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USV-Lexikon

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Definitionen, Bedeutungen, Begriffe und Erklärungen im Lexikon

Inhaltsverzeichnis

 
Einleitung zum Thema unterbrechungsfreie Stromversorgung (zum Inhaltsverzeichnis)

Statistisch gesehen ist knapp die H√§lfte aller Rechnerausf√§lle und Datenverluste auf Netzspannungsprobleme zur√ľckzuf√ľhren, und dabei wiederum ist Unterspannung (Spannungsabf√§lle: wie z.B. gleichzeitiges Einschalten von mehreren Ger√§ten) der Grund f√ľr etwa 60% aller St√∂rungen. 30% gehen auf √úberspannungen (z.B. Abschalten verbrauchsstarker Ger√§te), ca. 8% auf Anlagenausfall durch Hochspannungspulse (Spannungsspitzen: z.B. Kraftwerke die nach St√∂rf√§llen wieder auf volle Leistung schalten) und Transienten zur√ľck. Mit dieser Auflistung ergeben sich die wichtigsten Anforderungen, die an eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu stellen sind:

  • Schutz vor Spannungsverlust und Unterspannung
  • Schutz vor Netz√ľberspannungen
  • Schutz vor energiereichen St√∂rimpulsen

USV's können Systemcrash (Systemabsturz), Datenverlust, Betriebsstillstand, Produktionsausfall, irreparable Hardwareschäden usw. verhindern.

1. Was heisst "USV"? (zum Inhaltsverzeichnis)

USV ist die Abk√ľrzung f√ľr "Unterbrechungsfreie Strom-Versorgung" (englisch: "UPS" = uninterrupted power supply)

In der heutigen computerisierten Zeit sind Daten und Programme in Computeranlagen so wichtig, dass keine Fehler auftreten d√ľrfen. Kein zeitgem√§sser EDV-Anwender kann heute noch Datenverluste verantworten, welche durch St√∂rungen oder Unterbr√ľche der Energieversorgung verursacht werden.

Die USV filtert die Netzspannung und sch√ľtzt vor Spannungsspitzen und Spannungsunterbr√ľchen. Sie ist verantwortlich f√ľr ein einwandfreies Funktionieren der ihr angeschlossenen Ger√§te und l√§sst dem Anwender gen√ľgend Zeit, angefangene Arbeiten bei Netzausfall zu beenden, und die Ger√§te korrekt abzuschalten.

Selbstverst√§ndlich beschr√§nkt sich der Gebrauch von USV nicht nur auf PC-Anwender sondern ist √ľberall angezeigt, wo aus Sicherheitsgr√ľnden eine stete, regelm√§ssige Spannungsversorgung n√∂tig ist; wie z.B. bei Notbeleuchtungen, Alarmanlagen, √úberwachungsanlagen, etc.

2. Welche USV-Typen gibt es, und wie funktionieren sie? (zum Inhaltsverzeichnis)

Es werden generell drei Typen unterschieden:

2.1. OFF-LINE (Standby) USV

Schutz vor:

  • Stromausfall / Netzausfall
  • Spannungseinbruch / Spannungsabfall
  • Spannungsst√∂sse

Funktionsschema:

Schema Offline

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:

  • Wirkungsgrad bis zu 100%

Einsatzbereich:

  • PC's und Peripherieger√§te
  • Notlampen
  • Kleine TK-Anlagen

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- und Single-Conversion USV's)

Schutz vor:

  • Stromausfall / Netzausfall
  • Spannungseinbruch / Spannungsabfall
  • Spannungsst√∂sse
  • Unterspannung
  • √úberspannung

Funktionsschema:

Schema Offline AVR

Funktionsbeschreibung:

Bei diesem Mischverfahren zwischen Online- und Offline-Technik wird der Gleichrichter st√§ndig zum Laden der Akkus betrieben, die Last aber normalerweise vom Netz versorgt. √úber ein Mikroprozessor wird die Spannungsqualit√§t des Netzes √ľberwacht und im Falle von Unter-, √úberspannungen oder Spannungsausf√§llen (Stromausf√§llen / Stromst√∂rungen), die einen bestimmten Grenzwert √ľberschreiten, 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 f√ľr konstante Ausgangsspannung
  • Im Normalbetrieb wird die Netzspannung durch den Spannungskonstanthalter (AVR) geregelt. Der Wechselrichter wird erst bei Netzst√∂rung oder -unterbruch aktiviert.

