Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Was ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung?

Wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, hilft Ihnen die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), um Ihren Computer zumindest kurze Zeit weiterzubetreiben. Das Gerät füllt seine Energiespeicher auf, solange der Strom noch fließt und je mehr Energie gespeichert ist, desto länger versorgt die USV Ihren Computer.

Es gibt verschiedene Speichertechnologien, die in einer USV verbaut sein können. Wiederaufladbare Batterien sind die gebräuchlichste. Der Einfachheit halber werden sich die Beispiele und Abbildungen in diesem Artikel auf diese Technologie konzentrieren. Es gibt aber auch Systeme, in denen Benzin oder Schwungräder zum Einsatz kommen.

Welche USV-Arten gibt es?

Der am häufigsten verwendete USV-Typ ist auch der effektivste. Er wird im Allgemeinen als Vollzeit-USV oder USV mit Doppelwandler bezeichnet. Die meisten USVs beziehen zwar Wechselstrom aus dem Netz, Batterien hingegen sind Gleichstromgeräte, so dass alle Batterie-USVs den eingehenden Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelnd – gleichrichten – müssen, um die Batterien aufzuladen. Im Gegensatz dazu benötigen aber die technischen Geräte wieder Wechselstrom, so dass die USV am Ausgang einen Wechselrichter hat.

Bei einer USV mit Doppelwandlung fließt der Strom kontinuierlich durch den Gleichrichter (auf Englisch: Rectifier) und dann durch den Wechselrichter (auf Englisch: Inverter) zum IT-Equipment. Die Ausgangsspannung und -frequenz sind vollständig isoliert und unabhängig von der Eingangsspannung und -frequenz. Sie können sogar vollständig von denen des Eingangs unterscheiden, so dass dieses System technisch als spannungs- und frequenzunabhängig (voltage and frequency independent, VFI) eingestuft wird.

Spannungs- und frequenzunabhängiger Betrieb

Abbildung 1 zeigt ein VFI-System im Normalbetrieb. Anomalien in der Eingangsleistung behebt das System auf zwei Wegen. Ein Überspannungsschutz (ÜSP, auf Englisch Surge Suppression Device, SPD) absorbiert besonders starke Spannungsspitzen. Diese können durch Blitzeinschläge in Stromleitungen, große Motoren, wie sie in Aufzügen oder Geräten der medizinischen Elektronik verwendet werden, Schweißer oder zahlreiche andere Quellen verursacht werden. Auch kleinere Schwankungen lässt die VFI-USV nicht an den Ausgang durch.

Batterien sind ausgezeichnete elektrische Stoßdämpfe. Sie sorgen für eine gleichmäßige und konstante Spannung für den Wechselrichter, der die Spannung und den Strom vollständig neu synthentisiert, so dass die an das IT-Equipment (ITE) gelieferte Leistung sauber und gleichmäßig ist. Der Anschluss von Klimaanlagen oder anderen Motoren an die USV, die das ITE versorgt, könnte diese saubere Ausgangsleistung verunreinigen und wird daher nicht empfohlen.

Beachten Sie die Bypass-Schaltung, die um die USV herumführt. Darauf gehen wir später noch ein.

Die Batterie ist im Normalbetrieb immer im Stromkreis und liefert bei Bedarf kleine Mengen Strom, so dass es nicht die geringste Unterbrechung der Ausgangsleistung gibt.

Wenn die Stromversorgung dauerhaft ausfällt, wie in Abbildung 2 unten dargestellt, liefert die Batterie weiterhin gespeicherte Energie über den Wechselrichter an das IT-Equipment weiter. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, fließt der Strom zurück durch den Gleichrichter, speist den Wechselrichter und lädt die Batterien erneut auf.

Statische USV und Wartungsbypass

USVs sind nicht unterbrechungsfrei. Da es sich um elektrische oder mechanische Geräte handelt, sind sie selbst anfällig für Ausfälle, auch wenn sie routinemäßig gewartet werden. Aus diesen Gründen verfügen alle USV-Systeme über einen eingebauten Bypass, der die eingehende Energie um das System herumleitet.

