USV – Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Ein Stromausfall von wenigen Millisekunden genügt, damit ein Server abstürzt, eine Steuerung ihren Zustand verliert oder ein Datenträger beschädigt wird. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), englisch UPS, überbrückt solche Ausfälle mit einem Akku und einem Wechselrichter. Je nach Bauart schützt sie außerdem vor Spannungsschwankungen, Spitzen und Verzerrungen im Netz. Sie verbindet fast alles aus diesem Kapitel: Wechselspannung, Gleichrichtung, Scheinleistung und Leistungsfaktor.

Aufbau

Jede USV besteht aus denselben Grundbausteinen:

• Gleichrichter und Ladegerät: Wandelt Netzspannung in Gleichspannung und hält den Akku geladen.
• Akku: Meist verschlossene Bleiakkus (AGM), in neueren Geräten auch Lithium-Eisenphosphat (siehe Akkus im Vergleich).
• Wechselrichter: Erzeugt aus der Akkuspannung wieder 230 V Wechselspannung.
• Umschalter oder Bypass: Verbindet den Verbraucher je nach Bauart und Betriebszustand direkt mit dem Netz.

Die drei Bauarten unterscheiden sich darin, wie diese Bausteine zusammenspielen. Die Norm IEC 62040-3 (EN 62040-3, Nachfolgerin der älteren EN 50091-3) teilt sie nach ihrer Abhängigkeit vom Netz ein.

Offline-USV (VFD)

Im Normalbetrieb hängt der Verbraucher direkt am Netz, der Wechselrichter ist aus. Fällt die Spannung aus oder verlässt sie das Toleranzband, schaltet ein Relais auf den Wechselrichter um. Das dauert typischerweise 4 bis 10 ms; Störungen, die kürzer sind, bemerkt die USV gar nicht. Kleine Über- und Unterspannungen innerhalb des Toleranzbands gibt sie ungefiltert weiter, nur ein einfacher Überspannungsschutz ist meist eingebaut. Dafür ist sie billig und arbeitet im Normalbetrieb mit sehr geringen Verlusten. Die Kennzeichnung VFD steht für Voltage and Frequency Dependent: Ausgangsspannung und -frequenz hängen im Normalbetrieb vollständig vom Netz ab.

Die meisten PC-Netzteile überbrücken eine solche Lücke problemlos mit ihren Ladekondensatoren. Günstige Geräte liefern im Akkubetrieb oft keinen Sinus, sondern eine Treppenspannung („simulierter Sinus“). Einige Netzteile mit aktiver PFC reagieren darauf empfindlich.

Line-Interactive-USV (VI)

Wie die Offline-USV, aber mit einem regelbaren Spartransformator im Netzpfad. Er gleicht Unter- und Überspannungen aus, ohne auf den Akku umzuschalten (Voltage Independent). Die Akkus werden geschont, und die Geräte sind der typische Kompromiss für Arbeitsplätze, Netzwerktechnik und kleine Server. Die Umschaltzeit bei Ausfall ist mit etwa 2 bis 4 ms etwas kürzer als bei der Offline-USV, und solange der Wechselrichter nicht arbeitet, liegt der Wirkungsgrad bei 95 % und mehr.

Online-USV (VFI)

Die Online- oder Doppelwandler-USV versorgt den Verbraucher ständig über Gleichrichter und Wechselrichter. Der Akku hängt am Zwischenkreis dazwischen. Fällt das Netz aus, übernimmt der Akku einfach die Speisung des Zwischenkreises – ohne jede Umschaltung. Ausgangsspannung und Frequenz sind vollständig vom Netz entkoppelt (Voltage and Frequency Independent). Viele Geräte verkraften deshalb Eingangsspannungen in einem weiten Bereich, etwa von 160 bis 280 V, ohne den Akku zu belasten. Hat die USV zusätzlich einen Trenntransformator, filtert sie auch Störungen auf dem Neutral- und Schutzleiter.

Der Preis dafür: Die Energie wird ständig zweimal umgewandelt. Der Wirkungsgrad liegt bei 90 bis 95 %, die Geräte werden wärmer und haben oft hörbare Lüfter. Viele Online-USV bieten deshalb einen „Eco-Modus“, in dem sie wie eine Line-Interactive-USV arbeiten. Für Rechenzentren, Medizintechnik und empfindliche Messtechnik ist die Online-USV der Standard.

VA, Watt und Laufzeit

USV-Anlagen tragen zwei Leistungsangaben, etwa „1500 VA / 900 W“. Die VA-Zahl begrenzt den Strom, den der Wechselrichter liefern kann, die Wattzahl die Wirkleistung, die er umsetzen kann. Beide Grenzen müssen eingehalten werden. Moderne Computer-Netzteile mit PFC haben einen Leistungsfaktor nahe 1 – bei ihnen ist meist die Wattangabe die knappere.

Die Überbrückungszeit hängt von der Energie im Akku, dem Wirkungsgrad η des Wechselrichters und der Last ab. Die gespeicherte Energie E in Wattstunden ist Nennspannung mal Kapazität in Amperestunden. Eine grobe Abschätzung:

Auswahl und Betrieb

• Last ermitteln: Wirkleistung aller angeschlossenen Geräte addieren und 20 bis 30 % Reserve einplanen. Laserdrucker und Heizgeräte gehören nicht an eine USV – ihre Einschaltströme überlasten den Wechselrichter.
• Bauart wählen: Für PCs und Router genügt meist Line-Interactive, für Server und empfindliche Technik Online.
• Akkus pflegen: Bleiakkus halten in einer USV typischerweise drei bis fünf Jahre, bei hoher Umgebungstemperatur deutlich kürzer. Ein regelmäßiger Selbsttest zeigt, ob die Kapazität noch reicht.

Selbsttest