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Ratgeber
Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (kurz: USV) schützt elektrische Geräte und Systeme vor Funktionseinbußen oder Beschädigungen, wenn Störungen im Stromnetz auftreten. Dabei kann es sich beispielsweise um Stromausfälle, aber auch um Spannungsschwankungen und Frequenzabweichungen handeln.
In unserem Ratgeber fassen wir zusammen, welche USV-Systeme es gibt, wie sie funktionieren und worauf bei der Auswahl zu achten ist.
Stromausfälle sind immer kritisch, können aber in manchen Bereichen besonders hohe Kosten verursachen oder sogar eine ernsthafte Gefahr für Leib und Leben darstellen. Das betrifft beispielsweise den medizinischen Sektor (Krankenhäuser, Pflegeeinrichtungen) und das Verkehrswesen (Eisenbahn-Stellwerke, Leitstellen). Versagen Geräte, die zum Zweck lebenserhaltender Maßnahmen eingesetzt werden, ihren Dienst, können Fahrwegelemente wie Weichen nicht mehr gestellt werden oder ist eine Überwachung des Regelbetriebs im Schienenverkehr aufgrund eines Stromausfalls nicht mehr möglich, kann das fatale Folgen haben. Konsequenzen haben Unterbrechungen der Stromzufuhr auch in der Industrie und Produktion, denn Verzögerungen und Ausfallzeiten industrieller Abläufe und Fertigungsprozesse sind meist mit einem erheblichen finanziellen Aufwand verbunden.
Im IT-Bereich können Stromausfälle ebenso weitreichende Auswirkungen haben. Werden Computer oder ganze Rechenzentren nicht mit ausreichend Strom versorgt, kann das in Systemabstürzen und Hardware-Schäden resultieren. Server, denen plötzlich der Strom fehlt, werden nicht kontrolliert heruntergefahren. Wichtige Daten gehen unwiderruflich verloren, wenn es kein Back-Up gibt, auf das man nach dem Hochfahren zurückgreifen kann. Das kann Arbeitsprozesse erheblich beeinträchtigen und ist vor allem bei geschäftskritischen Anwendungen folgenreich.
Zwar treten Stromausfälle in Deutschland verhältnismäßig selten auf und dauern, wenn es dazu kommen sollte, nur ein paar Sekunden oder wenige Minuten – diese können aber schon ausreichen, um sensible Systeme zu destabilisieren. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) bietet in solchen Situationen Sicherheit. USVs verfügen über leistungsstarke Akkus, die die Stromversorgung angeschlossener Geräte bei einem Stromausfall übernehmen. Je nach Akkukapazität reicht die Überbrückungsdauer von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden, was es ermöglicht, den Betrieb laufender angeschlossener Systeme für eine gewisse Zeit aufrechtzuerhalten. Währenddessen können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um die reguläre Stromversorgung wiederherzustellen.
USV-Anlagen schützen nicht nur bei Stromausfall, sondern auch bei andersartigen Störungen im Stromnetz, beispielsweise Unterspannungen infolge von Kurzschlüssen oder Überspannungen, die nach Blitzeinschlägen in der Umgebung oder das Abschalten großer Lasten entstehen können. Spannungsschwankungen können bei empfindlichen Geräten bereits zu Funktionseinbußen oder sogar zu Beschädigungen führen. USV-Anlagen sind in der Lage, solche Unregelmäßigkeiten auszugleichen und angeschlossene Verbraucher mit konstantem Strom zu versorgen.
USV-Systeme werden abhängig von ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise in drei unterschiedliche Typen eingeteilt: Offline-, Line-Interactive- und Online-USVs.