Sie haben in diesem Fall immer noch den Überspannungsschutz im Stromkreis. Dieser ist aber nur geringfügig zuverlässiger als die Mehrfachsteckdose, an der Sie Ihre elektronischen Geräte betreiben. Er verhindert weder Stromunterbrechungen noch Spannungsabfälle. Wenn die USV ausfällt, funktioniert der Bypass automatisch.

Wenn ein Techniker am System arbeitet, schaltet er auf den Bypass um, um die internen Komponenten zu schützen. Fällt der Strom aus, während sich die USV im Bypass befindet, wird die Stromversorgung des ITE unterbrochen. Jede Installation mit nur einer USV hat diese Schwachstelle. Abbildung 3 zeigt die USV im Bypass-Modus.

Beachten Sie, dass größere Spannungsspitzen beseitigt wurde, der Spannungsabfall jedoch weiter anhält.

Betrieb im Sparmodus

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, die Erhaltung der Energie, besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Kein elektrisches oder mechanisches Gerät ist zu 100 Prozent effizient, so dass bei jeder Umwandlung ein Verlust entsteht, der als Wärme entweicht.

USV-Systeme sind weitaus effizienter als noch vor zehn Jahren, und ihre Effizienz bleibt bei niedriger bis hoher Last nahezu gleich. Aber sowohl im Gleichrichter als auch im Wechselrichter gibt es Verluste, die im Bypass-Modus der USV nicht auftreten. Viele VFI-USVs bieten jetzt eine ausgeklügelte Version des Bypasses an, den so genannten Economy-Modus (Eco-Modus), wie in Abbildung 4 dargestellt. Eine USV im Eco-Modus kann bei Bedarf jederzeit zum vollen VFI-Betrieb zurückkehren.

Wenn Gleichrichter- und Wechselrichterverluste entfallen, spart das Energie und Kosten, bis der Strom ausfällt und der volle USV-Betrieb erforderlich ist. Manche Benutzer stellen das System tagsüber auf VFI-Betrieb ein und nachts automatisch in den Eco-Modus. Auch er ist im Allgemeinen sehr zuverlässig, aber viele Benutzer scheuen sich, die Modi hin und her zu schalten. Außerdem liegt der Wirkungsgrad neuer VFI-USVs innerhalb von einem Prozent oder weniger, als im Eco-Modus, so dass viele Benutzer letzteren mittlerweile für überflüssig halten.

Beachten Sie, dass USVs im Eco-Modus hochwertige Filter enthalten, die ebenfalls einen geringen Verlust verursachen, und dass beim Umschalten der Modi normalerweise eine kurze Instabilität auftritt. Der Wirkungsgrad im Eco-Modus kann bis zu 99 Prozent betragen, wenn Stromausfälle selten und nur kurzzeitig auftreten.

Netzinteraktive USV

Eine echte netzinteraktive USV, auch bekannt als spannungsunabhängige (VI) USV, heißt so, weil die Ausgangsfrequenz die gleiche ist wie die Eingangsfrequenz. Im Eco-Modus sehen sie praktisch identisch aus wie VFI-USVs, abgesehen von der Größe der Gleichrichter und der Abwesenheit eines VFI-Modus.

Der kleinere Gleichrichter muss nur die Batterien aufladen, die dazu beitragen, kleine Schwankungen aufzufangen und die Leistung bei Spannungseinbrüchen zu erhöhen. Bei einem Stromausfall übernehmen die Batterien die komplette Arbeit. Abbildung 5 zeigt, wie die Batterie und der Wechselrichter dazu beitragen, Schwankungen der Eingangsspannung auszugleichen, indem sie parallel zum Ausgang betrieben werden.

