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USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)

Was ist eine USV?

Die Abkürzung USV steht für Unterbrechungsfreie Stromversorgung. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das die elektrische Versorgung von Anlagen und Geräten bei Störungen sicherstellt. Der englische Fachbegriff lautet “Uninterruptible Power Supply” und wird entsprechend mit UPS abgekürzt.

Eingesetzt werden USV in erster Linie in Rechenzentren, Krankenhäusern, Eisenbahn-Stellwerken und Leitzentren. Auch private Haushalte und Kleinbüros wenden sie inzwischen an. Bei den einfacheren Modellen der USV kann die Stromversorgung entgegen ihrer Bezeichnung für wenige Millisekunden unterbrochen werden. Angeschlossene Verbraucher tolerieren diese Unterbrechung in der Regel ohne spürbare Einbußen ihrer Funktion.

Schutz vor Störungen

Der Einbau der USV erfolgt direkt in die Stromzuführung – der Geräte und Anlagen – die vor Stromausfällen geschützt werden sollen. Abhängig vom Aufbau schützen Unterbrechungsfreie Stromversorgungen vor folgenden Störfällen:

Stromausfall

Die nicht beabsichtigte Unterbrechung eines Stromkreises oder ein Ungleichgewicht zwischen angeforderter und bereitgestellter Leistung können Stromausfälle (englisch: blackout) verursachen. Unterschieden wird nach der Dauer der Unterbrechung sowie nach lokalen/regionalen und überregionalen Stromausfällen.

Überspannung

Überschreitet die elektrische Spannung den Toleranzbereich der Nennspannung eines elektrischen Systems, handelt es sich um eine Überspannung. Diese kann Bestandteile oder Bauteile von Geräten und Anlagen zerstören.

Unterspannung

Liegt die elektrische Spannung unterhalb des Toleranzbereiches der Nennspannung, können Schäden an den Geräten und Anlagen oder – bei Serveranlagen etc. – massive bis vollständige Datenverluste die Folge sein.

Schwankungen in der Netzfrequenz

Die perfekte Netzfrequenz beträgt 50 Hertz. In der Praxis schwankt dieser Wert – er steigt bei einem Überangebot an Strom und sinkt bei einem Unterangebot. Zu starke Abweichungen vom idealen Wert können den Zusammenbruch der Stromversorgung zur Folge haben, vor allem bei sinkender Frequenz. Die kritische Marke von 47,5 Hertz darf nicht unterschritten werden.

Oberschwingungen

Bei Oberschwingungen handelt es sich um ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz von 50 Hertz. Sie entstehen durch Inbetriebnahme von Geräten mit nicht-linearer Kennlinie sowie durch den zunehmenden Einsatz von Schaltnetzteilen in Computern, Halogen-Beleuchtungen etc. Oberschwingungen beeinträchtigen die Funktionsweise der Geräte und können sie letztlich zerstören.

Im westlichen Europa treten größere Stromausfälle vergleichsweise selten auf. Störungen treten eher durch Kurzschlüsse sowie das Einschalten von größeren Elektromotoren oder Schweißstromquellen auf, und zwar in Form von Spannungsabsenkungen. Werden große Lasten abgeschaltet, kann dies ebenso zu Spannungsanhebungen führen wie ein entfernter Blitzeinschlag. Netzspannung und Netzfrequenz werden von den Energieversorgern permanent nachgeregelt, allerdings wird damit lediglich die Summe der Störungen ausgeglichen. Zum Ausgleich lokaler Ausfälle und Schwankungen speisen USV die angeschlossenen Geräte und Anlagen aus Akkumulatoren mit elektrischer Energie. Diese Akkus werden konstant aus dem Stromnetz nachgeladen.