Offline-USV
Eine Offline-USV, auch Standby-USV oder passive USV genannt, ist ein VFD-System. VFD steht für Voltage and Frequency Dependent (from mains supply), was bedeutet, dass Spannung und Frequenz stromnetzabhängig sind und nicht ausgeglichen werden können. Eine Offline-USV schützt lediglich vor totalen Netzausfällen. Die angeschlossenen Geräte beziehen ihren Strom direkt vom Stromnetz. Die USV leitet den Strom einfach vom Eingang zum Ausgang weiter, ohne die Qualität der Spannungsversorgung in irgendeiner Weise zu beeinflussen. Bei Stromausfall sowie bei Unter- und Überspannung schaltet das System auf die integrierten Batterien bzw. Akkus um. Diese werden während des Normalbetriebs über einen Ladegleichrichter wieder aufgeladen. Die Vorteile einer Offline-USV liegen in einem hohen Wirkungsgrad (ca. 95%) und günstigen Anschaffungskosten. Gegen eine Offline-USV-Lösung sprechen allerdings lange Umschaltzeiten und die lastabhängige Ausgangsspannung, die sich aufgrund ihrer Trapezform zudem nicht für empfindliche Verbraucher eignet. Offline-USV-Systeme werden häufig zur Absicherung von einzelnen PCs, Kleinst-Verbrauchern oder einfachen Telekommunikationsanlagen (TK-Anlagen) verwendet.
Line-Interactive-USV
Bei einer Line-Interactive-USV, auch netzinteraktive USV genannt, handelt es sich um ein VI-System. VI ist die Abkürzung für Voltage Independent (from mains supply), das heißt, die Spannung ist in diesem Fall stromnetzunabhängig. Wie bei Offline-USVs werden die angeschlossenen Geräte im Normalbetrieb direkt vom Stromnetz mit Energie versorgt. Allerdings kann ein Line-Interactive-System auftretende Über- oder Unterspannungen mithilfe einer automatischen Spannungsanpassung kompensieren. Es schützt also nicht nur bei totalem Netzausfall, sondern auch bei Spannungsschwankungen. Kernkomponente ist ein bidirektionaler Wechselrichter. Er ist in der Lage, eine am Eingang anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln, die als Ladespannung für die Akkus verwendet werden kann, und umgekehrt aus der Gleichspannung der Akkus eine Wechselspannung am Ausgang zu erzeugen. Für ein Line-Interactive-System sprechen ein hoher Wirkungsgrad (95-98%), geringe Umschaltzeiten sowie der integrierte Unter- und Überspannungsschutz. Aufgrund der sinusförmigen Ausgangsspannung eignet sich dieser Typ von USV auch für empfindliche Verbraucher. Ein Nachteil ist, dass die Spannungskorrektur entweder in Stufen oder durch Gegenregelung erfolgt, was die Akkus belastet. Line-Interactive-Systeme werden zur Absicherung einzelner Computersysteme und Netzwerke sowie größerer TK-Anlagen verwendet. Für hochsensible Anwendungen sind sie weniger gut geeignet.
Online-USV
Eine Online-USV, auch Dauerwandler-USV genannt, ist ein VFI-System. VFI steht für Voltage and Frequency Independent (from mains supply), Spannung und Frequenz sind also vom Stromnetz unabhängig. Online-USVs bieten maximalen Schutz, indem sie bei totalem Netzausfall schützen und sowohl Schwankungen der Netzspannung als auch der Netzfrequenz ausgleichen. Möglich macht das die Kombination aus Gleichrichter und Wechselrichter. Der Gleichrichter wandelt die eingehende Wechselspannung in eine Gleichspannung um, worüber die Akkus geladen werden können. Der nachgeschaltete Wechselrichter bezieht seine Energie entweder direkt vom Gleichrichter oder ebenfalls von den Akkus und wandelt die Gleichspannung am Ausgang wieder in eine Wechselspannung um. Dabei handelt es sich um eine reine Sinuswellenspannung, die auch für besonders empfindliche Geräte geeignet ist. Das Besondere an der Online-USV ist, dass die angeschlossenen Verbraucher permanent über die Akkus mit Energie versorgt werden. Aufgrund dessen gibt es keine Umschaltzeiten. Abstriche muss man jedoch im Hinblick auf den Wirkungsgrad machen. Dieser beträgt lediglich 90-91%, was darin begründet liegt, dass aufgrund des Dauerwandels von Wechsel- in Gleichspannung und Gleich- in Wechselspannung elektrische Verluste und Wärme entstehen. Das erfordert zum einen eine Kühllösung und hat zum anderen zur Folge, dass die Lebensdauer der Akkus aufgrund der Dauerbelastung begrenzt ist. Nichtsdestoweniger sind Online-USVs dringend anzuraten, wenn es um sicherheits- und unternehmenskritische Anwendungen geht, und werden vorrangig im Bereich Server- und Datenkommunikation genutzt.