Abbildung 6 unten zeigt eine netzinteraktive USV, wenn die Stromversorgung ausfällt. Die Batterie übernimmt wie bei einer Doppelwandler-USV, aber der Bypass schaltet den externen Stromanschluss aus dem Stromkreis. Da die USV die meiste Zeit mit Netzstrom arbeitet, entfällt die zweite Umwandlung durch den Wechselrichter, solange der Strom nicht ausfällt. Das eliminiert eine Quelle für Energieverschwendung.

Vor einem Jahrzehnt erreichten VI-USV einen Effizienzvorteil von fünf Prozent oder mehr gegenüber VFI-Geräten, doch die enormen Verbesserungen bei VFI-USVs haben diesen Vorteil auf ein Prozent oder weniger herabgesetzt.

Standby-USV

Die in Abbildung 7 gezeigte Standby-USV wird in der Regel als spannungs- und frequenzabhängige USV (VFD) bezeichnet. Wie bei einer VI-USV fließt der Strom direkt an das IT-Equipment. Die Batterie und der Wechselrichter sind nicht im Stromkreis, bis die Stromversorgung ausfällt. Der Ausgang wird gefiltert, ist aber nicht so stabil wie bei einer echten VI-USV.

Wie in Abbildung 8 dargestellt, wird bei einem Stromausfall der externe Stromzufluss aus dem Stromkreis herausgeschaltet und die Batterie der Wechselrichter werden zugeschaltet. Es kommt zu einer gewissen Schaltinstabilität, aber die Verzögerung ist kurz genug, dass die meisten Computernetzteile sie überstehen.

Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist – entweder durch das Stromnetz oder den Notstromgenerator – wird der Wechselrichter abgeschaltet, das Netz wird wieder eingeschaltet und die Batterien werden durch den Gleichrichter wieder aufgeladen, der viel kleiner ist als bei einer VFI- oder VI-USV.

Leider werden Standby- oder VFD-USVs manchmal beide als netzinteraktiv beworben. Sie müssen daher genau nachfragen, um welche Variante es sich genau handelt. Die international anerkannten VI- und VFD-Kennzeichnungen bieten eine eindeutige Unterscheidung, werden aber von den Herstellern nicht immer verwendet, insbesondere bei kleineren Systemen.

Mechanische und batterielose USV-Systeme

Es gibt drei Haupttypen mechanischer USVs, von denen zwei batterielos sind. Alle drei sind echte VFI- oder Doppelwandlersysteme, aber die Zwischenwandlung ist rein mechanisch:

• Motor-Generator-Systeme (MG) kombinieren einen Motor mit einem Generator. Der Motor entspricht dem Gleichrichter in einer VFI-USV, und der Generator entspricht dem Wechselrichter. Die Netzspannung treibt einen Gleichrichter an, der einen Gleichstrommotor antreibt und die Batterien auflädt. Bei einem Stromausfall halten die Batterien den Motor am Laufen, so dass der Generator weiterhin Strom liefert. MG-Geräte werden häufiger zum Aufrechterhalten der Stromversorgung anderer mechanischer Geräte, wie zum Beispiel Klimaanlagen, eingesetzt zur Stromversorgung von IT-Geräten, obwohl sie eine Zeit lang bei alten Großrechnern üblich waren.
• Diesel-Rotations-USVs (DRUPS) ähneln den MG-Sets mit dem Unterschied, dass es keine Batterien gibt – außer für den Start des Generators – und ein eingebauter Dieselmotor die Stromversorgung bei einem Stromausfall startet und aufrechterhält. Ein Schwungrad sorgt dafür, dass sich der Generator lange genug dreht, um sich zu stabilisieren, bevor eine mechanische Kupplung ihn mit dem Generator verbindet. Auch diese Variante kommt eher für die Versorgung von nicht-IT-Geräten zum Einsatz. Sie wird oft als kostengünstige Alternative zu separaten Generatoren vorgeschlagen, wenn die Aufrechterhaltung einer unterbrechungsfreien Kühlung besonders wichtig ist.
• Schwungrad-USVs haben Ähnlichkeiten mit MG-Sets und DRUPS, unterscheiden sich aber in einem wesentlichen Punkt. Der Generator wird von einem Elektromotor angetrieben, wenn die Versorgungsspannung zur Verfügung steht, aber das System enthält nur ein schweres Schwungrad, um den Generator in Gang zu halten, normalerweise bis ein Hilfsgenerator die Stromversorgung wieder aufnimmt. Das Schwungrad läuft auf nahezu reibungsfreien Luft- oder Magnetlagern in einem vakuumversiegelten Gehäuse, das die Leistung bis zu 30 Sekunden lang aufrechterhalten kann. Kombinierte Einheiten können die Dauer auf mehrere Minuten verlängern, ohne die bei anderen USVs übliche Wärme zu erzeugen.

