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USV – Der Notfall-Akku für Ihre Systeme

Viele Komponenten einer Netzwerkinfrastruktur (Switches, Router, Server, Workstations, Storage-Systeme etc.) müssen rund um die Uhr zur Verfügung stehen, um den reibungslosen Betrieb eines Systems zu gewährleisten. Das heißt auch, dass diese Geräte auf eine permanente, schwankungsfreie Stromversorgung angewiesen sind. Um diese zu gewährleisten, kommen sogenannte USVs (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) zum Einsatz. Diese USVs können – im Gegensatz zu AEVs (Allgemeinen Ersatzstromversorgungen) – bei Stromausfall oder Netzschwankungen tatsächlich unterbrechungsfrei die Stromzufuhr für kritische Lasten für einen bestimmten Zeitraum sicherstellen, um den ausfallsicheren Betrieb eines Systems zu gewährleisten. Ihren Dienst leisten USVs direkt zwischen Versorgungsnetz und Verbrauchsgerät.                 

Sichern und schützen

Plötzliche Stromausfälle gehören im europäischen Kontext nicht mehr zur Tagesordnung, dennoch kommt es im regulären Stromnetz häufig zu Spannungsschwankungen bzw. kurzzeitigen Über- und Unterspannungen. Die Gründe dafür sind beispielsweise ein plötzlicher, kollektiver Belastungsrückgang (oder -anstieg) im Stromnetz (Ende eines Fußballspiels), Blitzschlag oder ein schlecht regulierter Netzbetrieb des Stromversorgers.  Viele elektrische Geräte reagieren auf diese Schwankungen sensibel, angefangen vom Abschalten (bei eigebautem Überspannungsschutz) bis hin zur Zerstörung von Bauteilen bzw. des gesamten Gerätes. Ja nach Bauform und Typ kann eine USV folgende Störungen im regulären Versorgungsnetz abfangen:   
  • Stromausfälle
  • Oberschwingungen
  • Frequenzänderungen
  • Unterspannung
  • Überspannung
  • Spannungsschwankungen

Funktionsweise

Vereinfacht kann man sich eine USV tatsächlich als intelligenten Akku vorstellen. Fällt der Strom aus, übernimmt die USV für eine gewisse Zeit die Energieversorgung. Sobald wieder Strom wieder regulär fließt, klinkt sich die USV als Versorger aus und lädt den Akku über das Stromnetz erneut auf. Zudem fangen viele USVs Spannungsspitzen ab bzw. gleichen Unterspannungen aus. Da sich USVs in Bauform, Eigenschaften und Leistungsfähigkeit stark unterscheiden, werden sie in drei Klassen unterteilt:           
  • Standby- oder Offline-USV
  • Line-Interactive-UPS (Netzinteraktive-USV)
  • Online-UPS (Dauerwandler-USV)

Klasse 3: Standby- oder Offline-USV

Standby-USVs gehören zu den einfachsten und kostengünstigsten USVs. Sie sind zum Schutz gegen Netzausfälle und kurzzeitige Spannungsschwankungen ausgelegt. Die Umschaltdauer zwischen Netzbetrieb auf Batteriebetrieb liegt im Bereich von 4-10 ms (Millisekunden). Kompensiert werden Spannungsschwankungen unter 16 ms sowie Spannungsspitzen zwischen 4 und 16 ms.  Da das für sensible Geräte bzw. Geräte ohne eigenes Netzteil bereits zu lange sein kann (während der Umschaltzeit werden Spannungsspitzen oder Störspannungen nicht erkannt), sollten nur einzelne Computer mit eigenen Netzteilen und Spannungsschutz oder kleine TK-Anlagen an Klasse 3-USVs angeschlossen werden.

Klasse 2: Netzinteraktive USV (Netzinteraktive-USV)

Ähnlich wie Offline-USVs schützen auch Klasse-2-USV vor Spannungsspitzen und Stromausfällen, jedoch können diese Geräte auch Spannungsschwankungen ständig regeln. Die Umschaltzeit von Netz- auf Batteriebetrieb fällt mit 2-4 Millisekunden etwas geringer aus, was Klasse-2-USVs auch zur Absicherung größerer TK-Anlagen, einzelnen Computern und einfachen Netzwerken berechtigt.              

