Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Mit einer USV auf der sicheren Seite sein

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist ein Stromversorgungssystem, das eingreift, wenn angeschlossene Systeme oder Geräte Probleme mit der örtlichen Stromversorgung bekommen. Die USV wird zwischen Netz und Verbraucher geschaltet, damit die Möglichkeit besteht, kritische Systeme, wie zum Beispiel Server mit sensiblen Daten, ordnungsgemäß und verlustfrei vom Netz zu nehmen, bis der Strom, bei einem Stromausfall, wieder da ist. Für diesen Fall verfügt die unterbrechungsfreie Stromversorgung über Akkumulatoren, die im Fehlerfall zum Einsatz kommen und das System oder Gerät für einen gewissen Zeitraum mit Strom versorgen. Überwiegend werden die USV in Krankenhäusern, Leitstellen, modernen Eisenbahn-Stellwerken und Rechenzentren sämtlicher Branchen genutzt. Darüber hinaus sind sie immer häufiger in einzelnen Büros oder den heimischen vier Wänden zu finden.

Wie funktioniert ein USV?

USV verfügen über zwei grundsätzliche Funktionen. Einerseits sollten sie die angeschlossenen Systeme oder Geräte vor Spannungsausfällen schützen und andererseits die Spannung filtern, um etwaige Differenzen auszugleichen. Differenzen können in Form von Unter-, Überspannung, Frequenzänderungen oder auch Oberschwingungen auftreten. Da empfindliche Geräte keine oder nur eine sehr kurze Umschaltzeit erlauben, ist die Filterung der Spannung notwendig, da das Versorgungsnetz nicht immer die perfekte Spannung liefert.

Im Prinzip setzt sich eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zusammen aus einem Akkumulatoren, Stromtrichtern und einer elektronischen Regelung. Die Akkus übernehmen dabei die Rolle des Speichers für die Übergangsversorgung. Der Stromrichter wandelt die eingespeiste Energie um und die elektronische Regelung sorgt dementsprechend für die Signalverarbeitung der erhaltenen Informationen. Eine USV erlaubt auch, die Systeme und Anwendungen kontrolliert zu beenden, meist geschieht das sogar automatisch. Je nach Modell kommunizieren Server und USV über Ethernet, SNMP, RS-232 oder sogar USB. Wenn Super-GAU identifiziert wird, leitet das System automatisch, mit Hilfe einer Software, einen kontrollierten Shut-Down-Vorgang ein. Im Idealfall sind nicht nur die Daten sondern auch die verbundenen Geräte geschützt, da sie ordnungsgemäß abgeschaltet werden.

Die Leistung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ist abhängig von der Belastbarkeit des verwendeten Stromrichters. Seriengeräte sind hierbei ab ca. 300 VA bis hin zu mehreren 100 kVA verfügbar. Aus der Größe des Akkus und der damit verbundenen Systeme ergibt sich auch die maximale Überbrückungszeit. Diese Zeit kann wenige Sekunden oder sogar mehrere Stunden betragen. Weiterhin besitzen moderne USV auch die Möglichkeit des sogenannten Hot-Swaps. Das heißt, dass die Batterien im Bedarfsfall während des laufenden Betriebs ausgewechselt werden können. Bei großen USV-Anlagen lassen sich sogar Stromerzeugungsaggregate zum Nachladen der Akkumulatoren hinzufügen. Beide Methoden verlängern die Überbrückungszeit.

