Was ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)?

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, auch USV (engl.: uninterruptible power supply, Abk.: UPS), ist eine elektrische Anlage, die Strom für Computer, Telekommunikationsgeräte usw. liefert. Sie bietet nicht nur eine Notstromversorgung, sondern schützt auch die verwendeten Geräte.

Der Grund, warum eine USV-Anlage so wichtig ist, liegt darin, dass die Netzstromversorgung unzuverlässig sein kann. Die Eingangsstromquelle kann aperiodisch ausfallen, was zu Kommunikationsausfällen und Datenverlusten führt. Außerdem beeinträchtigen Probleme wie Spannungsspitzen, Spannungsabfall, Rauschen und der Klirrfaktor die Qualität der Netzstromversorgung. Für den Schutz der Gerätesicherheit und für die Gewährleistung der Arbeitseffizienz kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung eine wichtige Absicherung sein.

Wie funktioniert eine unterbrechungsfreie Stromversorgung?

Anders als eine gewöhnliche Notstromanlage oder ein Notstromaggregat kann eine unterbrechungsfreie Stromversorgung nahezu sofortigen Schutz vor Stromausfällen bieten, indem sie die in den Akkus gespeicherte Energie nutzt.

Die vier Hauptkomponenten einer USV-Anlage sind Akkus, Wechselrichter, Gleichrichter und eine statische Bypass-Schaltung. Der Akku ist das Herzstück einer USV, kann aber auch der Hauptgrund für Ausfälle einer USV sein. Der Gleichrichter erfüllt zwei wichtige Aufgaben: Er wandelt den Eingangsstrom von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um und lädt die Akkus wieder auf, während der Gleichstrom zum Wechselrichter geleitet wird. Anschließend wandelt der Wechselrichter den Gleichstrom vom Gleichrichter (oder den Akkus) wieder in Wechselstrom für die elektrische Last um. Die statische Bypass-Schaltung ermöglicht es, dass der Wechselstrom des Stromversorgers direkt durch die USV zur Last fließt, wobei die USV-Komponenten umgangen werden, was eine wichtige Schutzfunktion im Falle eines Ausfalls der USV ist.

Abbildung 1: Komponenten einer unterbrechungsfreien Stromversorgung

Was sind die Haupttypen von unterbrechungsfreien Stromversorgungen?

In der Regel gibt es, je nach Funktionsprinzip, folgende Kategorien von unterbrechungsfreien Stromversorgungen: Offline (Stand by), Line-Interaktiv und Online (Doppelwandler).

Eine Offline-USV bietet nur die grundlegendsten Funktionen wie Überspannungsschutz und Akku-Backup. Daher ist die Qualität der Stromversorgung nicht sonderlich gut, jedoch sind die Kosten viel niedriger. Wenn die Stromversorgung ausfällt oder schlecht funktioniert, springen der Wechselrichter und der Akku ein, um die unterbrechungsfreie Stromversorgung der Last in weniger als 10 ms Umschaltzeit zu gewährleisten. Offline-USV können nur bei geringen Leistungen von weniger als 2 kVA eingesetzt werden und eignen sich für die Versorgung von Geräten, die nicht empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren, wie z. B. PCs.

Abbildung 2: Offline-USV

Die Line-Interaktive-USV funktioniert im Grunde genauso wie die Offline-USV. Bei der Verwendung als Akku-Backup hat sie ebenfalls eine Umschaltzeit von weniger als 10 ms. Die Qualität der Stromversorgung kann jedoch durch Hinzufügen eines Bypass-Modus verbessert werden, durch den die Last auf den Bypass-AC-Eingang übertragen werden kann, wenn eine der USV-Funktionen ausfällt. Aus diesem Grund sind die Kosten höher. Line-Interaktive-USV können mit geringen Leistungen von weniger als 6 kVA betrieben werden und eignen sich sowohl für die Anwendung Zuhause als auch im Büro.

Abbildung 3: Line-Interaktive-USV

Die Online-USV bietet eine kontinuierliche, reine und qualitativ hochwertige Stromversorgung, unabhängig vom Status der Eingangsstromversorgung. Verglichen mit der Offline-USV und der Line-Interaktiven-USV kann sie fast alle Probleme der Netzversorgung im Bezug auf die Verlässlichkeit lösen und die Last ohne Umschaltzeit mit Ersatzstrom versorgen, da die Akkus dauerhaft mit dem Wechselrichter verbunden sind. Aus diesem Grund sind sie auch die teuersten der drei. Die Online-USV kann mit einer Nennleistung von mehr als 1 kVA eingesetzt werden und eignet sich besser für Geräte, die hohe Anforderungen an die Stromversorgung stellen und häufig in Rechenzentren eingesetzt werden.

