USV Lexikon (FAQ)

USV = unterbrechungsfreie Stromversorgung

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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.

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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…

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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:

Schema Offline.gif (3633 Byte)

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:

Einsatzbereich:

  • PC's und Peripheriegeräte
  • Notlampen
  • kleine TK-Anlagen

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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:

Schema Offline AVR.gif (3710 Byte)

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

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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:

Schema Online.gif (4099 Byte)

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

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3 Vergleich der verschiedenen USV

  Funktion Komplexität Wirkungsgrad Preis
Offline * * *** tief
Line interactive (Offline mit AVR) ** ** ** mittel
Online *** *** * hoch

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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.

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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)

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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.
 

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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

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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?

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9 Wie lange funktioniert ein Computer ohne Spannungszufuhr?

  • Ohne USV: ca. 8 - 20 Millisekunden, je nach Typ.
  • Mit USV:     10 - 30 Minuten

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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.)

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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.

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11.2 Akkumulator (Batterie)

Er ist der Energiespeicher der USV und ist in der Lage, bei Spannungsunterbrüchen die angeschlossenen Geräte mit Spannung zu versorgen.

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11.3 Wechselrichter (Inverter)

Er wandelt die Gleichspannung (DC) aus dem Akkumulator in Wechselspannung (Netzspannung) (AC).

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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. 

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11.5 Störspannungsschutz

Er entfernt Störspannungsspitzen, um die angeschlossenen Geräte zu schützen.

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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.

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12 Welche Spannungsformen weisen USVs auf?

12.1 Sinuswelle

Sinuswelle.gif (924 Byte)

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  

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12.2 Stufenwelle

Rechteckwelle.gif (823 Byte)

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  

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12.3 Rechteckwelle

Stufenwelle.gif (937 Byte)

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  

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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.

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14 Was sind die Gründe für Störungen im Elektroversorgungsnetz?

  • Stürme, Blitze, Erdbeben
  • Kurzschlüsse, normale Stromabschaltungen
  • elektromagnetische und hochfrequente Störungen in Industriequartieren

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15 Wie sieht die gestörte Netzspannung aus?

Netzspannung.gif (2201 Byte)

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RUOSS-KISTLER AG, Buttikon

RUOSS-KISTLER AG; Tätigkeitsfelder: 1. Business Software; Barcode-Scanner, Kassensysteme (POS) u. USV; 2. Immobilienverwaltung (Wohnungen vermieten) Fremdverwaltung

 

 

 

RUOSS-KISTLER AG          / Tel. (+41) 055 464 35 00 /           Fax  (+41) 055 464 35 01

Copyright © 2016                                                                                                                                   Stand: 30. Oktober 2016