USV Lexikon (FAQ)
USV = unterbrechungsfreie Stromversorgung
Einleitung zum Thema unterbrechungsfreie Stromversorgung
Statistisch gesehen ist knapp die Hälfte aller Rechnerausfälle und Datenverluste auf Netzspannungsprobleme zurückzuführen, und dabei wiederum ist Unterspannung (Spannungsabfälle: wie z.B. gleichzeitiges Einschalten von mehreren Geräten) der Grund für etwa 60% aller Störungen. 30% gehen auf Überspannungen (z.B. Abschalten verbrauchsstarker Geräte), ca. 8% auf Anlagenausfall durch Hochspannungspulse (Spannungsspitzen: z.B. Kraftwerke die nach Störfällen wieder auf volle Leistung schalten) und Transienten zurück. Mit dieser Auflistung ergeben sich die wichtigsten Anforderungen, die an eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu stellen sind:
- Schutz vor Spannungsverlust und Unterspannung
- Schutz vor Netzüberspannungen
- Schutz vor energiereichen Störimpulsen
USV's können Systemcrash (Systemabsturz), Datenverlust, Betriebsstillstand, Produktionsausfall, irreparable Hardwareschäden usw. verhindern.
1 Was heisst "USV"?
USV ist die Abkürzung für "Unterbrechungsfreie Strom-Versorgung". (Engl. "UPS" (uninterrupted power supply))
In der heutigen computerisierten Zeit sind Daten und Programme in Computeranlagen so
wichtig, dass keine Fehler auftreten dürfen. Kein zeitgemässer EDV-Anwender kann heute
noch Datenverluste verantworten, welche durch Störungen oder Unterbrüche der
Energieversorgung verursacht werden.
Die USV filtert die Netzspannung und schützt vor Spannungsspitzen und
Spannungsunterbrüchen. Sie ist verantwortlich für ein einwandfreies Funktionieren der
ihr angeschlossenen Geräte und lässt dem Anwender genügend Zeit, angefangene Arbeiten
bei Netzausfall zu beenden, und die Geräte korrekt abzuschalten.
Selbstverständlich beschränkt sich der Gebrauch von USV nicht nur auf PC-Anwender
sondern ist überall angezeigt, wo aus Sicherheitsgründen eine stete, regelmässige
Spannungsversorgung nötig ist; wie z.B. bei Notbeleuchtungen, Alarmanlagen,
Überwachungsanlagen…
2 Welche USV-Typen gibt es, und wie funktionieren sie?
Es werden generell drei Typen unterschieden:
2.1 OFF-Line (Standby) USV
Schutz vor:
- Stromausfall / Netzausfall
- Spannungseinbruch / Spannungsabfall
- Spannungsstösse
Funktionsschema:
Funktionsbeschreibung:
Im Normalfall wird der Strom durch die USV ohne Spannungswandlung an die angeschlossene Geräte (Rechner) weitergeleitet. Treten Spannungsschwankungen oder Stromausfälle auf, schaltet die Offline - USV automatisch auf Batteriebetrieb um. Die Umschaltung auf Akkubetrieb erfolgt innerhalb von ca. 2 - 4 ms, also praktisch ohne Unterbruch.
Merkmale:
- Wirkungsgrad bis zu 100%
Einsatzbereich:
- PC's und Peripheriegeräte
- Notlampen
- kleine TK-Anlagen
- Erläuterung: Wirkungsgrad
- Gibt das Verhältnis der abgegebenen Nutzleistung zur aufgenommenen Leistung in Prozent an. Je mehr Umschaltungen oder Filterkreise, desto geringer wird der Wirkungsgrad.
2.2 Line interactive (Hybrid USV): (Off-line USV + AVR) (Netzinteraktive-, Delta-Conversion- u. Single-Conversion USV's)
Schutz vor:
- Stromausfall / Netzausfall
- Spannungseinbruch / Spannungsabfall
- Spannungsstösse
- Unterspannung
- Überspannung
Funktionsschema:
Funktionsbeschreibung:
Bei diesem Mischverfahren zwischen Online- und Offline-Technik wird der Gleichrichter ständig zum Laden der Akkus betrieben, die Last aber normalerweise vom Netz versorgt. Über ein Mikroprozessor wird die Spannungsqualität des Netzes überwacht und im Falle von Unter-, Überspannungen oder Spannungsausfällen (Stromausfällen / Stromstörungen), die einen bestimmten Grenzwert überschreiten, springt sofort die USV ein und versorgt das angeschlossene System mit stabilisierter Spannung. Die USV ist daher aktiv/interaktiv.
