USV-Konzepte in KMU – Tipps zu Planung, Umsetzung und Wartung (Teil 2) Offline-, Line-Interactive- oder Online-USV? Spannungsprobleme maßgeblich!

Autor / Redakteur: Frank Repper, Eaton Power Quality / Stephan Augsten

Im ersten Beitrag dieser dreiteiligen Artikelserie haben wir die Stromverbraucher und ihre Anforderungen analysiert. Doch erst wenn man um mögliche Spannungsprobleme bei der Stromversorgung weiß, kann man die passende USV-Technologie auswählen. Dieser Artikel beleuchtet Herausforderungen und Möglichkeiten bei der kontinuierlichen Stromversorgung.

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Neben dem Spannungsstoß durch Blitzeinschlag schützt eine USV zusätzlich vor anderen Spannungsproblemen.
Neben dem Spannungsstoß durch Blitzeinschlag schützt eine USV zusätzlich vor anderen Spannungsproblemen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Systeme zur Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) haben zwei Aufgaben: Sie schützen die Geräte vor Spannungsausfällen und filtern zusätzlich die Spannung.

Entgegen des Idealfalls einer reinen, gleichmäßigen Sinusspannung weist die Spannung aus dem Versorgungsnetz häufig verschiedene Störungen wie Spannungseinbrüche oder harmonische Oberwellen auf. Abhängig davon, wie empfindlich die angeschlossenen Geräte sind, können diese Störungen erhebliche Schäden verursachen und zum Ausfall der Geräte führen.

Im Folgenden nennen wir die möglichen Spannungsprobleme, um uns dann den passenden USV-Ansätzen zu widmen.

Welche Spannungsprobleme gibt es?

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Spannungsausfall / Power Failure: Ein Spannungsausfall wird als Nullspannungsbedingung definiert, die mehr als zwei Zyklen dauert (bei 50 Hertz Netzfrequenz = 40 Millisekunden). Dies kann auf die Auslösung eines Unterbrechungsschalters sowie auf Spannungsverteilungs- oder Netzspannungsfehler zurückzuführen sein.

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Spannungseinbruch / Power Sag: Spannungseinbrüche sind Spannungen, die kurzzeitig 80 bis 85 Prozent unter dem Normalwert liegen. Sie können auftreten, wenn schwere Anlagen eingeschaltet, große elektrische Motoren gestartet und Starkstromleitungen geschaltet werden.

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Spannungsstoß / Power Surge: Spannungsstöße treten bei einer plötzlichen kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 6.000 Volt auf. Diese Spannungsspitzen gehen normalerweise auf Blitzschläge in der näheren Umgebung zurück.

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Unterspannung / Under Voltage: Dies bedeutet, dass die Spannung unter den zulässigen Grenzwert absinkt – für einige Sekunden oder sogar dauerhaft.

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Überspannung / Over Voltage: Eine Überspannung tritt auf, wenn die Spannung auf 110 Prozent über dem Normalwert steigt. Die häufigste Ursache hierfür ist die Abschaltung großer elektrischer Anlagen.

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Schaltspitze / Switching Transient: Schaltspitzen treten bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze von bis zu 20.000 Volt bei 10 bis 100 Mikrosekunden Dauer auf. Sie werden häufig durch sich selbst erhaltende Gasentladungen zwischen zwei Elektroden, sogenannte Lichtbögen, sowie statische Entladung verursacht.

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Störspannung / Line Noise: Elektrische Störspannungen, definiert als Hochfrequenzstörungen und elektromagnetische Störungen, haben unerwünschte Auswirkungen auf Schaltungen in Computersystemen oder anderen elektronischen Anlagen.

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Frequenzabweichung / Frequency Variation: Hierbei handelt es sich um eine Abweichung von der normalerweise konstanten Netzfrequenz (in Deutschland 50 Hertz oder zum Beispiel in den USA 60 Hertz).

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Harmonische Oberwelle / Harmonic Distortion: Harmonische Oberwellen sind Verzerrungen der normalen Wellenform und werden normalerweise von nicht linearen Lasten (zum Beispiel Leuchtstoffröhren) in die Netzleitungen übertragen.