Klasse 1: Online-USV (Dauerwandler-USV)

Online USV besitzen gegenüber den Klasse-2- und Klasse-3-Geräten einen entscheidenden Vorteil: Sie benötigen überhaupt keine Umschaltzeit. Dafür sorgt ein Generator, der ständig eine „saubere“ Ausgangsspannung bereitstellt. Sollte dieser Ausgang einmal überlastet werden oder ein interner Fehler auftreten, kann über einen Bypass unterbrechungsfrei auf normale Netzspannung umgestellt werden. Da die Akkus ständig unter Last stehen, ist auch der Verschleiß entsprechend höher. Die Akkus sollten daher alle drei bis vier Jahre gewechselt werden. Online USVs werden zur Absicherung hochverfügbarer Serversysteme und großer Netzwerkarchitekturen eingesetzt.   

USV-Klasse Ausgangsleistung (ca.) Anwendungsumgebung

1

ab 500 VA

Server; sensible und hochverfügbare Systeme

2

bis zu 5.000 VA

Einzelcomputer, TK-Anlagen, Netzwerke

3

Einzelcomputer, TK-Anlagen, Netzwerke

Kleinstverbraucher, einzelne Computer

Hinweise zur richtigen Dimensionierung der USV

Im ersten Schritt sollten Sie alle Geräte auflisten, die mit einer USV gesichert werden sollen. Dann zählen Sie die Anschlussleistungen (in Watt oder Voltampere) dieser Geräte zusammen. Dies ist der Basiswert für die weitere Berechnung, in die noch ein Leistungsfaktor für die USV einfließt. Der Leistungsfaktor gibt den Verlustwinkel eines Wechselstromkreises wieder, der durch die Phasenverschiebung von Blindstrom, Wirkstrom und Spannung verursacht wird. Je nach Leistungsklasse definieren sich unterschiedliche Leistungsfaktoren:
  • Klasse 1: zwischen 0,7 und 0,8
  • Klasse 2 und 3: zwischen 0,6 und 0,7
Zusätzlich sollten immer Reserven von etwa 30 Prozent für weitere Geräte mit eingeplant werden. Daraus ergibt sich folgende Faustformel:
  • Anschlussleitung der Verbraucher (VA) / Leistungsfaktor = Minimum USV-Leistung (VA)
  • USV-Leistung * 30 % Reserve (1,3) = optimale USV-Leistung (VA)
Beispiel: 1.000 VA / 0,8 = 1.250 VA; 1250 VA * 1,3 = 1.625 VA
In diesem Beispiel sollte die USV also eine Leistungskapazität von mindestens 1.625 VA besitzen.

Bauformen und Ausstattungsmerkmale von USVs

Bauform

Kleinere USVs sind als Standgeräte für den Anschluss am Arbeitsplatz erhältlich, größere USVs als 19“-Einheiten für den Einbau in Racks bzw. als Standgeräte für Technikräume. Größere USVs sollten zudem gut zugänglich sein, um bei Bedarf die Batterien schnell wechseln zu können.

Anschlüsse

Je nach Modell verfügt eine USV über unterschiedlich viele Ausgänge, um Verbraucher / Endgeräte zu versorgen. Bei manchen Modellen sind diese Anschlüsse mit unterschiedlichen Funktionalitäten ausgestattet, zum Beispiel drei Ausgänge für den reinen Überspannungsschutz und drei weitere Ausgänge für unabhängige Stromversorgung und Überspannungsschutz.

Batterien

Viele Hersteller vertrauen auf eigene Batteriesätze für Ihre Modelle. Bei einem Austausch oder Neukauf sollten Sie auf die richtigen Werte wie Kapazität und Spannung achten.

Schnittstellen

Durch RS 232-, USB- oder LAN-Schnittstellen können Sie Ihre USV administrieren und bspw. so konfigurieren, dass alle angeschlossenen Computer oder Server bei andauernder Versorgungsunterbrechung rechtzeitig heruntergefahren werden. Während der Zeitspanne bis zum erfolgreichen Herunterfahren werden die Geräte (Backup Hardware) von der USV mit Strom versorgt. Über entsprechende Software können zusätzliche Dienste, etwa E-Mail-Benachrichtigen oder Remote-Verbindungen, angesteuert werden.

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