Mögliche Spannungsprobleme

Spannungsprobleme können sehr vielfältiger Natur sein. Sie treten so gut wie immer ungewollt und unvorhergesehen auf. Nicht nur Umweltbedingungen können ein Problem sein. Auch die Betriebsbedingungen, die mit der Firma wachsen, werden oft unterschätzt. Besonders in industriellen Umgebungen, wo große Schweißgeräte und Elektromotoren ständig genutzt werden, besteht ein höheres Ausfallrisiko. Zu den häufigsten Problemursachen zählt beispielsweise der Spannungsausfall. Netzspannungs- oder Spannungsverteilungsfehler sind hierbei weit verbreitete Ursachen. Auch Spannungseinbrüche können auftreten, wenn schwere Verbraucher im Netz eingeschaltet werden, wodurch der Normalwert der Spannung kurzzeitig um bis zu 20% sinken kann. Das Gegenteil sind die Spannungsstöße, die beispielsweise auf Blitzeinschläge zurückzuführen sind. Während Spannungsstöße bei maximal 6.000 Volt kategorisiert werden, sind es bei den Schaltspitzen bis zu 20.000 Volt. Diese sind meistens in Form von Lichtbögen oder statischen Entladungen wahrnehmbar. Unterschreitet die Spannung den zulässigen Grenzwert für eine unbestimmte Dauer, entsteht die sogenannte Unterspannung. Im Umkehrfall kann, wenn beispielsweise große Verbraucher ausgeschaltet werden, der Normalwert der Spannung auf 110% klettern. Dann spricht man von einer Überspannung. Bei einer Störspannung liegt das Problem in Hochfrequenzstörungen und elektromagnetischen Störungen. Schaltungen in diversen Systemen, wie bei Computern etwa, reagieren darauf besonders empfindlich. Obwohl in Deutschland eine konstante Netzfrequenz von 50 Hz regiert, kann es dennoch mal zu Abweichungen kommen. Ein Fehler dieser Art wird Frequenzabweichung bezeichnet. Auch harmonische Oberwellen können ein Störfaktor sein. Diese Verzerrungen können von nicht linearen Lasten, wie sie etwa Leuchtstoffröhren erzeugen, verursacht werden. Je nachdem welcher Fehlertyp am häufigsten vorkommt oder zu erwarten ist, kann ein spezieller USV die perfekte Lösung sein. Außerdem muss eine USV auf die vorhandene Infrastruktur zugeschnitten werden.

Unterscheidungen von USV

Die europäische Normung klassifiziert nach drei USV-Technologien. Zur Auswahl stehen Offline-Systeme, Online-Systeme und Line-Interaktive USV. Wichtig ist, dass man Schutzbedarf und Kostenfaktor gegeneinander abwägt. Dabei spielen vor allem für Unternehmen nicht nur die Anschaffungs- sondern auch Betriebs- und Instandhaltungskosten eine entscheidende Rolle. Gleichzeitig sollten die Sicherheitsanforderungen nicht vernachlässigt werden.

• Online USV: Die Online USV oder auch VFI-USV (Voltage and Frequency Independent USV) sind in der Industrie am weitesten verbreitet. Diese Anlagen sind für einen Rund-um-die-Uhr-Schutz konzipiert. Neben Servern und IT-Anwendungen profitieren auch industrielle Anlagen oder Sicherheitssysteme von den Fähigkeiten des VFI-USV. Durch die permanente Wandlung der Spannung ergeben sich keine Umschaltzeiten, wovon besonders sensible Geräte profitieren, die keine Verzögerung bei Umschaltzeiten erlauben.
• Line-Interaktive-USV: Netzinteraktiven USV-Anlagen werden auch als Voltage Independent, kurz VI, kategorisiert. Diese USV-Anlagen sind eine Mischung aus Elementen von Offline- und Online-USV-Systemen. USV-Anlagen dieser Kategorie sind nicht auf die Spannungsaufbereitung spezialisiert. Sie sind für kleinere Serverumgebungen, Speichersysteme oder Netzwerkkomponenten geeignet. Auch bieten sie einen Schutz vor Unter- und Überspannung.
• Offline USV: Diese Systeme, auch Voltage and Frequency Dependent (VFD) genannt, bieten den Basisschutz für einzelne PC-Systeme oder Workstations und sind deswegen sehr häufig bei Privatpersonen zu finden. Die Kernfunktion besteht darin, einen Stromausfall zu erkennen und schnellstmöglich die Notversorgung mit Hilfe von Batterien für die Überbrückungsphase einzuleiten. Bei dieser unterbrechungsfreien Stromversorgung wird die Netzspannung allerdings nicht gefeilter.

Das Tolle an einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ist, dass sie erlaubt, die Systeme und Anwendungen kontrolliert zu beenden. Dies geschieht meistens sogar automatisch. Je nach Modell kommunizieren Server und USV beispielsweise über Ethernet, SNMP, RS-232 oder auch über USB. Sobald der Super-GAU identifiziert wird, leitet das System automatisch, mit Hilfe einer Software, einen kontrollierten Shut-Down-Vorgang ein. Im Idealfall sind nicht nur die Daten sondern auch die verbundenen Geräte geschützt, da sie ordnungsgemäß abgeschaltet werden.