Seite 2: USV-Typen für jeden Bedarf

USV-Typen für jeden Bedarf

Die Auswahl einer geeigneten Spannungsschutzlösung kann recht schwierig sein. Am Markt sind verschiedene USV-Typen mit vielen unterschiedlichen Schutzstufen und Technologien verfügbar – ein wahres „Spannungsschutz-Labyrinth“.

Zur Auswahl stehen Offline-Systeme, Online-Systeme und Line-Interaktive USVs. Unternehmen müssen dabei Schutzbedarf und Kostenfaktor gegeneinander abwägen: Die Technologie muss einerseits den Sicherheitsanforderungen des angeschlossenen Verbrauchers entsprechen, andererseits hinsichtlich Anschaffungs- und Instandhaltungskosten in angemessener Relation stehen.

Offline-USV-Systeme bieten Basisschutz

Stand-by-Systeme, auch „Offline-Systeme“ genannt, dienen als Basisschutz für einen einzelnen PC oder eine einzelne Workstation. Dies sind normalerweise die preisgünstigsten USVs. Sie bieten nur bei einem vollständigen Stromausfall eine Absicherung und haben keine herausragenden Funktionen zur Spannungsaufbereitung.

Offline-Systeme schützen vor

  • Stromausfall
  • Spannungseinbrüchen und
  • Spannungsstößen.

Als „Offline“-Systeme werden sie bezeichnet, weil der eingebaute Wechselrichter erst bei einem Spannungsausfall aktiv wird. Sinkt die Spannung unter einen bestimmten Wert, wechseln diese Einheiten über einen Schalter zur Versorgung des Wechselrichters durch Batteriespannung.

Dabei kommt es zu einer Verzögerung von zwei bis drei Millisekunden, die jedoch von vielen Computern überbrückt werden kann. Der Wechselrichter in der USV wandelt die Gleichspannung der Batterien in Wechselspannung um, die dann die Stromversorgung des Computers sichert.

Seite 3: Line-Interaktive USVs: Spannungsschutz für sensible Anwendungen

Line-Interaktive USVs: Spannungsschutz für sensible Anwendungen

Für sensible Anwendungen bieten sich Line-Interaktive USVs an, auch Voltage Independent-USVs (VI-USVs) genannt. Diese USVs werden vor allem in Bereichen eingesetzt, in denen die Spannungsaufbereitung für den Betrieb des Systems keine zentrale Bedeutung hat. Gute Beispiele hierfür sind kleine Servern in Büroumgebungen, Speichersystemen und Netzwerkkomponenten.

Line-Interaktive USVs sind hybride Lösungen mit Elementen der Offline- und Online-Systeme. Sie bietet einen größeren Schutzumfang und eine stabilere Ausgangsspannung als Offline-USVs und ist zugleich kostengünstiger als die reine Online-Technologie.

Line-Interaktive USVs liefern denselben Schutz wie Offline-Systeme und sichern zusätzlich vor

  • Unterspannung und
  • Überspannung.

Line-Interaktive USVs besitzen drei Betriebszustände:

1. Ist die Eingangsspannung in einem akzeptablen Bereich, wird diese durch die Line-Interaktive USV lediglich gefiltert und dann hindurchgeleitet. Das ist der erste Betriebszustand.

2. Liegt die Eingangsspannung außerhalb dieses Bereiches, aber noch innerhalb eines bestimmten vorgegebenen größeren Eingangsfensters, wird sie zusätzlich automatisch ausgeregelt und ebenfalls gefiltert. Dieser zweite Betriebszustand wird bei Eaton als sogenannter Buck-and-Boost- oder Double-Boost-Modus bezeichnet.

3. Außerhalb dieses vorgegebenen Eingangsspannungsbereiches wird die Last durch den Wechselrichter versorgt. Ein Gleichrichter wandelt die Eingangsspannung in Gleichspannung um, damit die Akkus vollgeladen bleiben, wenn die Netzspannung anliegt. Das ist der dritte Betriebszustand. Etwa zehn Prozent der USV-Leistung werden dafür benötigt – die Komponenten bleiben kühl.

Die Wellenform des von der Last verbrauchten Stroms wird hier allerdings nicht geändert. Der Vorteil dieser Technologie: Sie verbraucht weniger Energie und erzeugt wenig Abwärme, da der Strom nicht permanent gewandelt wird.

