindung zwischen Energieversorgung und IT-System ist das Schaltnetzteil. Es wandelt die Wechselspannung zunächst mit allen nicht idealen Komponenten wie Spannungsspitzen, Verzerrungen und Frequenzschwankungen in geglättete Gleichspannung um. Das Schaltnetzteil überbrückt also nicht nur die Intervalle zwischen den Spitzen der Sinuskurve der Eingangsspannung, sondern auch andere Anomalien und kurze Unterbrechungen der Netzversorgung. Diese Eigenschaft ist besonders für Hersteller von IT-Geräten von Bedeutung, die sich idealerweise wünschen, dass ihre Geräte auch dann funktionieren, wenn keine USV vorhanden ist.

Gemäß internationalem Standard für IT-Geräte sind ständige Schwankungen der Nennspannung in einem sehr breiten Bereich von +10% bis -20% zulässig und sogar Komplettausfälle der Versorgung bis zu einer Dauer von 10 ms.

Die drei gängigsten Varianten unterbrechungsfreier Stromversorgungen

USV-Systeme müssen nicht nur mit Netzausfällen umgehen können, sondern auch kurzzeitige Unter- und Überspannungen außerhalb des Toleranzbereiches abfangen. Nicht jede IT-Umgebung hat dabei die gleichen, hohen Anforderungen. Folglich existiert eine Reihe unterschiedlicher USV-Systeme für alle Ansprüche. Leider hat sich hier ein Verwirrspiel mit nicht geschützten Begriffen etabliert: Offline, Lineinteractive, True-Online, Online, Online Sharing. Damit der Anwender die für die jeweilige Anwendung richtige USV-Anlage anhand eindeutiger Kriterien auswählen kann, wurden in der EN62040-3 (VDE 0558 Teil 3) die Betriebsarten und das Betriebsverhalten statischer USV-Anlagen definiert.

Drei Klassen im USV-Bereich haben sich am Markt etabliert: passiver Mitlaufbetrieb (VFD: Voltage Frequency Dependent), aktiver Mitlaufbetrieb (VI: Voltage Independent) und USV-Anlagen in Doppelwandlertechnologie (VFI: Voltage Frequency Independent). Diese Klassifizierungen sagen noch nichts über die Qualität der USV aus, sondern beschreiben nur die Betriebsart. Der weitere Schlüssel gibt dann Auskunft über die Qualität der Ausgangsspannung im Normal- und im Batteriebetrieb wie SS - reiner Sinusausgang in beiden Betriebsarten, gefolgt von einer 3-stelligen Kombination für die Umschaltzeit und das Verhalten bei Lastwechsel.

Der sichere und preiswerte Schutz für Einzelarbeitsplätze

USV-Anlagen im passiven Mitlaufbetrieb (Offline) eignen sich hauptsächlich für einzelne oder mehrere PCs, das heißt für relativ geringe Leistung. In dieser Betriebsart werden die Verbraucher im Normalfall mit Netzspannung versorgt und gleichzeitig die Akkus in der USV geladen. Bei einem Netzausfall oder starken Schwankungen schaltet die USV auf Batteriebetrieb um und versorgt die Verbraucher über den Wechselrichter mit Spannung. Auch für Heimanwender empfiehlt sich diese preiswerte und einfach zu installierende Variante.

Anders sieht es im Business-Umfeld aus: Im Leistungsbereich von 750 VA bis 5000 VA sind nahezu alle für den Einsatz in modernen IT-Anwendungen verkauften USVs entweder lineinteraktiv oder arbeiten in Doppelwandlertechnologie (Online). Andere Topologien sind in diesem Bereich kaum gebräuchlich.

So funktionieren lineinteraktive USV und Doppelwandler-Systeme

Eine lineinteraktive USV arbeitet prinzipiell nach dem gleichen Prinzip wie eine USV im Mitlaufbetrieb (Offline), prüft und regelt zusätzlich die Netzspannung innerhalb bestimmter Toleranzen auf ein für die IT-Geräte verträgliches Maß. Schwankt die Netzspannung zu stark oder liegt sie nicht mehr an, erzeugt der Wechselrichter die Ausgangswechselspannung mit Energie aus den eingebauten Akkus. Doppelwandler-USV-Systeme funktionieren nach einem anderen Prinzip: Wie die Bezeichnung impliziert, wird die Spannung zweimal gewandelt. Zunächst wird die Eingangswechselspannung mit allen Spannungsspitzen, Störungen und anderen Abweichungen in eine Gleichspannung transformiert, diese versorgt den nachgeschalteten Wechselrichter und lädt den Akku. Danach wird die Gleichspannung wieder in eine sehr saubere, stabile Wechselspannung und -frequenz gewandelt. Innerhalb eines großen Eingangsspannungsbereiches (meist +/-20%) regelt die USV die Netzschwankungen ohne Beanspruchung des Akkus. Überschreitet allerdings die Eingangswechselspannung diese Werte, so erfolgt nur eine Energieumkehr in der USV, und der Akku versorgt über den Wechselrichter die angeschlossenen Verbraucher ohne jedwede Unterbrechung.

Energiekosten - ein Faktor zur Entscheidungshilfe

Doppelwandler-USV-Systeme ab 1 kVA und speziell in größeren Installationen ab 10 kVA lassen sich wirtschaftlich einsetzen und sorgen für gute Ausgangsspannungsqualität. Zu berücksichtigen ist allerdings die zusätzliche Energie, die für den Betrieb einer USV mit Doppelwandlung im Laufe der Zeit benötigt wird: Ein solches System hat je nach Ausführung einen Wirkungsgrad zwischen 85 und 95%, eine lineinteraktive USV dagegen einen Wirkungsgrad von 93 bis 98%. Somit verbraucht eine USV in Doppelwandlertechnik permanent nicht nur mehr elektrische Energie, sondern es ist auch ein zusätzlicher Aufwand für die Raum- oder Rackkühlung notwendig.

Betrachtet man die Summe aller Kosten für viele USVs in einem Unternehmen oder den gesamten Energieverbrauch einer einzelnen USV während ihrer Lebensdauer, wird dieser zu einem bedeutenden Faktor bei den USV-Betriebskosten. Die endgültige Entscheidung muss sich jedoch immer nach den Sicherheits- und den Verbraucheranforderungen sowie den örtlichen Gegebenheiten richten. Nicht jede Anwendung benötigt die aufwändigste Technik, aber umgekehrt reicht auch nicht immer die preiswerteste aus.

Optionen für die Zukunft

Sowohl für Serverraum-Konzepte als auch für private Anwender gilt: Nur mit der richtigen Technik und Konfiguration lässt sich das gewünschte Maß an Verfügbarkeit auch zu ökonomisch vertretbaren Kosten erreichen. Dabei darf allerdings die Zukunftssicherheit nicht zu kurz kommen. Die Anforderungen an Kapazität und Verfügbarkeit steigen in vielen Unternehmen schneller als erwartet. Wer sich für die richtige USV- und Infrastruktur-Lösung entscheidet, kann auf neue Anforderungen flexibel und effizient reagieren.

Diplom-Ingenieur Rüdiger Odenthal arbeitet als Leiter Produktmarketing im Hause APC by Schneider Electric, Neuss.

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