Abbildung 4: Online-USV

Was ist beim Kauf einer unterbrechungsfreien Stromversorgung zu beachten?

Abgesehen von den drei oben genannten gängigen Ausführungen von unterbrechungsfreien Stromversorgungen sollten beim Kauf noch folgende Punkte beachtet werden:

Die Nennspannung: Die Nennspannung der USV gibt die maximale Last an, für die sie ausgelegt ist. Sie reicht normalerweise von 300 VA bis 5000 kVA. Es wird empfohlen, eine USV mit einer Nennspannung zu kaufen, die dem 1,2-fachen der benötigten Gesamtlast entspricht.

Die Leistungsüberwachung: Das Überwachungssystem der USV achtet kontinuierlich auf Warnzeichen wie nachlassende Leistung oder einen überhitzenden Akku und sendet Benachrichtigungen in Echtzeit, wenn sich potenzielle Probleme entwickeln, wodurch ernsthafte Ausfälle vermieden werden können.

Die Verfügbaren Anschlüsse: USV für den Heimgebrauch verfügen in der Regel über 5–8 Anschlüsse. Einige werden zur Sicherung der Stromversorgung und andere zum Schutz von Geräten verwendet. Einige USV können in Datenzentren für Ethernet- und Koaxialverbindungen verwendet werden.

Die Formfaktoren: Es gibt zwei Hauptformfaktoren: Tower/Freistehend oder die Rack-Montage. Der Tower-Typ ist kleiner und hauptsächlich für einfache Heim- oder Büroeinrichtungen geeignet. Rack-montierte Systeme sind größer und werden hauptsächlich für komplexere gewerbliche Zwecke verwendet.

Der Akku: Wenn Sie sich für Akkus entscheiden, die vom Anwender selbst ausgetauscht werden können, müssen Sie nicht die gesamte USV-Anlage ersetzen, wenn der Akku kaputt geht. Der Kauf von Lithium-Ionen-Akkus mit einer längeren Lebensdauer kann ebenfalls eine kostengünstige Lösung sein.

Der Geräuschpegel: Kleinere USV benötigen in der Regel keinen Lüfter zur Kühlung, größere hingegen oft schon. Wenn perfekte Stille in der Umgebung erforderlich ist, kann eine USV ohne Lüfter die bessere Wahl sein.

Häufig gestellte Fragen zu unterbrechungsfreien Stromversorgungen

1. Was ist der Unterschied zwischen einer einphasigen USV und einer dreiphasigen USV?

Stromanbieter erzeugen dreiphasigen Strom, um ihn effizient über große Entfernungen zu liefern. Für größere Stromverbraucher wie Rechenzentren bleibt der Strom dreiphasig und erfordert eine dreiphasige USV. Für kleinere Verbraucher wird der Strom in einphasigen Strom umgewandelt.

2. Wie viele Minuten Akkulaufzeit bietet eine USV?

Die internen Akkus der USV versorgen die elektrischen Lasten in der Regel für 10 bis 15 Minuten. Durch den Anschluss zusätzlicher externer Akkus an eine USV kann die Laufzeit auf mehrere Stunden erhöht werden.

3. Ist es notwendig, eine USV dauerhaft eingeschaltet zu lassen?

Ja, es ist am besten, sie eingeschaltet zu lassen, damit der Akku eine Erhaltungsladung beibehält. Wenn die USV nicht angeschlossen ist, entladen sich die Akkus selbst. Wenn sie wieder eingesteckt wird, müssen sich die Akkus erneut aufladen, um die Selbstentladung auszugleichen. Wiederholte Teilentladungen und Vollladungen verkürzen die Lebensdauer der Akkus.

4. Wozu dient der USB-Port?

Die USB-Ports ermöglichen den Anschluss der USV an einen Computer, um auf zusätzliche Energieverwaltungsfunktionen zugreifen zu können.

5. Was sind skalierbare modulare USV und netzwerkfähige USV?

Die modulare USV bietet die Möglichkeit, die USV bei steigendem Strombedarf zu erweitern. Die netzwerkfähige USV verfügt über Netzwerküberwachung und Verwaltungsfunktionen, mit denen Probleme in kürzester Zeit gelöst werden können.

6. Wie kann ich die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Umgebung der USV überwachen?

Ein externer Umgebungssensor liefert Informationen über Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Umgebung der USV. Nutzer können über das SNMP / die Netzwerkkarte darauf zugreifen.

7. Wie lange halten die Akkus einer USV?

Das hängt von Faktoren wie Kapazität, Modell, Nutzung, Umgebung usw. ab. Im Durchschnitt hat ein kleiner bis mittlerer USV-Akku eine Lebensdauer von 4–5 Jahren, größere USV-Akkus halten 8–10 Jahre.