Ein Nachteil: die Umschaltzeit von einigen Millisekunden. Hinzu kommt, dass Line-Interaktive USVs in ihrer Kapazität begrenzt und daher nicht geeignet sind, besonders leistungsstarke Verbraucher zu schützen.

Seite 4: Online-Systeme und USV-Lösungen fürs 19-Zoll-Rack

Online-Systeme: Rund-um-die-Uhr-Schutz für unternehmenskritische Anwendungen

Für geschäftskritische und hochsensible Anwendungen ist ein absolut unterbrechungsfreier Betrieb rund um die Uhr entscheidend, permanente Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit sind unabdingbar. Hochsensible Verbraucher sind darüber hinaus auf eine saubere Spannung angewiesen – die kleinste Abweichung kann zu Störungen oder Ausfällen führen.

Sichergestellt wird dies mit sogenannten Online-Doppelwandler-USVs (Double Conversion). Sie kommen vor allem zum Einsatz, um kritische IT- und TK-Systeme, Netzwerkrechner, Web Server, zentrale Server und Computerräume, LANGateways, Bridges, Router und andere sensible Anwendungen im Unternehmen zu schützen.

Online-Systeme sichern Verbraucher vor allen wichtigen Spannungsproblemen, das heißt, sie schützen zusätzlich vor

  • Schaltspitzen,
  • Störspannungen,
  • Frequenzabweichungen und
  • harmonischen Oberwellen.

Online-Doppelwandler-Systeme wandeln die Spannung – wie der Name sagt – doppelt. Zunächst wandeln sie die Eingangswechselspannung mit dem Gleichrichter kontinuierlich in Gleichspannung um. Dazu lädt bei Bedarf ein „Ladegerät“ die Batterie, die zwischen Gleichrichter bzw. Lader und Wechselrichter geschaltet ist. Anschließend wird die Gleichspannung über den Wechselrichter wieder in eine konstante sinusförmige Wechselspannung umgewandelt.

Vorteile: Da die Spannung permanent gewandelt wird, gibt es keine Umschaltzeiten. Des Weiteren hat die USV durch die Doppelwandlung einen reinen Sinuswellenstrom am Ausgang. Alle wichtigen Spannungsprobleme werden eliminiert, und die Last wird mit reiner Sinusspannung versorgt. Allerdings benötigen Online-Doppelwandler-Systeme etwas mehr Energie und erzeugen somit auch mehr Wärme als Line-Interaktive Systeme.

Speziell fürs Rack: Rackmount- und Blade-USVs

Neben den gewöhnlichen Standgeräten sind Line-Interaktive und Online-Doppelwandler-USVs auch als Rackmount-Systeme (RM-USVs) im 19-Zoll-Format erhältlich. Unternehmen, die ihre IT- und Netzwerkkomponenten im Rack konfiguriert haben, können so auch die USV zusammen mit den zu schützenden Verbrauchern platzsparend unterbringen. Entscheidend bei RM-USVs sind kompaktes Design und hohe Leistungsdichte.

Eine Besonderheit stellen sogenannten Blade-USVs dar. Sie sind speziell zum Schutz besonders anspruchsvoller IT-Umgebungen wie „High Power“-Blade-Server und Rechnerumgebungen mit sehr hoher Leistungsdichte konzipiert.

Blade-Server bewirken eine kapazitive Verschiebung des Power-Faktors. Herkömmliche USV-Anlagen würden hier schnell an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Blade-USVs dagegen wurden speziell für Lasten dieser Art entwickelt und verfügen über einen entsprechend korrigierten Leistungsfaktor. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die hochskalierbare und modulare Architektur, sodass sich die USV-Leistung durch das parallele Installieren mehrerer Module problemlos erweitern lässt.

Nachdem wir nun die Herausforderungen und die verschiedenen USV-Technologien kennen, fehlen nur noch ein paar Aspekte bis zur endgültigen Entscheidung. Wichtige Kriterien für Unternehmen sind natürlich die Kosten- und die Energieeffizienz. Gleichzeitig spielen aber auch Faktoren wie Managing und Monitoring eine Rolle. Mit diesen Themen befasst sich der dritte und letzte Beitrag dieser Serie.

Sämtliche Illustrationen zur Darstellung der Spannungsprobleme (Powerballs) stammen von Eaton Power Quality.

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