Computer-Stromverteiler, auch PDUs (Power Distribution Units) genannt, ermöglichen ein effizientes Energiemanagement innerhalb moderner IT-Infrastrukturen und sind eine nützliche Ergänzung zu USV-Systemen. Sie werden üblicherweise zum Zweck der Stromverteilung in 19“-Schränken eingesetzt und ermöglichen es, mehrere angeschlossene Verbraucher wie Server oder Switches mit Energie zu versorgen. Äußerlich haben PDUs Ähnlichkeit mit klassischen Schuko-Steckdosenleisten, sind aber oft mit anderen Arten von Steckdosen (bspw. Kaltgerätesteckdosen vom Typ C13) ausgestattet. Sie bieten mitunter eine automatische Lastverteilung und einen Überlastschutz, der die Stromversorgung zu den Endgeräten unterbricht, sobald die maximale Leistung der PDU überschritten ist. Dadurch wird nicht nur einer Überlast des Stromverteilers, sondern auch einer vorgeschalteten USV vorgebeugt.
Hochwertige PDUs lassen sich individuell konfigurieren und bringen eine Reihe weiterer Zusatzfeatures mit. So lassen sich bei manchen Steckdosenleisten einzelne Steckdosen über eine Fernsteuerung aktivieren beziehungsweise deaktivieren. Zudem sind einige Modelle in der Lage, den Stromverbrauch einzelner Verbraucher zu messen, so dass speziell in umfangreichen und komplexen IT-Strukturen stromintensive Geräte schnell aufgespürt und gegebenenfalls ausgetauscht werden können. Da PDUs für den Einbau in 19“-Racks vorgesehen sind, sind sie in entsprechenden Bauformen erhältlich, also als Rack-mount PDUs, vertikale PDUs und Inline-PDUs.
Bei der Auswahl einer unterbrechungsfreien Stromversorgung gilt es einige Dinge zu berücksichtigen. Für einfache Geräte ohne teure Komponenten ist eine Offline-USV (Klasse 3) normalerweise ausreichend. Geht es um den Schutz von Arbeitscomputern, Workstations und Servern, sollte es mindestens Line-Interactive-USV (Klasse 2) sein. Für ein Rechenzentrum und geschäftskritische Anwendungen kommt man um eine USV mit Doppelwandler-Online-Technologie (Klasse 1) nicht herum. Um den Betrieb leistungsstarker Industrie-PCs aufrechtzuerhalten und Ausfallzeiten zu minimieren, kommen industrielle USV-Anlagen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um Hochleistungs-USV-Systeme, die speziell für industrielle Anwendungen konzipiert sind. Sie können in vielen Fällen mithilfe einer Energiemanagement-Software individuell konfiguriert und an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden.
Des Weiteren sind Ausstattung und Leistung des USV-Systems in den Blick zu nehmen. Zum einen müssen ausreichend viele Ausgänge zur Verfügung stehen, um die benötigte Anzahl an Endgeräten anschließen zu können. Zum anderen muss die USV-Leistung richtig dimensioniert sein. Sie hängt maßgeblich vom Stromverbrauch der angeschlossenen Verbraucher ab. Zudem muss die Leistung mindestens so kalkuliert sein, dass genügend Zeit bleibt, um die Geräte bei Stromausfall oder Spannungsschwankungen sicher herunterzufahren (Shutdown). In dem Zusammenhang spielt auch die Überbrückungszeit eine Rolle. Sie gibt an, wie lange USV-Geräte im Ernstfall mit Strom versorgt werden können. Sinnvoll ist, immer eine Leistungsreserve von mindestens 15 bis 25% hinzuzurechnen, um die USV beim Anschluss neuer Geräte nicht sofort aufrüsten zu müssen.
