USV-Klassifizierung

Der Einsatz von USV-Anlagen richtet sich nach der Art der Geräte, die versorgt und abgesichert werden müssen. Aber auch das Sicherheitsbedürfnis des Anwenders und der Einsatzort spielen eine wichtige Rolle. Eine kurze Erläuterung zum Einsatz bietet dieser Podcast (Ausschnitt, WDR5-USV):

Störungen im Stromversorgungsnetz

USVs werden eingesetzt, um bei Störungen im Stromnetz den Betrieb elektrischer Anlagen und Systeme zu gewährleisten. Aus folgender Darstellung wird ersichtlich, welche Störungen in Energieversorgungsnetzen auftreten und welche USV-Typen dagegen eingesetzt werden können:

Aufgaben der USV

Vor welchen Störungen eine USV schützen soll, ist vom Bedarf abhängig. Hoch empfindliche System benötigen eine aufwändige Absicherung, robuste Anlagen eventuell nur einen Grundschutz. Nicht jeder USV-Typ (VFD/VI/VFI) ist für alle Aufgaben gleich gut geeignet. Auswahl und Einsatz ist vom Schutzbedarf abhängig. Zusammenfassend lassen sich drei Hauptaufgaben der USV definieren:

  • Überbrücken von Stromausfällen
  • Filtern von Störungen aus dem Stromversorgungsnetz
  • Stabilisieren der Versorgungsspannung

Hinweis zu den Bezeichnungen der USV-Typen

Derzeit existieren zwei unterschiedliche Bezeichnungssysteme. In der Literatur oder Prüfungen werden mitunter beide Versionen verwendet. Die neuen Definitionen weisen auf die Funktionsweise der Systeme hin:

Einsatzgebiete und Klassifizierung

Die verschiedenen USV-Technologien haben jeweils ihre speziellen Einsatzgebiete. Je nach elektronischem Aufwand helfen sie einen Verbraucher nicht nur vor Netzausfall, sondern auch vor häufigen Unter- oder Überspannungen und vor sonstigen Netzstörungen zu schützen. Alle USV-Typen versorgen die angeschlossenen Geräte für eine gewisse Zeit bei einem Stromausfall. Die Filter- und Stabilisierungsfunktionen sind aber typabhängig.

VFD-Anlagen (Offline) sind bedingt durch ihre kompakte Ausführung, dem einfachen Aufbau und durch ihren günstigen Preis sehr gut dazu geeignet, vor allem kleinere EDV-Anlagen in Büroräumen oder Telekommunikationseinrichtungen abzusichern. Bei Stromausfall schaltet ein Transferschalter (auch Stromrichter/Powerline Conditioner(PLC)) von der primären Stromquelle (SV-Netz) auf die Versorgung durch den Akku. Diese Umschaltung benötigt Zeit (≤10ms) und ist nur bis ca. 5kVA technisch möglich.
Beachtet werden sollte, dass sie häufig keine Computerschnittstelle besitzen und somit keinen automatischen Shutdown ermöglichen.

Besser und kaum wesentlich teurer als vorgenannte USV-Typen sind die VI-Anlagen (Line Interaktive). Durch Ihr Funktionsprinzip können sie größere Netzschwankungen ausgleichen (durch AVR), ohne das sie auf Batteriebetrieb umschalten müssen. Je nach Gerätetyp erzeugen sie im Batteriebetrieb eine echte oder eine modifizierte Sinuswelle der Ausgangsspannung. Für reine PC-Anwendungen sind Geräte mit modifizierter Sinuswelle zumeist ausreichend. Eine höhere Sicherheit und Anwendungsbreite erreichen jedoch solche Geräte, die eine echte Sinuswelle erzeugen können. Netzinteraktive USVs besitzen fast immer eine Computer-Schnittstelle, die einen automatischen Shutdown ermöglicht. Kurz gesagt, sie sind die Allround-Geräte für die untere Datentechnik und für Stromnetze, die mit durchschnittlichen Spannungsschwankungen und Spikes belastet sind und sie sind dabei besonders kosteneffektiv.