Der Leistungsfaktor von USVs

Der Leistungsfaktor ist der Unterschied zwischen Wirkleistung und Scheinleistung. Dieser Wert wird häufig missverstanden, ist aber für Käufer sehr wichtig. In der Vergangenheit hatten die meisten großen USVs einen Leistungsfaktor von 0,8. Das bedeutet, dass eine USV mit 100 Kilovolt-Ampere (kVA) nur 80 Kilowatt (kW) Wirkleistung liefert. Die meisten modernen USVs von heute haben einen Leistungsfaktor von 0,9 bis 1,0, was bedeutet, dass die tatsächliche Leistung in kW viel näher an der Scheinleistung in kVA liegt oder ihr sogar entspricht.

Vergleich von zentralen und verteilten USVs

Verteilte USV bedeutet in der Regel kleine USVs, die in jedem Geräteschrank montiert sind, obwohl es manchmal eine USV für jede Schrankreihe gibt. Es gibt kleine VFI-USVs, aber viele sind VFD- oder VI-Konstruktionen, daher ist es wichtig zu wissen, welche Technologie man gerne kauft. Kleine, Rack-montierte USVs haben oft einen Leistungsfaktor von nur 0,7, so dass eine USV, die mit 1.000 kVA beworben wird, vielleicht nur 700 Watt liefert. Verteilte USVs haben ihre Berechtigung, aber in der Regel in Situationen mit nur einem oder zwei Geräte-Racks, in denen eine zentralisierte, eigenständige USV unwirtschaftlich wäre.

Kleine, zentrale USVs werden oft nicht so gut gewartet wie größere Systeme, so dass ausgefallene Batterien nicht auffallen, bis es zu spät ist.

Auswahl und Verwendung von USV-Systemen

Bei der Auswahl eines USV-Systems gibt es eine Reihe wichtiger Überlegungen, darunter:

Modularität

Die meisten modernen batteriegestützten USVs sind modular aufgebaut. Sie bestehen aus mehreren, kleineren USV- und Batterieeinheiten, die IT-Mitarbeiter nach Bedarf kombinieren können, um Kapazität, Redundanz oder beides zu bieten. Es ist nicht mehr notwendig, in Erwartung eines langfristigen Wachstums zu viel zu kaufen. Der Rahmen muss nur groß genug für die langfristigen Erwartungen sein.

Aktuelle Modelle können je nach Bedarf gekauft und installiert werden. Ein oder zwei zusätzliche Module gewährleisten Redundanz. Die Batteriekapazität kann auf die gleiche Weise modular hinzugefügt werden. Darüber hinaus sind die Module in den meisten Systemen im laufenden Betrieb austauschbar, so dass ein ausgefallenes Modul entfernt und an das Werk zurückgeschickt werden kann, um über Nacht ein neues zu installieren, ohne den Betrieb zu unterbrechen.

Wie bereits erwähnt, lassen sich Flywheel-USVs ebenfalls modular kombinieren, um Größe, Betriebsdauer und/oder Redundanz zu erhöhen. Diese müssen jedoch von geschultem Personal hinzugefügt und gewartet werden.

