Unterbrechungsfreie Stromversorgung: Vier USV-Konzepte für verschiedene Anwendungen

Systeme zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) überbrücken die Stromversorgung für eine bestimmte Zeit und verhindern einen Datenverlust während eines Stromausfalls. Die Länge dieser Überbrückungszeit hängt von der internen und externen Batterieanlage und der geforderten Leistung ab. Dabei muss die Laufzeit mindestens so dimensioniert sein, wie die zu schützenden Geräte benötigen, um ordnungsgemäß herunterzufahren – oder bis ein zusätzliches Notstromaggregat gestartet werden konnte und seine Arbeit aufgenommen hat. Bei Datenbanken etwa kann es bis zu einer halben Stunde dauern, bis das System heruntergefahren ist. Die verschiedenen Arten von USV-Systemen unterscheiden sich allerdings hinsichtlich ihrer Leistungsmerkmale. Ein Umstand, der bei Betreibern von Rechenzentren oft noch Verwirrung auslöst. Hartnäckig hält sich das Gerücht, es gäbe lediglich zwei Arten: in der Betriebsart Bereitschaft (Standby) und in der Betriebsart Online arbeitende Systeme. Gängig sind allerdings vier verschiedene USV-Arten. Damit Rechenzentrumsbetreiber je nach Anforderung das richtige System auswählen können, müssen sie also die Besonderheiten sowie Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Typen und ihrer Arbeitsweise verstehen. USV für den Bereitschaftsbetrieb USV-Anlagen für Bereitschaftsbetrieb werden am häufigsten für die Spannungsversorgung von Computern eingesetzt. Hier ist der Netzspannungsumschalter so konfiguriert, dass die gefilterte Netzwechselspannung als primäre Netzspannungsquelle gewählt wird. Bei einem Ausfall kommen Wechselrichter und Akku als Backup-Quelle zum Einsatz. In diesem Fall verbindet der Netzspannungsumschalter die Last mit dem Ausgang der USV. Der Wechselrichter wird nur bei einem Ausfall der Netzwechselspannung gestartet. Aus diesem Grund bezeichnen Hersteller diese Betriebsart als Bereitschaft. Derartige Systeme zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, geringe Abmessungen und niedrige Kosten aus. USV für linearen Bereitschaftsbetrieb (line-interaktiv) Geräte für den linearen Bereitschaftsbetrieb sind hauptsächlich zur Absicherung von Servern in kleinen Unternehmen vorgesehen. Der Wechselrichter ist hier stets mit dem Ausgang der USV verbunden. Ist die Netzwechselstimmung einwandfrei, wird die Wechselrichterelekt-ronik als Ladeelektronik für den Akku verwendet. Bei einem Ausfall öffnet sich der Netzspannungsumschalter, sodass der Wechselrichter die Akkuspannung in Wechselspannung umwandelt. Ist der Wechselrichter stets aktiviert, kann die USV im Gegensatz zu einer USV für den Bereitschaftsbetrieb Spannungsspitzen durch Umschaltung aus der Wechselspannung herausfiltern. Systeme dieser Art sind insbesondere für anspruchsvolle IT-Anforderungen geeignet. Sie bieten einen zuverlässigen Netzausfallschutz und sehr guten Wirkungsgrad. Zudem sind sie günstiger als Online-USVs. Der Nachteil: Sie weisen eine eingeschränkte Überbrückungszeit vor. USV mit Doppelwandlung USV-Geräte mit Doppelwandlung bieten einen kompromisslosen Netzausfallschutz und werden in erster Linie für die umschaltfreie Versorgung von Lasten mit einer Leistungsaufnahme von mehr als 10kvA verwendet. Der Unterschied zwischen einer solchen Online-USV und denen im Bereitschaftsbetrieb ist, dass sie keine Umschaltzeit benötigt, um die Last nach einem Ausfall der Netzwechselspannung zu übernehmen. Sowohl die Akkuladeeinheit als auch