Funktionsweise und Merkmale

Die Leistung einer USV ist abhängig von der Belastbarkeit der Stromrichter. Serienmäßig hergestellte USV bieten ein Leistungsspektrum von ca. 300 VA bis zu mehreren 100 kVA. Von der Kapazität der Akkumulatoren hängt ab, wie lange die Störung maximal überbrückt werden kann. Je nach Bedarf kann diese von wenigen Sekunden bis hin zu mehreren Stunden betragen. Wird die Überbrückungszeit einer USV durch ergänzende Akkumulatoren verlängert, bringt diese eine Leistung von etwa 1.500 VA.

Strom erzeugende Aggregate werden zum Nachladen der Akkumulatoren eingesetzt, wenn der Bedarf sowohl an Leistung als auch an Überbrückungszeit sehr groß ist. Darüber hinaus kann dieser Bedarf mit USV Anlagen gedeckt werden, die kinetische Energie zur Stromgewinnung einsetzen. Diese Energie liefert eine Schwungscheibe mit einem Gewicht von mehreren hundert Kilogramm. Sie wird per Netzspannung angetrieben und gibt die gespeicherte Energie bei Stromausfällen etc. wieder ab. Für die zeitliche Überbrückung ist diese Variante nur begrenzt geeignet; daher wird in der Regel ein Diesel Aggregat hinzugefügt.

USV sorgen in kleineren Rechenzentren für das kontrollierte Herunterfahren der Computer innerhalb der Überbrückungszeit. Dabei werden geöffnete Dateien geschlossen und Datenverluste vermieden. Die Kommunikation zwischen USV und Server erfolgt in der Regel über Ethernet oder SNMP, gelegentlich auch via USB oder der Schnittstelle RS-232.

Zu den grundlegenden Funktionen einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung zählt der automatische Belastungstest, der alle 24 Stunden durchgeführt wird. Dabei werden die Akkumulatoren mit der angeschlossenen Last und im laufenden Betrieb entladen. Ein Austausch der Akkus sollte vor der vom Hersteller genannten Laufzeit stattfinden, damit der Ausfall durch defekte Batterieanlagen verhindert wird.

Klassifizierung

Nach IEC 62040-3 werden USV nach folgenden Betriebsverhalten unterschieden:

  • VFD: Voltage and Frequency Dependent oder auch Offline UPS/USV
    Im Normalbetrieb wird der Strom direkt vom Eingang zum Ausgang durchgeleitet – darüber hinaus lädt ein Gleichrichter die Akkumulatoren. Bei Abbruch der Versorgung, schaltet der Ausgang auf einen Wechselrichter um, der wiederum über die Akkumulatoren gespeist wird. Die Verzögerung während des Umschaltens sowie die Kompensation von Spannungsschwankungen und Spannungsspitzen kann empfindliche Geräte und Anlagen beschädigen.
  • VI: Voltage Independent oder auch Netzinteraktive UPS/USV
    Zentrales Bauteil ist ein bi-direktionaler Wechselrichter, der je nach Bedarf aus der Wechselspannung die für das Laden der Akkumulatoren benötigten Gleichspannung erzeugt. Gleichzeitig begrenzt er die Spannungshöhe am Ausgang und sorgt so für die Unabhängigkeit von der Spannungshöhe am Eingang. Die Umschaltzeit ist deutlich kürzer als beim VFD. Auch die Wiederumschaltung auf Netzbetrieb erfolgt ohne zeitliche Verzögerung. Diese USV Kategorie schützt vor den Folgen eines Versorgungsausfalls sowie vor Unter- und Überspannungen.
  • VFI: Voltage and Frequency Independent auch Online UPS/USV
    Im Vergleich zu den beiden bisher genannten haben die Geräte dieser Kategorie den höchsten Bedarf an Eigenstrom. Dafür sind die Funktionen des VI um den Schutz vor Frequenz Schwankungen und Oberschwingungen ergänzt. Auch ein sporadischer Schutz vor den Folgen von Blitzeinschlägen und Verzerrungen in der Spannung ist im Funktionsumfang enthalten. Die Versorgung wird über eine Bypass Schaltung sichergestellt, die die Kombination aus Gleichrichter und Wechselrichter parallel ergänzt.

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