Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), englisch Uninterruptable Power Supply (UPS), wird von Kunden der Energieversorgungsunternehmen eingesetzt, um bei Störungen in deren Stromnetz die Stromversorgung sicherzustellen. Entgegen der Bezeichnung kann die Stromversorgung bei einfachen Ausführungen für wenige Millisekunden unterbrochen sein.

USV finden unter anderem in Krankenhäusern, Leitstellen und Rechenzentren Verwendung. Sie werden in die Stromzuleitung der zu sichernden Anlagen oder Geräte eingefügt.

Störungen

Je nach Aufbau schützt eine USV die angeschlossenen Systeme vor folgenden Störungen:

Stromausfall
Unterspannung
Überspannung
Frequenzänderungen
Oberschwingungen

Stromausfälle kommen in Westeuropa relativ selten vor. Durch das Schalten großer Ströme treten aber ständig ungewollte Rückwirkungen auf das Stromnetz auf. Zum Beispiel rufen Kurzschlüsse und die Einschaltströme von Schweißstromquellen oder größeren Elektromotoren Spannungsabsenkungen hervor. Spannungsanhebungen treten zum Beispiel durch das Abschalten großer Lasten oder durch entfernte Blitzeinschläge auf. Empfindliche Geräte können dadurch in ihrer Funktion beeinträchtigt oder beschädigt werden. Die Energieversorger regeln die Netzspannung und die Netzfrequenz an den Einspeisepunkten ins Stromnetz zwar ständig nach, gleichen dadurch aber nur die Summe der Störungen aus. USV können dagegen lokale Schwankungen ausgleichen, indem sie die Geräte mit elektrischer Energie aus Akkumulatoren speisen, die ständig aus dem Stromnetz nachgeladen werden.

Ausstattung

Eine USV besteht aus Akkumulatoren, Stromrichtern und einer elektronischen Steuerung und Regelung.

In Serie hergestellte USV sind ab einer Leistung von etwa 300 Watt bis hin zu mehreren 100.000 Watt erhältlich. Die Leistung ist im Wesentlichen von der Belastbarkeit der Stromrichter abhängig. Ein weiteres wesentliches Merkmal einer USV ist die maximale Überbrückungszeit, die von der Kapazität der Akkumulatoren abhängt. Sie kann je nach Anforderung wenige Sekunden oder mehrere Stunden betragen. USV, deren Überbrückungszeit durch zusätzliche Akkumulatoren verlängert werden kann, sind ab einer Leistung von etwa 1500 W erhältlich. Bei großem Bedarf an Leistung und Überbrückungszeit kommen auch Stromerzeugungsaggregate zum Nachladen der Akkumulatoren zum Einsatz.

Computer in Rechenzentren werden bei einem Stromausfall automatisch herunterfahren, bevor die Überbrückungszeit abgelaufen ist. Geöffnete Dateien, zum Beispiel sensible Datenbanken, werden so kontrolliert geschlossen, um Datenverlust zu verhindern. Server und USV kommunizieren zu diesem Zweck standardmäßig über die Schnittstelle RS-232, optional über Ethernet, inzwischen vereinzelt auch über USB. Über diese Verbindung kann die USV auch überwacht, gesteuert und eingestellt werden. Bei einer Verbindung über Ethernet ist dazu üblicherweise keine spezielle Software, sondern lediglich ein Webbrowser notwendig. Die entsprechenden Funktionen sind in der Firmware der USV angelegt.

Die Grundfunktionen einer USV umfassen in der Regel einen regelmäßigen automatischen Belastungstest, bei dem die Akkumulatoren im laufenden Betrieb mit der angeschlossenen Last entladen werden. Nach 3 bis 4 Jahren, spätestens nach der vom Hersteller angegebenen Lebensdauer, sollten die Akkus jedoch in jedem Fall ersetzt werden.

Bei der Frage der Umschaltzeiten ist zu berücksichtigen, dass Kondensatoren und Spulen der Netzteile ausreichend Energie für einige Millisekunden speichern, denn bei der Versorgung durch Wechselspannung mit 50 Hz gibt es 100 reguläre Nullpunkte pro Sekunde. Bei sensiblen Geräten sind jedoch besonders kurze Umschaltzeiten erforderlich.

Kategorien

VFD (Voltage and Frequency Dependent)

USV dieser Kategorie leiten den Strom im Normalbetrieb direkt vom Eingang an den Ausgang weiter. Außerdem wird vom Eingang ein Gleichrichter versorgt, der die Akkumulatoren lädt. Sollte die Netzversorgung abbrechen, wird der Ausgang auf einen Wechselrichter umgeschaltet, der aus den Akkumulatoren gespeist wird. Die Umschaltung erfolgt je nach Modell mit einer Verzögerung von bis zu 10 Millisekunden. Für einige sehr empfindliche Geräte kann dies bereits zu lange sein. Im Normalbetrieb ist die Höhe und die Frequenz der Ausgangsspannung direkt abhängig von der Eingangsspannung.

VFD-USV schützen nur vor den Folgen eines Stromausfalls. Sie werden auch mit den Begriffen "Offline", "Stand-by", "Bereitschaftsbetrieb" oder "passiver Mitlaufbetrieb" bezeichnet.

VI (Voltage Independent)

In USV dieser Kategorie wird ein Umrichter als zentrales Bauteil eingesetzt. Er erzeugt je nach Bedarf aus der Wechselspannung am Eingang die Gleichspannung zum Laden der Akkumulatoren oder aus der Gleichspannung der Akkumulatoren die Wechselspannung am Ausgang. Weil der Umrichter außerdem fortlaufend die Höhe der Spannung am Ausgang begrenzt, ist diese weitgehend unabhängig von der Höhe der Spannung am Eingang. Sofern eine Spannung am Eingang anliegt, bestimmt deren Frequenz aber die Frequenz der Spannung am Ausgang. Die Umschaltzeit bei Stromunterbrechung ist kürzer als bei VFD-USV und liegt bei etwa 2 - 4 ms.

VI-USV schützen nicht nur vor den Folgen eines Stromausfalls, sondern auch vor Unterspannung und Überspannung. Sie werden auch mit den Begriffen "Line-Interactive", "Single-Conversion", "Delta-Conversion" oder "aktiver Mitlaufbetrieb" bezeichnet.

VFI (Voltage and Frequency Independent)

Bei USV dieser Kategorie ist der Eingang direkt auf einen Gleichrichter geführt, der die Akkumulatoren speist. Der Ausgang wird ausschließlich von einem Wechselrichter versorgt, der die notwendige Energie aus den Akkumulatoren bezieht. Die Wechselspannung am Ausgang wird in jedem Fall unabhängig von der Eingangsspannung aus Gleichspannung erzeugt. Damit die Akkumulatoren im laufenden Betrieb gewechselt werden können, müssen VFI-USV über eine so genannte Bypass-Schaltung verfügen. Weil alle Bauteile ständig mit dem vollen Betriebsstrom belastet sind, müssen sie besonders hochwertig sein und machen diese Bauart zur teuersten.

VFI-USV schützen vor allen oben aufgelisteten Störungen. Sie werden auch mit den Begriffen "Online", "Double-Conversion", "Dauerbetrieb" oder "Dauerumwandler" bezeichnet.

Siehe auch

IT-Grundschutz

Literatur

EN 62040: Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV)

Elektrische Energie

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