Im Unterschied zur Offline-USV bietet die Line-Interaktive-USV eine stabilere Ausgangsspannung.
Vorteile:
- extrem kurze Umschaltzeit
- hoher Wirkungsgrad (ca. 98%)
- hohe Filterleistung
Merkmale:
- AVR = Automatic Voltage Regulator, sorgt für konstante Ausgangsspannung
- Im Normalbetrieb wird die Netzspannung durch den Spannungskonstanthalter (AVR) geregelt. Der Wechselrichter wird erst bei Netzstörung oder -unterbruch aktiviert.
Einsatzbereich:
- PC's und kleine Server
- grössere Telekommunikationsanlagen
- Kleinere Server-Systeme und Netzwerke
2.3 ON-Line USV (Dauerwandler / Doppelwandler (Double-Conversion) USV's)
Schutz vor:
- Stromausfall / Netzausfall
- Spannungseinbruch / Spannungsabfall
- Spannungsstösse
- Unterspannung
- Überspannung
- Frequenzschwankungen
- Schaltspitzen
- Harmonische Oberwellen
- Störspannungen
Funktionsschema:
Funktionsbeschreibung:
Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit künstlicher Spannung. Die Netzspannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen regeneriert. Deshalb werden Online-USV's auch als Dauerwandler bezeichnet.
Vorteile:
- gleichbleibende Stromqualität am Ausgang gewährleistet
- keine Umschaltzeit
- lange Autonomiezeit
Nachteile:
- höhere Investitionskosten
- grösserer Energieverbrauch (schlechterer Wirkungsgrad ca. 90%)
- Akku Lebensdauer zwischen 3 - 4 Jahren
Merkmale:
- ON-Line heisst immer Energieversorgung über Wechselrichter, gleichgültig ob eine Netzstörung oder ein Netzunterbruch besteht.
- In der Regel besteht bei Anlagen unter 10 kVA kein spezieller Service-by-pass.
Einsatzbereich:
- Schutz von Risiko-Anwendungen in einer Umgebung mit häufigen Störungen im Versorgungsnetz
- Hochsensible Netzwerkserver und Datenkommunikationssysteme
3 Vergleich der verschiedenen USV
| Funktion | Komplexität | Wirkungsgrad | Preis | |
| Offline | * | * | *** | tief |
| Line interactive (Offline mit AVR) | ** | ** | ** | mittel |
| Online | *** | *** | * | hoch |
4 Was muss eine USV generell leisten können?
Sie muss…
- vor Netzunterbrüchen und Spannungsschwankungen schützen.
- eine störfreie, stabile Spannung liefern; auch im Normalbetrieb.
- die Akkumulatoren korrekt laden können.
- vor Überlast durch angeschlossene Geräte geschützt sein.
- bei Netzunterbruch akustisch und optisch warnen.
- die Akkumulatoren vor Selbstentladung schützen und ungenügende Akkumulatorladung anzeigen.
5 Worauf muss ich beim USV-Kauf achten:
- Die USV sollte im Netzspannungsbereich von min. 200V bis max. 250V im Normalbetrieb arbeiten können.
- Die Ausgangsspannung der USV von 230 Volt darf max. um ± 5-10 % abweichen.
- Es muss eine Überlast- und Kurzschlusssicherung vorhanden sein.
- Die USV muss Unter- und Überspannungen ausgleichen können.
- Sie muss äusserst zuverlässig arbeiten.
- Die USV-Leistung sollte grösser sein als alle Verbraucher zusammen, die an die USV angeschlossen werden sollen; in der Regel um 25%.
- Die Autonomiezeit vom Netz muss mindestens 5 - 10 Minuten bei voller Last betragen.
- Der Hersteller des Produktes muss eine einwandfreie Qualität garantieren und einen funktionierenden Service (Ersatz innert 24 h) bieten.
- Die USV sollte für das Arbeiten mit Software im Netzwerkbetrieb vorgesehen werden.
Neben der zu sichernden Last sind lange Akkulaufzeiten und ein elektrisch sauberes Ausgangssignal die wichtigen Eigenschaften einer USV.