Einsatzbereich:

  • PC's und kleine Server
  • Gr√∂ssere Telekommunikationsanlagen
  • Kleinere Server-Systeme und Netzwerke

2.3 ON-LINE USV (Dauerwandler / Doppelwandler (Double-Conversion) USV's)

Schutz vor:

  • Stromausfall / Netzausfall
  • Spannungseinbruch / Spannungsabfall
  • Spannungsst√∂sse
  • Unterspannung
  • √úberspannung
  • Frequenzschwankungen
  • Schaltspitzen
  • Harmonische Oberwellen
  • St√∂rspannungen

Funktionsschema:

Schema Online)

Funktionsbeschreibung:

Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit k√ľnstlicher Spannung. Die Netzspannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zur√ľck vollkommen regeneriert. Deshalb werden Online-USV's auch als Dauerwandler bezeichnet.

Vorteile:

  • Gleichbleibende Stromqualit√§t am Ausgang gew√§hrleistet
  • Keine Umschaltzeit
  • Lange Autonomiezeit

Nachteile:

  • H√∂here Investitionskosten
  • Gr√∂sserer Energieverbrauch (schlechterer Wirkungsgrad ca. 90%)
  • Akku Lebensdauer zwischen 3 - 4 Jahren

Merkmale:

  • ON-Line heisst immer Energieversorgung √ľber Wechselrichter, gleichg√ľltig ob eine Netzst√∂rung 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 h√§ufigen St√∂rungen im Versorgungsnetz
  • Hochsensible Netzwerkserver und Datenkommunikationssysteme
3. Vergleich der verschiedenen USV-Typen (zum Inhaltsverzeichnis)

 

USV-Typ Funktion Komplexit√§t Wirkungsgrad Preis 
Offline * * *** tief
Line interactive (Offline mit AVR) ** ** ** mittel
Online *** *** * hoch

 

4. Was muss eine USV generell leisten können? (zum Inhaltsverzeichnis)

Sie muss...

  • vor Netzunterbr√ľchen und Spannungsschwankungen sch√ľtzen.
  • eine st√∂rfreie, stabile Spannung liefern; auch im Normalbetrieb.
  • die Akkumulatoren korrekt laden k√∂nnen.
  • vor √úberlast durch angeschlossene Ger√§te gesch√ľtzt sein.
  • bei Netzunterbruch akustisch und optisch warnen.
  • die Akkumulatoren vor Selbstentladung sch√ľtzen und ungen√ľgende Akkumulatorladung anzeigen.
5. Worauf muss ich beim USV-Kauf achten? (zum Inhaltsverzeichnis)
  • Die USV sollte im Netzspannungsbereich von min. 200V bis max. 250V im Normalbetrieb arbeiten k√∂nnen.
  • Die Ausgangsspannung der USV von 230 Volt darf max. um ¬Ī 5-10 % abweichen.
  • Es muss eine √úberlast- und Kurzschlusssicherung vorhanden sein.
  • Die USV muss Unter- und √úberspannungen ausgleichen k√∂nnen.
  • Sie muss √§usserst zuverl√§ssig arbeiten.
  • Die USV-Leistung sollte gr√∂sser 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 Qualit√§t garantieren und einen funktionierenden Service (Ersatz innert 24 h) bieten.
  • Die USV sollte f√ľr 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 h√§ngt von der Kapazit√§t der mitgelieferten Akkus ab. Grob gilt: Akkus mit 250 VAh liefern ca. 20 Min. Ersatzstrom, mit 160 VAh lassen sich ca. 12 Min. stromlos √ľberbr√ľcken. (Akku - Lebensdauer zwischen 3 und 10 Jahren)
6. Dimensionierung der USV (Kapazität ermitteln) (zum Inhaltsverzeichnis)

Die USV sollte im Netzspannungsbereich von min. 200V bis max. 250V im Normalbetrieb arbeiten können.

Wie hoch ist der abzusichernde Leistungsbedarf (Strombedarf )?

Auflisten aller Ger√§te, die mit einer USV abzusichern sind. Nicht zu vergessen sind dabei auch Bildschirme, Terminals, externe Datenspeicherger√§te sowie andere kritische Peripherieger√§te. Jedes der zu sch√ľtzenden 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 Verbrauchsger√§ten (PC Netzteil, Monitor, Drucker usw.) ablesen und zusammenz√§hlen.

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 w√ľrde eventuell knapp ausreichen um in der Anfangsphase die Ger√§te bei einem Stromausfall zu √ľberbr√ľcken, da aber die Akkus mit fortgeschrittener Lebensdauer an Kapazit√§t verlieren ist eine gewisse √úberdimensionierung von Vorteil. Auch Spannungsspitzen wie sie beim Einschalten von Ger√§ten entstehen, sollten ber√ľcksichtigt werden. Und nicht zuletzt sollte die Kapazit√§t f√ľr eventuelle sp√§tere 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 f nach der Gleichung P = S * cos f

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 √úberbr√ľckungszeit?

Standard 5 - 10 Minuten

Wenn man l√§ngere √úberbr√ľckungszeiten ben√∂tigt, muss die USV entsprechend gr√∂sser dimensionieren.