der Wechselrichter müssen in diesem Fall die gesamte Leistung zur Verfügung stellen. Die Ausgangsspannung wird bei dieser Art vom Wechselrichter geliefert, der gleichzeitig den Akku lädt. Ein Netzspannungsumschalter muss nicht aktiviert werden. Während der Wirkungsgrad dieser USV-Art vor wenigen Jahren noch niedrig war, kann er mittlerweile als hoch bezeichnet werden. Grund hierfür ist die Isolated-Gate-Bipolar-Transistor-Technologie (IGBT), die heute Stand der Technik in den führenden USV-Systemen ist. Dank dieser Halbleitertechnik sinkt der Stromverbrauch deutlich. Online-USV mit Delta-­Umwandlung Auch bei Online-USV mit Delta-Umwandlung wird die Last stets vom Wechselrichter mit Wechselspannung versorgt. Zusätzlich ist jedoch ein Delta-Wandler eingebaut. Er sorgt für einen noch besseren Wirkungsgrad: USV-Systeme mit Doppelwandlung wandeln die elektrische Energie zweimal um, nämlich einmal von Wechsel- in Gleichspannung zum Laden des Akkus und danach von Gleich- in die Ausgangswechselspannung zur Versorgung der Last. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Delta-Wandler hingegen übernimmt bei Mehr- oder Minderstromaufnahme bzw. Unter- oder Überspannung nur die Differenz (das Delta) und nicht die komplette Leistung dieser Umwandlung. Der Delta-Umwandler hat zwei verschiedene Aufgaben: Die erste ist die Steuerung der Charakteristik der Eingangswechselspannung. Hierdurch wird sichergestellt, dass in das Wechselstromnetz keine Störsignale eingespeist werden. Auf diese Weise wird auch eine Überhitzung und Beschädigung des Stromverteilungsnetzes vermieden. Die zweite Aufgabe des Konverters besteht darin, die Eingangsspannung zu glätten, um die sichere und ausreichende Ladung der Akkus zu gewährleisten. Im Grunde weist eine Online-USV mit Deltawandlung die gleichen Ausgangseigenschaften wie eine USV mit Doppelwandlung auf, jedoch unterscheiden sich die Eingangscharakteristiken. Die Regelung der Eingangsspannung macht diese USV-Art mit allen Generatorarten kompatibel und ermöglicht es, auf eine Überdimensionierung von Verkabelung und Generator zu verzichten. Der wichtigste Vorteil von USV-Geräten dieser Art ist eine erhebliche Reduzierung von Energieverlusten. Die USV-Systeme der letzten beiden Kategorien kommen in hochsensiblen und unternehmenskritischen Bereichen in der Computer- und Kommunikationstechnik von Unternehmen jeder Größe sowie öffentlichen Institutionen wie Universitäten, Krankenhäusern oder Rechenzent-ren zum Einsatz. Fazit Die einzelnen USV-Arten eignen sich für verschiedene Anwendungen. Aufgrund der unterschiedlichen Bedürfnisse der jeweiligen Geräte haben sich drei Klassen im USV-Bereich etabliert, die das International Engineering Consortium (IEC) unter der Produktnorm IEC62040-3 festgelegt hat. Entsprechend dieser Abhängigkeiten sind die drei USV-Typen den zehn Netzfehlern als differenzierte Lösungen zugeordnet worden. Diese Einstufung dient der Übersicht und der Entscheidungsfindung für den Anwender. Generell reichen für den Schutz der Computer am Arbeitsplatz Offline-USVs (Klasse 3) aus, die das beste Preis-Leistungsverhältnis bieten. Klasse-2-USVs (line-interaktiv) eignen sich am besten für die Spannungsversorgung von verteilten Servern und sind wegen der Möglichkeit zum Einbau in 19\“-Racks die am häufigsten eingesetzte USV-Art. Geschäftskritische Anwendungen benötigen Geräte der ersten Klassifizierung. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Aufbereitung der Netzwechselspannung.