Unterbrechungsfreie Stromversorgung | USV
Ideen:
A. Grella, Elektronikschule Tettnang
Eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung - USV (engl. uninterruptible power supply - USP) garantiert bei Netztstörungen und Netzausfällen den kontinuierlichen Betrieb der IT-Netzinfrastruktur.
In vielen Rechenzentren wird aufgrund der gewünschten Verfügbarkeit mit einer USV gearbeitet. Auch in anderen Bereichen der kritischen Infrastruktur wie bspw. Krankenhäuser, aber auch in Industrie wird häufig eine USV eingesetzt. Darüber hinaus kommt durch die Zunahme an Fotovoltaikanlage auch vermehrt in Privathaushalten eine USV zum Einsatz.
In diesem Artikel werden die Grundlagen der unterbrechungsfreien Stromversorgung erklärt.
USV Klassifizierung - Qualität des Ausgangssignals
Stufe 1 - Netzspannungs- und Frequenzabhängigkeit
VFI (engl. voltage and frequency indipendent), auch online - Die USV regelt die Ausgangsspannung und Frequenz unabhängig vom Eingang.
VI (engl. voltage indipendent), auch line interaktiv - Die USV regelt die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung.
VFD (engl. voltag and frequency dependent), auch offline - Die USV regelt die Ausgangsspannung und Frequenz nur abhängig vom Eingang.
Stufe 2 - Kurvenform der Ausgangsspannung
S - Die Kurvenform ist sinusförmig mit einem Verzerrungsfaktor
D < 0,08 bei linearen und nichtlinearen Referenzlasten.
X - Die Kurvenform hat für nichtlineare Referenzlasten ein D > 0,08V.
Y - Die Kurvenform ist nicht notwendigerweise sinusförmig.
Stufe 3 - Unterbrechungszeit
Die Unterbrechungszeit wird in drei Werte unterteilt:
1 - tint = 0 ms, 2 - tint ≤ 2 ms und 3 - tint ≤ 10 ms.
Für jede USV werden nun 3 Werte mit drei Ziffern angegeben:
Ziffer 1 - bei Wechsel von Netz- auf Batteriebetrieb
Ziffer 2 - bei linearen Lastsprüngen im Netz- und Batteriebetrieb
Ziffer 3 - bei nichtlinearen Lastsprüngen im Netz- und Batteriebetrieb
| Stufe | Wert | ||
|---|---|---|---|
| 1 | VFI | VI | VFD |
| 2 | SS | XX | YY |
| 3 | 111 | 222 | 333 |
Aufgabe 1
Ein Rechenzentrum wird von einer USV mit der Klassifizierung VFI-Y-311 versorgt.
- Die Netzspannung fällt von 230 V auf 196 V. Erkläre wie sich die Ausgangsspannung verändert. Gib auch an wie sich diese bei einer line interaktiv und offline USV verändern würde.
- Zeichne zwei nicht sinusförmige Wechselspannungssignale.
- Der Netzbetrieb wird unterbrochen (Stromausfall). Erkläre wie lange die Verbraucher maximal ohne Stromversorgung sind.
Netzstörungen
Netzstörungen werden häufig nicht bemerkt, solange kein Netzausfall vorliegt. Jedoch kommen sie immer wieder vor und man unterscheidet verschiedene Arten von Netzstörungen (s. Tab. 2).
| Nr | Netzstörung | Dauer | USV |
|---|---|---|---|
| 1 | Netzausfall | > 10 ms | VFD |
| 2 | Spannungseinbrüche und Spannungsstöße | > 16 ms | VFD |
| 3 | Unter- und Überspannungen | kontinuierlich | VFI |
| 4 | Blitzeinwirkung und Spannungsspitzen | 20 ms | VFI und Überspannungsschutz |
| 5 | Frequenzschwankungen | sporadisch | VFI |
| 6 | Spannungsverzerrung und Oberschwingungen | kontinuierlich | VFI |
USV dimensionieren
Man ermittelt die Scheinleistung aller angeschlossenen Geräte.
Falls auf den Geräten die Wirkleistung P und cos φ gegeben sind ermittelt man die Scheinleistung mit S = P / cos φ.
Für Erweiterungen, erhöhten Einschaltstrom und Kapazitätsverlust des Akkus plant man eine Reserve von 10-30 %.
Ein Standardwert für die Autonomiezeit (Überbrückungszeit bis bspw. ein Dieselaggregat anspringt) sind 5-10 min.
Aufgabe 2
Die Firma Solarworld möchte ihr Rechenzentrum mit einer USV absichern. Die Netzspannung beträgt 230 V. Neben den beiden Servern, sollen drei PCs mit TFT-Monitoren und ein Switch und ein Router abgesichert werden.
Bestimmen Sie den Leistungsbedarf der USV unter Berücksichtigung einer Reserve von 25 %.
Folgende Werte sind bekannt:
- Webserver: 4 A
- Mailserver: 4,3 A
- PC: 230 W
- TFT-Monitor: 0,4 A und cos φ = 0,8
- Router: 120 mA
- Switch: 30 W
Aufgabe 3
Wählen Sie eine USV für folgende Geräte aus:
- Fileserver: 230 V / 5 A
- Virtualisierungsserver: 230V / 4 A
- Switch PoE: 230 V / max. 530 W
- Router: 230V / 2 A
- TFT Monitor: 230 V / 25 W, cos φ = 0,8
- Switch: 230 V / 15 W
Berechnen Sie die an die USV angeschlossene Last und wählen Sie eine geeignete USV unter Berücksichtigung einer Reserve von 30 %.
Folgende USVs stehen zur Auswahl:
USV 1: 230 V / 3200 W
USV 2: 230 V / 4000 W
USV 3: 230V / 5100 W
Aufgabe 4 Welche Aussage ist wahr?
Wähle die korrekten Aussagen aus.
Bestimme die Scheinleistung der Verbrauchers mit 30 W und cos φ = 0,8.
Wähle eine Antwort.
- 24 W
- 37,5 W
- 0,8 W
- 30 W
Nenne Vorteile einer VFI-USV.
Wähle beliebig viele Antworten.
- keine Umschaltzeit
- sehr preisgünstig
- volle Filterleistung
- hoher Wirkungsgrad
Nenne Vorteile einer VFD-USV
Wähle beliebig viele Antworten.
- Ausgangsspannung immer konstant
- keine Frequenzabhängigkeit
- preisgünstig
- hoher Wirkungsgrad
Nenne einen Vorteil der VI-USV.
Wähle eine Antwort.
- sie bietet einen Blitzschutz
- sie gleicht Frequenzschwankungen aus
- die Spannung ist trotz Netzschwankungen konstant
- bei Netzausfall versorgt sie endlos die Last
Englische und deutsche Wörter
| real power $P$ | Wirkleistung $P$ |
| reactive power $Q$ | Blindleistung $Q$ |
| apparent power $S$ | Scheinleistung $S$ |
| power factor $cos \phi$ | Wirkleistungsfaktor $cos \phi$ |
| reactive factor $sin \phi$ | Blindleistungsfaktor $sin \phi$ |
| real voltage $V_R$ | Wirkspannung $U_W$ |
| reactive voltage $V_X$ | Blindspannung $U_b$ |
| apparent voltage $V$ | Scheinspannung $U$ |
| resistance $R$ | ohmscher Widerstand $R$ |
| capcitive reactance $X_C$ | kapazitiver Blindwiderstand $X_{bC}$ |
| inductive reactance $X_L$ | induktiver Blindwiderstand $X_{bL}$ |
| impedance $Z$ | Scheinwiderstand $Z$ |