VFI-Anlagen (Online) bieten eine optimale Absicherung gegen nahezu alle möglichen Arten von Netzstörungen. Durch die permanente und doppelte Wandlung der Netzspannung vom Eingang zum Ausgang werden auch Frequenzschwankungen, Transienten und Spikes hervorragend ausgefiltert. Die sinusförmige Ausgangsspannung ermöglicht eine Nachschaltung aller Arten von Verbrauchern. Diesem erstklassigen Schutz stehen allerdings auch einige Nachteile gegenüber. Aufgrund ihres hohen elektronischen Schaltungsaufwandes sind sie teurer im Vergleich zu den VFD- oder VI-USVs. Auch bewirkt dieser elektronische Schaltungsaufwand eine Verringerung des Wirkungsgrades und mitunter eine deutliche Wärmeerzeugung im Gerät, die mit Lüftern (Geräusch) abgeführt werden muss. Bei stark gestörtem Stromnetz oder bei sehr empfindlichen Anwendungen sind sie allerdings eindeutig erste Wahl.

Weitere Informationen zur USV-Klassifizierung finden Sie auch auf Herstellerseiten: z. B. AKI-USV oder AEG-Power-Solutions zum Thema USV.

USV-Auswahl und Dimensionierung

Die Auswahl und Dimensionierung einer geeigneten USV sind von verschiedenen Bedingungen abhängig:

  • Einsatzgebiet: Homeoffice oder Serverraum
  • Schutzbedarf (Filter, Überbrückung, Stabilisierung)
  • Empfindlichkeit der angeschlossenen Systeme
  • Überbrückungszeit
  • Wartungs- und Überwachungsmöglichkeiten
  • Bauform/Formformat

Dimensionierung

Die Leistungsangabe einer USV-Anlage erfolgt in Volt-Ampere (VA). In diese Leistung fließt die sogenannte Blindleistung mit ein. Ausschlaggebend für die richtige Dimensionierung ist der Leistungsfaktor oder auch cos phi genannt. In der Praxis wird mit Werten zwischen 0,6 und 0,7 (anzuwenden bei VFD- und VI-USVs) und zwischen 0,7 und 0,8 (bei VFI-Geräten) gerechnet. Als Faustregel gilt: USV-Leistung (VA) * Leistungsfaktor = USV-Leistung (W). Der erforderliche minimale Leistungswert der USV ist richtig ermittelt, wenn er der Summe der Leistungen aller anzuschließenden Einzelverbraucher entspricht. Allerdings sollte man eine gewisse Reserve berücksichtigen. Kosten und eine eventuell längere Überbrückungszeit (Autonomiezeit) sind weitere Gesichtspunkte.

Einfache Dimensionierung / Faustformel:

(Wirk-)Leistung des angeschlossenen Geräts [W] / 0,7 = Leistung der USV [VA]

Bei den meisten USV reicht diese Leistung dann für eine Überbrückungszeit von bis zu etwa 10 Minuten. Eine eventuelle Leistungsreserve muss ggf. dazugerechnet werden. Genaue Werte sollten dem Datenblatt einer USVzu finden sein.

Verschiedene Hersteller bieten Hilfen bei der Kalkulation und Auswahl: Online-USV.de: USV-Konfigurator APC: USV-Selektor

Batterien

USV-Batterien müssen als “Verschleißteil” betrachtet werden. Zur Verlängerung der Lebensdauer sind USV-Anlagen meist mit einem Batteriemanagementsystem ausgestattet, das die Batterien automatisch auf ihre Einsetzbarkeit überprüft und per optischer oder/und akustischer Signalisierung darauf hinweist, wenn Batterien ausgetauscht werden sollten. Die Leistungsfähigkeit der Batterien bzw. der USV kann auch manuell getestet werden, indem man einen “Netzausfall” simuliert.
USV-Batterien erreichen in der Regel eine Lebensdauer von 3-5 Jahre und sind wartungsfrei (also kein Nachfüllen von Wasser). Die Lebensdauer ist vom USV-Typ und damit auch von den Ladezyklen abhängig. Dabei können die Batterien auch lageunabhängig betrieben werden und sind meist auch für den Einsatz in Arbeitsräumen zugelassen. In großen VFI-Anlagen kommen auch Batterien mit einer Lebensdauer von 10 oder mehr Jahren zum Einsatz. Die Lebensdauer der Batterien ist neben der Häufigkeit von Entladezyklen auch stark von der Umgebungstemperatur abhängig.

Administration und Überwachung.

Die Monitoring- /Steuer-Schnittstelle der USV ermöglicht die Weiterleitung des Netz- u. USV-Zustandes an den Computer. Mit einer geeigneten Software ist ein Monitoring der USV und ein automatisches Schließen von Anwendungen und Abschalten des Systems möglich. Die Kommunikation erfolgt über serielle (RS 232), USB- oder Netzwerkschnittstellen, die einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen PC- und USV erlauben. Wichtig ist auch, dass sich virtualisierte Systeme über entsprechende Software herunterfahren oder verschieben lassen.