USV Anlage - Unterbrechungsfreie Stromversorgung

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Was ist/sind USV? Definition:
➡ Eine USV Unterbrechungsfreie Stromversorgung' bzw. USV-Anlage oder ein USV-System wird eingesetzt wenn ein Stromausfall hohe Kosten oder eine Lebensgefahr als Folge mit sich ziehen kann. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung verfügt über leistungsstarke Batterien, die im Fall eines Stomausfalls die Stromversorgung der benötigten Geräte übernimmt. Die Überbrückung kann je nach Leistung der Batterien wenigen Minuten bis zu mehrere Stunden andauern.

Synonym(e): Uninterruptible Power Supply (UPS) ist die englische Bezeichnung


USV Anlage in verschiedenen Größe
USV Anlage in verschiedenen Größen für unerschiedliche Systeme

In einigen Bereichen müssen Geräte und Maschinen jederzeit und ohne Unterbrechung zur Verfügung stehen. Hierzu gehören bspw. Beatmungsgeräte die überlebensnotwendig sind oder Server und Router, die den Betrieb des Internets gewährleisten. Insbesondere in der Kommunikations- und Informationstechnik stellt die Stromversorgung die Grundlage der IT-Infrastruktur dar. Daher werden wichtige Geräte mit einer USV ausgestattet. Diese dient nicht nur einem Komplettausfall sondern auch einem Unter- und Überspannungsschutz. Kurzfristige Stromausfälle werden von den USV-Geräten überbrückt, ohne dass die Verbraucher es überhaupt bemerken.

Wo werden USV-Systeme eingesetzt?

Welche USV ist die richtige für dich? So wählst du die Richtige! - USV Auswahl Tutorial

Stromschutz- und Power-Management-Lösungen sind in den verschiedensten Bereichen vonnöten – Sie finden Anwendung vom kleinen Büro bis zum riesigen Datenzentrum bis in die Industrieumgebung.

  • Im Krankenhaus überbrückt die USV bspw. die Zeit bis der Dieselgenerator die Stromversorgung übernehmen kann
  • Jedes Rechenzentrum verfügt über eine großdimensionierte USV-Anlage
  • Industrielle USV-Anlagen sichern den Fortgang des Betriebs und verhindern so teure Ausfallzeiten
  • Im Büro ermöglichen USV durch eine verhältnismäßig kurze Stützzeit, den Mitarbeitern die Speicherung der aktuellen Arbeit und das Herunterfahren der Rechner.

USV variiert von der Leistung zwischen etwa 300 VA bis hin zu mehreren 100 kVA, abhängig von der Belastbarkeit der Stromrichter. Die mögliche Überbrückungszeit dagegen, hängt von der Kapazität der Akkumulatoren ab. Hier variiert die Zeit zwischen wenigen Sekunden bis hin zu mehreren Stunden. Je nach Einsatzgebiet wird mehr Leistung oder eine besonders lange Überbrückungszeit benötigt. Für diesen Fall gibt es Stromerzeugungsaggregate zum Nachladen der Akkumulatoren. In kleinen Rechenzentren werden innerhalb der Überbrückungszeit, zur Datensicherung die Computer im Fall eines Ausfalls oder einer Störung kontrolliert heruntergefahren. Dafür kommunizieren Server und USV. Größere Rechenzentren verfügen über Notstromgeneratoren. Die Stromversorgung über Akkumulatoren wird zur Überbrückung der Zeit eingesetzt, bis die Generatoren laufen und auf Nennleistung gebracht wurden.

USV-Arten

Jede USV hat die Funktion eingehenden Wechselstrom über einen Gleichrichter in Gleichstrom umzuwandeln und anschließend mit einem Wechselrichter wieder zurück zuwandeln. Die Norm IEC 62040-3 klassifiziert USVen in verschiedene Stufen. Die einzelnen Stufen werden nochmal in Klassen unterschieden.

Stufe 1

Es gibt drei Klassen im USV-Bereich, die die verschiedenen Anforderungen der einzelnen Geräte abdecken. Diese wurden vom International Engineering Consortium (IEC) unter der Produktnorm IEC 62040-3 und von der Europäischen Union unter EN 50091-3 festgelegt. Die drei Klassen unterscheiden sich insbesondere darin, ob die Spannung und Frequenz abhängig oder unabhängig vom Netz ist (VFD/VFI).