- Die Akkulaufzeit hängt von der Kapazität der mitgelieferten Akkus ab. Grob gilt: Akkus mit 250 VAh liefern ca. 20 Min. Ersatzstrom, mit 160 VAh lassen sich ca. 12 Min. stromlos überbrücken. (Akku - Lebensdauer zwischen 3 und 10 Jahren)
6 Dimensionierung der USV (Kapazität ermitteln)
- Wie hoch ist der abzusichernde Leistungsbedarf (Strombedarf )?
- Auflisten aller Geräte, die mit einer USV abzusichern sind. Nicht zu
vergessen sind dabei auch Bildschirme, Terminals, externe Datenspeichergeräte
sowie andere kritische Peripheriegeräte. Jedes der zu schützenden Systeme gibt
auf einem Typenschild die Anschlussleistung in Volt-Ampere (VA)
(Scheinleistung / (S)) oder Watt (W)
(Wirkleistung) an. Alle VA-Werte oder Watt-Werte von den
abzusichernden Verbrauchsgeräten (PC Netzteil, Monitor, Drucker usw.) ablesen und
zusammenzählen.
Umrechung:
VA in Watt VA * 0.65 = Watt
Näherungswert!
Watt in VA Watt * 1.55 = VA
Näherungswert!
VA Volt * Ampère = Voltampère
V * A = VA
Hinweis: Kommt man z.B. nach Addition aller Komponenten auf 460 VA, wird empfohlen eine USV von z.B. 750 VA oder 1000 VA einzusetzen. Eine 500 VA USV würde eventuell knapp ausreichen um in der Anfangsphase die Geräte bei einem Stromausfall zu überbrücken, da aber die Akkus mit fortgeschrittener Lebensdauer an Kapazität verlieren ist eine gewisse Überdimensionierung von Vorteil. Auch Spannungsspitzen wie sie beim Einschalten von Geräten entstehen, sollten berücksichtigt werden. Und nicht zuletzt sollte die Kapazität für eventuelle spätere System-Erweiterungen ausreichend dimensioniert werden.
- Erläuterung: Scheinleistung / Nennleistung und Wirkleistung
- Unter Scheinleistung (S) (Nennleistung) versteht man die Dauerleistung des
in einer USV integrierten Wechselrichters und wird in Voltampere (VA)
angegeben.
Die tatsächliche Wirkleistung (P) ermittelt man gemeinsam mit dem Leistungsfaktor cos φ nach der Gleichung P = S * cos φ
Richtwerte: Nennleistung (möglicher Verbrauch)
| Tower PC: | 300VA |
| Unix-Workstation: | 400VA |
| Pentium Server: | 500VA |
| 17" CRT Monitor: | 150VA |
| 21" CRT Monitor: | 220VA |
| 15" TFT Monitor: | 40VA |
| 18" TFT Monitor: | 70VA |
| Laserdrucker: | 450VA |
| Netzwerklaserdrucker: | 1000VA |
| Modem | 30VA |
| Fax | 130VA |
- Welches ist die erforderliche Überbrückungszeit?
- Standard 5 - 10 Minuten.
Wenn man längere Überbrückungszeiten benötigt, muss die USV entsprechend grösser dimensionieren.
Beispiel: Für einen PC mit TFT - Bildschirm ohne zusätzliche Peripheriegeräte reicht eine 500VA USV. Soll aber eine grössere Überbrückungszeit gewährleistet sein kann z.B. eine 1500VA oder eine 2000 VA USV eingesetzt werden. - Wie sensibel reagieren die jeweilige Anwendung auf Spannungs- / Stromstörungen?
- (PC's sind nicht allzu empfindlich, da die Netzteile bereits kleine Schwankungen ausgleichen können. D.h. für einen normalen PC braucht es im Normalfall keine Online USV. Eine Line Interactive USV bietet im Preis/Leistungsverhältnis den optimalen Schutz.
