USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung)

Ein Uninterruptable Power Supply (UPS) ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die bei Ausfall der örtlichen Stromversorgung den ununterbrochenen Betrieb der IT-Geräte, der angeschlossenen Datenstationen und der Datenkommunikationsgeräte ohne Datenverlust garantiert. Fällt die Stromversorgung aus, tritt eine Störung in der Netzspannung auf, hat das Netz Überspannung oder besteht Überlast, so muss eine unmittelbare Interaktion der USV-Systeme eintreten.


Bei den USV-Konzepten geht es um deren Arbeitsweise. Es geht darum, wann, in welcher Form und Zeit sie die Stromversorgung für die angeschlossenen Geräte übernehmen. Man unterscheidet dabei zwischen der Bereitschaftbetrieb im Standby, der Bereitschaftsbetrieb im Line-Interactive, der Bereitschaftsbetrieb mit Ferroresonator, dem Online-Betrieb mit Doppelwandlung und dem Online-Betrieb mit Delta-Umwandlung:

Offline-Konzept einer USV

Offline-Konzept einer USV

USV-Konzepte

USV-Systeme werden vorwiegend für die Spannungsversorgung von Personal Computern, Servern, Speichereinheiten und ganzen Rechenzentren eingesetzt. Das am häufigsten benutzte Konzept ist der Bereitschaftsbetrieb im Standby. Das Offline-Konzept arbeitet mit der Netzwechselspannung. Bei Netzstörungen und Netzausfall schaltet das USV-System innerhalb von wenigen Millisekunden von der Netzspannungsleitung auf die Backup-Versorgung, bestehend aus Batteriebank oder Kondensatorbank und Wechselrichter. Dieses Konzept ist das einer Notstromversorgung. Wobei die Umschaltzeit weniger als 10 ms beträgt und bei Personal Computern ausreichen dürfte um Datenverlust zu vermeiden, bei anderen Rechnersystemen kann diese kurze Unterbrechungszeit allerdings zu Datenverlust führen.

Inline-Interactive-Konzept 
   einer USV

Inline-Interactive-Konzept einer USV

Beim Line-Interactive-Konzept, ebenfalls ein Bereitschaftsbetrieb, arbeitet die akkubetriebene Stromversorgung parallel zur Netzspannungsversorgung. Die Standby-Geräte sind netzinteraktive USV-System mit Spannungsreglern und -verstärkern. Sie überwachen die tolerierbaren Grenzwerte und halten die Versorgungsspannung über die Regelung und Spannungsverstärkung innerhalb dieser Grenzwerte. Erst bei Ausfall der Versorgungsspannung schaltet die Elektronik innerhalb weniger Millisekunden auf Akkubetrieb um.

Das Online-Konzept einer unterbrechungsfreien Stromversorgung 
   (USV)

Das Online-Konzept einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV)

Beim USV-Konzept für den Bereitschaftbetrieb mit Ferroresonator arbeitet der Wechselrichter in Bereitschaft und wird bei niedriger Netzspannung oder Netzausfall aktiviert. Die Netzspannung und die vom Wechselrichter kommende Wechselspannung wird über einen Ferroresonator, das ist ein Transformator mit einem speziellen Eisenkern transformiert. Dieser Transformator hat drei Wicklungen und sorgt für einen gewissen Spannungsregelung und -formung.

Beim Online-Konzept mit Dauerumwandlung wird die Versorgungsspannung nicht unmittelbar den Geräten zur Verfügung gestellt, sondern zuerst der USV-Komponente zugeführt. Über einen Gleichrichter wird sie in Gleichspannung gewandelt und steht, nachdem sie über einen Wechselrichter wieder zu Wechselspannung umgewandelt wurde, den Geräten als Versorgungsspannung zu Verfügung. Der Vorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass die neu generierte Versorgungsspannung von der Netzspannung entkoppelt ist und so Spannungsschwankungen oder Stromstöße keine Auswirkungen haben. Während des Normalbetriebs wird die Gleichspannung zur ständigen Aufladung der Akkus benutzt.

Batterieblocks für USV-Analge, Foto: 1&1

Batterieblocks für USV-Analge, Foto: 1&1

Bei Netzstörungen wird die Akkuspannung für den Betrieb genutzt, wodurch eine gleichmäßige Ausgangsspannung gewährleistet wird. Bei diesem Konzept treten keine noch so kurzen Netzstörungen auf, die Transferzeit ist Null.

Ein weiteres Online-Konzept ist das mit Delta-Umwandlung. Das Konzept ist ähnlich dem der Dauerumwandlung. Dabei wird die Wechselspannung für die Verbraucher immer vom Wechselrichter erzeugt und bei Netzausfall oder -störungen arbeitet das Konzept so, wie das vorher erläuterte. Der Delta-Wandler steuert die Charakteristik der Eingangswechselspannung, die sich lastabhängig ändert. Dadurch unterscheiden sich die Eingangscharakteristiken von denen der Dauerumwandlung.

Klassifizierung in USV-Schutzklassen

USV-Geräte sind zur besseren Vergleichbarkeit der Störbeeinflussung in USV-Schutzklassen eingeteilt, die von IEC, DIN und VDE standardisiert wurden. Die Standardisierung umfasst einige anwendungsrelevante Parameter, so die Abhängigkeit respektive die Unabhängigkeit von der Spannung und der Frequenz - Voltage and Frequency Dependent (VFD), Voltage Independent (VI) und Voltage and Frequency Independent (VFI), - die Spannungscharakteristik bei Belastung, also die Abweichung von der Sinuskurve, und das transiente Spannungsverhalten.

Die höchste USV-Schutzklasse 1 arbeitet im Online-Betrieb und garantiert einen umfassenden Schutz, da die Versorgungsspannung ständig erzeugt wird. In der Schutzklasse 2 beträgt die Umschaltzeit zwischen 2 ms und 4 ms bei einer Leistung von bis zu 5 Kilo-Volt-Ampere (kVA). Die Schutzklasse 3 hat eine Umschaltzeit von bis 10 ms und Leistungen von bis zu 1 kVA.

USV-Geräte gibt es je nach Anwendung mit Leistungen von einigen wenigen Kilo-Volt-Ampere (kVA) bis hin zu mehreren hundert kVA. Ein wichtiger Kennwert von USV-Anlagen ist deren Wirkungsgrad, da er unmittelbar in die Energiekosten eingeht. Ein Vergleich der Wirkungsgrade zeigt, dass bei einem Wirkungsgrad von 90 % mehr als doppelt soviel Zusatzstromkosten entstehen, wie bei einem von 95 %.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Unterbrechungsfreie Stromversorgung - USV
Englisch: uninterruptable power supply - UPS
Veröffentlicht: 09.02.2017
Wörter: 708
Tags: #Versorgung
Links: Akku (Akkumulator), Batteriebank, DST (Datenstation), DIN (Deutsches Institut für Normung e.V.), Elektronik