  • Offline-USV / Standby-USV
  • Line-Interactive-System / Netzinteraktiv-, Delta-Conversion-, Single-Conversion-USV
  • Online-USV / Online-Double-Conversion-USV / Dauerwandler-USV


Offline-USV / Standby-USV

Die Offline-USV ist die einfachste und günstigste USV-Art. Hier werden nur Netzausfälle und kurze Spannungsschwankungen abgefangen. Sie schützt nicht vor Unter- und Überspannungen. Bei einem Stromausfall wird der Netzbetrieb auf die integrierten Batterien umgeschalten. Ein Nachteil ergibt sich hier in der langen Umschaltzeit. Nachteilig ist ebenso die lastabhängige Ausgangsspannung. Als Vorteile sind zu nennen: geringe Anschaffungskosten, hoher Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer der Batterien. Die Offline-USV eignen sich vor allem für kleine TK-Anlagen und einzelne Computer die einen eigenen Schutz vor Überspannung besitzen.

Line-Interactive-System

Das Line-Interactive-System bezieht im Normalbetrieb wie die Offline-USV den Strom direkt vom Stromnetz. Über- oder Unterspannungen können jedoch anhand einer automatischen Spannungsanpassung abgefangen werden. Fällt der Strom aus, wird auf den Batteriebetrieb umgeschalten. Die Umschaltung auf die eingebauten Akkus benötigt einige Millisekunden. Als Vorteile sind zu nennen: hoher Wirkungsgrad, sehr geringe Umschaltzeiten, Unter- und Überspannungsschutz. Line-Interactive-Systems sind besonders für Regionen mit häufigen Spannungsschwankungen geeignet und eignen sich für die Absicherung einzelner Computer, größerer TK-Anlagen und Netzwerke. Für hochsensible Systeme reicht der Schutz nicht aus

Online-USV

Sowohl die Offline-USV als auch das Line-Interactive-System haben den Nachteil, dass erst bei einem Netzausfall auf Batteriebetrieb umgestellt wird und dadurch eine Umschaltzeit entsteht. Diese Umschaltzeit ist für sensible Systeme kritisch. Die Online-USV lässt im Normalzustand den gleichgerichteten Strom zu einem Wechselrichter fließen, der den Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt. Durch den Wechselrichter wird bei einem Stromausfall keine Umschaltzeit benötigt sondern es kann direkt auf die Batterien zurückgegriffen werden. Der Wechselrichter lädt außerdem gleichzeitig die Akkus und ermöglicht einen sauberen Sinuswellenstrom ohne Störspannungen, elektromagnetischen Einflüssen, Frequenzstörungen und Spannungsverzerrungen. Das System für die Online-USV benötigt eine Kühlung und hat hohe Anschaffungskosten. Online-USVs gelten als echte Stromgeneratoren, die ständig eine eigene Netzspannung erzeugen und sind daher für hochsensible Bereiche geeignet.

Stufe 2

Die zweite Stufe ist der Klirrfaktor der Ausgangsspannung, auch Verzerrungsfaktor genannt. Er ist als Wurzelquotient des Effektivwertes der Oberschwingungen zum Effektivwert der Wechselstromgröße definiert. Das heißt das der Verzerrungsfaktor die Kurvenform der Ausgangsspannung im Normalbetrieb und Batteriebetrieb angibt. Dargestellt wird dies durch zwei Großbuchstaben.

Verzerrungsfaktor
Großbuchstabe Aussage
S Steht für Sinuskurve. Der Verzerrfaktor ist kleiner als 0,08 bei einer linearen und nichtlinearen Referenzlast
X Verzerrfaktor < 0,08 nur bei linearer Referenzlast
Y Hier ist die Form der Spannungskurve nicht festgelegt, auch trapez- oder rechteckförmige Ausgangsspannungen sind möglich

Der Idealzustand ist demnach die Einstufung SS. Günstige VI- und VFD- Unterbrechungsfreie Stromversorgungsgeräte erreichen meistens nur einer Klirrfaktor von SX oder SY.

Stufe 3

Stufe 3 steht für die Unterbrechung beim Umschalten in Millisekunden. Sie zeigt die dynamische Toleranzkurve anhand von 3 verschiedenen Zahlen an.

Unterbrechung beim Umschalten
Zahl Aussage
1 Gibt an, wie sich das USV verhält bei Änderungen der Art der Stromversorgung wie dem Wechsel zwischen Netz- und Batteriebetrieb.
2 Gibt an, wie sich das USV verhält bei Sprüngen in der Auslastung/Spannung mit linearer Last im Netz- und Batteriebetrieb.
3 Gibt an, wie sich das USV verhält bei Sprüngen in der Auslastung/Spannung mit nichtlinearer Last im Netz- und Batteriebetrieb.

USV Anschlüsse

Neben dem Stromanschluss, besitzen USVs oft eine eine RJ 45 Buchse für einen RJ-45 Stecker über über Ethernet mit den anderen Systemen zu kommunizieren.

Anbieter

(APC by) Schneider Electric GmbH,

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