Stufenfunktion

Wenn elektrische Geräte plötzlich stark überlasten, kann die Stromversorgung vorübergehend instabil werden, zum Beispiel wenn die Stromversorgung in einem Haus wiederhergestellt wird und die Lichter flackern oder wenn große Motoren anlaufen und die Lichter vorübergehend erlöschen. Das ist besonders problematisch, wenn eine 2N-USV-Redundanz eingesetzt wird, da beim Ausfall einer USV die zweite USV sofort die gesamte Last übernehmen muss.

Es ist auch bei VFD-USVs von Bedeutung, bei denen die volle Last bei einem Stromausfall auf den Wechselrichter übertragen wird, und kann bei VI-Systemen oder bei Systemen, die im Eco-Modus arbeiten, Probleme verursachen. Bei der Bewertung großer USV-Systeme ist es wichtig, dass der Elektroingenieur von den USV-Anbietern Daten zur transienten Last erhält, diese vergleicht und die Ergebnisse dem Eigentümer erläutert.

Batterien und ihre Laufzeit

Batterien sind eine sich entwickelnde Technologie, insbesondere wegen ihrer zunehmenden Verwendung in Elektrofahrzeugen. Drei Batterietypen sind heute gebräuchlich:

• Bleisäurebatterien mit offenen Zellen sind am teuerste, haben aber die längste Lebensdauer – in der Regel 25 Jahre oder mehr. Sie erfordern separate, feuerbeständige Räume mit Säureabflüssen, Wasserstoffdetektionsalarmen, Abluftventilatoren, Augenwaschstationen, Schwallduschen und Schutzausrüstung für Gefahrstoffe. Sie sind auch am schwersten, müssen regelmäßig gewartet werden und werden im Allgemeinen in den größten und anspruchvollsten Anlagen eingesetzt.
• Bleisäurebatterien mit verschlossenen Zellen verwenden gelförmige Elektrolyte anstelle einer Flüssigkeit und befinden sich in einer versiegelten Verpackung mit kleinen Entlüftungen. Sie werden langsamer geladen als Nasszellen, um Wasserstoffemissionen zu vermeiden, und können daher in jedem Raum ohne besondere Konstruktion oder Schutzmaßnahmen stehen. Die Garantie beträgt in der Regel zehn Jahre, aber die tatsächliche Lebensdauer liegt oft nur bei drei bis fünf Jahren, je nachdem, wie stabil die Stromversorgung vor Ort ist und wie oft die Batterien teilweise entladen und wieder aufgeladen werden. Batterien mit längerer Lebensdauer sind zu höheren Kosten erhältlich, müssen aber normalerweise spezifiziert werden. Bleisäurebatterien mit verschlossenen Zellen sind etwas weniger schwer als solche mit offenen.
• Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind die neuesten verfügbaren Batterien und dürfen in den meisten Ländern ohne spezielle Räume oder Konstruktionen verwendet werden. In der Vergangenheit gab es Berichte von Lithium-Ionen-Akkus, die in Verbrauchergeräten explodierten. Ihre Chemie und ihr Aufbau unterscheiden sich völlig von denen, die in Data-Center-USVs verbaut sind. Li-Ionen-Batterien sind kleiner und leichter als Bleisäurebatterien, können teilweise entladen und wieder aufgeladen werden, ohne sich zu verschlechtern, und dürften eine längere Lebensdauer haben. Für Langzeitdaten sind sie jedoch noch zu neu.

Batterielaufzeiten

USV-Systeme geben unabhängig vom Batterietyp Wärme ab, so dass es eine Grenze dafür gibt, wie lange eine USV ohne Klimatisierung betrieben werden kann. Der tatsächliche Grenzwert hängt von Faktoren wie der Raumgröße, anderen Geräten und der Wärmebelastung des Gebäudes ab, aber die allgemein akzeptierte Regel lautet 30 bis 60 Minuten.