7 Einsatzgebiete
USV Anlagen finden ihr Einsatzgebiet hauptsächlich in folgenden Bereichen:
- PC
- Server
- LAN-Knoten
- Telefonanlagen (Telecom-Systeme)
- Steuerungen
- Klimaanlagen
- Notstromversorgungen (z.B. Notbeleuchtungen)
- Alarmanlagen
- Überwachungsanlagen
- Kassensysteme
- Automationsanlagen der Industrie
- Zutrittskontrollsysteme
8 Umgebungsbedingungen einer USV
Um für das Individuelle Einsatzgebiet die richtige USV zu finden, ist es wichtig, vor dem Kauf die Umgebungsbedingungen zu analysieren:
Ist die Netzspannung schwankend (nicht konstant)?
Wird das Netz durch eigene/fremde Verbraucher beeinträchtigt?
Welcher Verbraucher soll bei einem Netzausfall weiter versorgt werden und wie lange?
9 Wie lange funktioniert ein Computer ohne Spannungszufuhr?
- Ohne USV: ca. 8 - 20 Millisekunden, je nach Typ.
- Mit USV: 10 - 30 Minuten
10 USV im Netzwerkbetrieb
Mehr und mehr Leute arbeiten in einem lokalen Netzwerk und keiner kümmert sich um den Hauptcomputer. Dieser muss bei Netzausfall vollautomatisch die Dateien schliessen und geordnet abschalten, damit keine Daten verloren gehen. Dies besorgt eine spezielle Software (Shutdown - Pogramm), welche zusammen mit der dafür vorgesehenen USV verwendet werden kann. (In Windows 2000 und XP bereits integriert.)
11 Welche Elemente sind zu welchem Zweck in einer USV enthalten?
11.1 Gleichrichter
Er wandelt die Eingangsspannung von 230V 50Hz (AC) in Gleichspannung (DC) für die Akkuaufladung um.
11.2 Akkumulator (Batterie)
Er ist der Energiespeicher der USV und ist in der Lage, bei Spannungsunterbrüchen die angeschlossenen Geräte mit Spannung zu versorgen.
11.3 Wechselrichter (Inverter)
Er wandelt die Gleichspannung (DC) aus dem Akkumulator in Wechselspannung (Netzspannung) (AC).
11.4 AVR (Automatic Voltage Regulator) (Automatischer Spannungsregler) (Line Interactive)
Er regelt die Ausgangsspannung der USV und hält sie konstant und verhindert somit Unter- und Überspannung.
11.5 Störspannungsschutz
Er entfernt Störspannungsspitzen, um die angeschlossenen Geräte zu schützen.
11.6 Steuerelektronik
Sie prüft ständig die Netzspannung und erkennt Spannungsspitzen, Spannungsschwankungen oder Spannungsausfälle und kontrolliert die Ladung der Akkumulatoren. Sie überwacht auch den Ausgang auf Überlast.
12 Welche Spannungsformen weisen USVs auf?
12.1 Sinuswelle
| Vorteile: | Nachteile: |
| sie entspricht der Wellenform aus dem Netz | hohe Kosten des USV-Gerätes |
| sie genügt allen Ansprüchen modernster Elektronik | aufwendiges USV-Gerät mit komplizierter Elektronik |
| Ausgangsspannung mit hoher Stabilität |
12.2 Stufenwelle
| Vorteile: | Nachteile: |
| eine Wellenform zwischen Sinuswelle und Rechteckwelle | nicht ausreichende Qualität für den Einsatz bei gewissen hochsensiblen Geräten |
| mittlere Kosten des USV-Gerätes | |
| einfacheres USV-Gerät mit weniger Elektronik |
12.3 Rechteckwelle
| Vorteile: | Nachteile: |
| tiefe Kosten des USV-Gerätes | nicht empfehlenswert bei Geräten mit induktiver Last (Elektromotoren, Drucker, etc.) |
| einfaches USV-Gerät | instabile Ausgangsspannung des USV-Gerätes, stark abhängig von den angeschlossenen Geräten |
| Minimum an Elektronik |
13 Welche Wellenform ist für PCs die beste?
Hier bestehen keine speziellen Anforderungen. Die heutzutage verwendeten Netzteile zur Spannungsversorgung in PCs akzeptieren jegliche Art der drei besprochenen Wellenformen.
14 Was sind die Gründe für Störungen im Elektroversorgungsnetz?
- Stürme, Blitze, Erdbeben
- Kurzschlüsse, normale Stromabschaltungen
- elektromagnetische und hochfrequente Störungen in Industriequartieren
15 Wie sieht die gestörte Netzspannung aus?