Beispiel:

F√ľr einen PC mit TFT - Bildschirm ohne zus√§tzliche Peripherieger√§te reicht eine 500VA USV. Soll aber eine gr√∂ssere √úberbr√ľckungszeit gew√§hrleistet 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 k√∂nnen. Das heisst f√ľr einen normalen PC braucht es im Normalfall keine Online USV. Eine Line Interactive USV bietet im Preis/Leistungsverh√§ltnis den optimalen Schutz.

7. Einsatzgebiete (zum Inhaltsverzeichnis)

USV Anlagen finden ihr Einsatzgebiet hauptsächlich in folgenden Bereichen:

  • PC
  • Server
  • LAN-Knoten
  • Telefonanlagen (Telecom-Systeme)
  • Steuerungen
  • Klimaanlagen
  • Notstromversorgungen (z.B. Notbeleuchtungen)
  • Alarmanlagen
  • √úberwachungsanlagen
  • Kassensysteme
  • Automationsanlagen der Industrie
  • Zutrittskontrollsysteme
8. Umgebungsbedingungen einer USV (zum Inhaltsverzeichnis)

Um f√ľr 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 beeintr√§chtigt?
  • Welcher Verbraucher soll bei einem Netzausfall weiter versorgt werden und wie lange?
9. Wie lange funktioniert ein Computer ohne Spannungszufuhr? (zum Inhaltsverzeichnis)

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

 
10. USV im Netzwerkbetrieb (zum Inhaltsverzeichnis)

Mehr und mehr Leute arbeiten in einem lokalen Netzwerk und keiner k√ľmmert 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 daf√ľr vorgesehenen USV verwendet werden kann. (ab Windows 2000 bereits integriert.)

11. Welche Elemente sind zu welchem Zweck in einer USV enthalten? (zum Inhaltsverzeichnis)

11.1. Gleichrichter

Er wandelt die Eingangsspannung von 230V 50Hz (AC) in Gleichspannung (DC) f√ľr die Akkuaufladung um.

11.2. Akkumulator (Batterie)

Er ist der Energiespeicher der USV und ist in der Lage, bei Spannungsunterbr√ľchen die angeschlossenen Ger√§te mit Spannung zu versorgen.

11.3. Wechselrichter (Inverter)

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

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.

11.5. Störspannungsschutz

Er entfernt St√∂rspannungsspitzen, um die angeschlossenen Ger√§te zu sch√ľtzen.

11.6. Steuerelektronik

Sie pr√ľft st√§ndig die Netzspannung und erkennt Spannungsspitzen, Spannungsschwankungen oder Spannungsausf√§lle und kontrolliert die Ladung der Akkumulatoren. Sie √ľberwacht auch den Ausgang auf √úberlast.

12. Welche Spannungsformen weisen USVs auf? (zum Inhaltsverzeichnis)

12.1. Sinuswelle

Sinuswelle

Vorteile:

  • Sie entspricht der Wellenform aus dem Netz
  • Sie gen√ľgt allen Anspr√ľchen modernster Elektronik
  • Ausgangsspannung mit hoher Stabilit√§t

Nachteile:

  • Hohe Kosten des USV-Ger√§tes
  • Aufwendiges USV-Ger√§t mit komplizierter Elektronik

12.2. Stufenwelle

Rechteckwelle

Vorteile:

  • Eine Wellenform zwischen Sinuswelle und Rechteckwelle
  • Mittlere Kosten des USV-Ger√§tes
  • Einfacheres USV-Ger√§t mit weniger Elektronik

Nachteile:

  • Nicht ausreichende Qualit√§t f√ľr den Einsatz bei gewissen hochsensiblen Ger√§ten

12.3. Rechteckwelle

Stufenwelle

Vorteile:

  • Tiefe Kosten des USV-Ger√§tes
  • Einfaches USV-Ger√§t
  • Minimum an Elektronik

Nachteile:

  • Nicht empfehlenswert bei Ger√§ten mit induktiver Last (Elektromotoren, Drucker, etc.)
  • instabile Ausgangsspannung des USV-Ger√§tes, stark abh√§ngig von den angeschlossenen Ger√§ten
13. Welche Wellenform ist f√ľr PCs die beste? (zum Inhaltsverzeichnis)

Hier bestehen keine speziellen Anforderungen. Die heutzutage verwendeten Netzteile zur Spannungsversorgung in PCs akzeptieren jegliche Art der drei besprochenen Wellenformen.

14. Was sind die Gr√ľnde f√ľr St√∂rungen im Elektroversorgungsnetz? (zum Inhaltsverzeichnis)
  • St√ľrme, Blitze, Erdbeben
  • Kurzschl√ľsse, normale Stromabschaltungen
  • Elektromagnetische und hochfrequente St√∂rungen in Industriequartieren
15. Wie sieht die gestörte Netzspannung aus? (zum Inhaltsverzeichnis)

Netzspannung