Irgendwann überhitzt die USV und schaltet sich zum Selbstschutz ab. Ohne einen Generator, der die Kühlung wieder in Gang setzt, sind längere Batterielaufzeiten daher eine Verschwendung von Platz und Geld und erhöhen die Kosten für den Batteriewechsel erheblich, insbesondere wenn Bleisäurebatterien im Einsatz sind. Der Ausfall einer Batterie erfordert den Austausch des gesamten Strangs, da sonst andere Zellen vorzeitig ausfallen. Wenn das IT-Personal auf ein geordnetes Herunterfahren Wert legt, lässt sich das besser mit einer Funktion erreichen, die bei den meisten großen USVs verfügbar ist und ein Signal über das Netzwerk sendet, um die ITEs abzuschalten, wenn die Batterielebensdauer einen voreingestellten Wert erreicht.

Bei Generatoren werden USVs oft mit einer Batterielebensdauer von nur wenigen Minuten konfiguriert. Qualitativ hochwertige Generatoren sollten innerhalb von Sekunden anspringen und sich stabilisieren, aber manchmal sind längere Laufzeiten nötig, um Zeit zu gewinnen, falls die Generatoren nicht anspringen. Bei redundanten Generatoren sollte das nicht notwendig sein.

Batteriestränge

Die USV-Komponente, die am häufigsten ausfällt, ist die Batterie. Daher verwendet die beste Konfiguration mindestens zwei Batteriestränge, um die erforderliche Dauer zu gewährleisten.

Batterieüberwachung und -wartung

Viele neuere USV-Systeme verfügen über eine Batterieüberwachung durch Dritte. Batterien neigen dazu, auszufallen, wenn sie plötzlich belastet werden, und das ist genau dann, wenn sie am meisten gebraucht werden. Batterien mit offenen Zellen müssen Sie regelmäßig warten. Sie sollten sie immer austauschen, wenn das Überwachungssystem meldet, dass sie schwächeln.

Transformatoren und Erdung

Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, dass in den Abbildungen in diesem Artikel keine Eingangs- oder Ausgangstransformatoren abgebildet sind. Transformatoren waren früher Standard in elektronischen USVs, sind aber heute nur noch selten zu sehen, was die bessere Effizienz ermöglicht. Die Eliminierung von Transformatoren hat einen weiteren potenziellen Vorteil und zwei potenzielle Nachteile:

• Vorteil: Wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungen gleich sind, besteht keine Notwendigkeit für einen vollständigen Bypass, der die Transformatoren einschließen würde, was bei Wartungs-Bypass nicht der Fall ist.
• Nachteil: Wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungen unterschiedlich sein müssen, sind nicht nur am Eingang oder am Ausgang Transformatoren erforderlich, sondern auch ein vollständiger Bypass, der einen weiteren Transformator umfasst.
• Nachteil: Es gibt keinen Ausgangstransformationen, um die Last von der USV zu isolieren. Daher muss der Elektroingenieur beim Planen des Erdungssystems und Verhindern von Kurzschlüssen besonders vorsichtig sein. Häufig helfen hier externe Verteilungstransformatoren in großen Stromverteilungseinheiten.

Niedrige Stromqualität und Generatoren

VI- und VFD-USVs können beim Betrieb mit instabilem Strom Probleme verursachen. Da es in der Regel zum Flackern kommt, bevor die Stromversorgung stabil wiederhergestellt ist, verfügen diese USVs über eine Logik, die verhindert, dass sie in den Normalbetrieb zurückkehren, wenn sie zu oft hin- und herschalten, was eine manuelle Wiederherstellung erfordert. Das gleiche Problem kann auftreten, wenn Generatoren zu schnell auf die Last umgeschaltet werden und beim Versuch, die Last aufzunehmen, zu- und abnehmen.