Bedenken Sie, dass es unterbrechungsfreie Stromversorgungen in unterschiedlichen Bauweisen gibt. Sie erhalten Stand-Alone-Geräte für Büroanwendungen, aber auch 19 Zoll USVs für den Einbau in Server-Racks. Für 19 Zoll USV-Lösungen benötigen Sie gegebenenfalls 19 Zoll USV-Battery-Packs und passendes Zubehör. Für Stand-Alone-Geräte gibt es USV-Anlagen-Akkus, Battery-Packs und USV-Zubehör in anderen Formaten und Größen.
Beim Kauf eines Computer-Stromverteilers sind die Art und Anzahl der zur Verfügung stehenden Steckdosen und die maximale Stromstärke relevant. Prüfen Sie außerdem, für welche Eingangsspannung der Verteiler ausgelegt ist. Nicht alle PDUs bieten Funktionen wie einen Überspannungsschutz oder die Möglichkeit, den Stromverbrauch zu überwachen. Informieren Sie sich daher vor dem Kauf, ob der Verteiler die benötigten Funktionen mitbringt.
Wenn ein FI-Schutzschalter beim Betrieb einer unterbrechungsfreien Energieversorgung vorgeschrieben ist, sollte dieser möglichst hinter dem Ausgang der USV installiert werden. Ist das nicht der Fall, kann es zu einem unerwünschten Auslösen des Schutzschalters kommen.
Was versteht man unter dem CEE-Steckersystem?
Das CEE-Steckersystem wurde eingeführt mit dem Ziel, die in europäischen Ländern verwendeten Stromstecker zu harmonisieren. So werden zum Beispiel in Deutschland gebräuchliche Schutzkontakt-Steckdosen als CEE 7/3, Schutzkontakt-Stecker als CEE 7/4 und Euro-Stecker als CEE 7/16 bezeichnet. Die Begriffe CEE-Stecker und CEE-Steckdosen haben sich jedoch vor allem für Drehstromstecker etabliert, auch wenn Schutzkontakt- und Euro-Stecker ebenfalls nach dem CEE-System normiert sind. Drehstrom, auch Dreiphasenwechselstrom oder umgangssprachlich Starkstrom genannt, wird für den Betrieb von elektronischen Geräten und Maschinen mit besonders hoher Leistung benötigt, wie man sie beispielsweise auf Baustellen, in Werkstätten und auch in Produktionsumgebungen findet.
Welche Vorteile haben Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Blei-Gel-Batterien und Blei-Vlies-Batterien?
Lithium-Ionen-Akkus sind Blei-Gel- und Blei-Vlies-Akkus in einigen Punkten überlegen: Zum einen ist ihre Energiedichte höher, so dass Li-Ionen-Batterien bei gleicher Kapazität wesentlich kompakter gebaut werden können. Zum anderen haben Li-Ion-Batterien eine längere Lebensdauer.
Was unterscheidet Computer-Stromverteiler von Baustromverteilern?
Baustromverteiler und Computer-Stromverteiler dienen beide der Stromversorgung angeschlossener Verbraucher, allerdings werden Baustromverteiler auf Baustellen oder in Werkstätten eingesetzt und arbeiten hauptsächlich mit Starkstrom. Sie sind als CEE-Stromverteiler realisiert, also mit Drehstromsteckdosen für die Aufnahme entsprechender CEE-Stecker ausgestattet. Des Weiteren sind Baustromverteiler ausschließlich als Standgeräte oder Wandverteiler ausgeführt, während Computer-Stromverteiler auch in Netzwerkschränken untergebracht werden können. Zu guter Letzt gilt die Schutzart IP44 für Baustromverteiler als Mindestanforderung, da auf Baustellen und in Werkstätten üblicherweise raue Umgebungsbedingungen herrschen. IP44 steht für einen Schutz vor Fremdkörpern ab 1 mm Durchmesser, Zugang mit einem Draht und Spritzwasser. PDUs müssen nicht derart robust gebaut sein, wenngleich es durchaus Varianten mit IP44-Schutz für anspruchsvolle Umgebungen gibt.