Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Grundprinzip und Bedeutung

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), englisch Uninterruptible Power Supply (UPS), stellt die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicher, wenn Störungen im Stromnetz auftreten. Sie ist von einer Ersatzstromversorgung oder Netzersatzanlage zu unterscheiden: Bei dieser kommt es während der Umschaltung zu einer kurzen Unterbrechung.

USV-Geräte werden wegen ihrer Kosten und zusätzlichen Komplexität vor allem in Krankenhäusern, Leitstellen, Eisenbahn-Stellwerken und Rechenzentren eingesetzt. In Regionen mit schlechter Stromversorgung finden sie auch in kleinen Büros oder zu Hause (SoHo) Verwendung. Einfache USV können beim Umschalten die Stromversorgung für einige Millisekunden unterbrechen; die meisten Verbraucher tolerieren dies ohne Funktionseinbußen.

Die zentrale Funktion beruht meist auf Akkumulatoren, die ständig aus dem Stromnetz nachgeladen werden. Bei einer Störung versorgt die USV die angeschlossenen Geräte mit der gespeicherten elektrischen Energie und gleicht dadurch lokale Schwankungen oder Ausfälle aus.

Störungen und Schutzfunktionen

Je nach Aufbau schützt eine USV vor:

• Stromausfall
• Unterspannung
• Überspannung
• Frequenzabweichung
• Oberschwingungen

Größere Stromausfälle sind in der EU relativ selten; für Deutschland werden 17 Minuten pro Jahr angegeben. Häufiger entstehen durch das Schalten großer Ströme Rückwirkungen auf das Netz. Kurzschlüsse sowie die Einschaltströme von Schweißstromquellen oder größeren Elektromotoren können Spannungsabsenkungen verursachen. Spannungsanhebungen können beispielsweise durch das Abschalten großer Lasten oder durch entfernte Blitzeinschläge entstehen. Empfindliche Geräte können dadurch beeinträchtigt oder beschädigt werden.

Energieversorger regeln Netzspannung und Netzfrequenz zwar ständig an den Einspeisepunkten nach, gleichen damit aber nur die Summe der Störungen aus. Eine USV kann dagegen lokale Störungen direkt ausgleichen. Umfang und Qualität des Schutzes hängen von der Bauart ab: VFI-USV schützen zusätzlich vor Frequenzschwankungen und Oberschwingungen und bieten sporadischen Schutz vor Blitzeinwirkungen und Spannungsverzerrungen (Burst).

Aufbau, Leistung und Betrieb

Weit verbreitet sind batteriegestützte USV. Eine solche Anlage besteht im Wesentlichen aus Akkumulatoren, Stromrichtern und einer elektronischen Regelung. Bei Einzelplatz-USV werden meist Blei-Vlies-Batterien (AGM) oder Blei-Gel-Batterien verwendet, bei Leistungs-USV Bleiakkumulatoren. Möglich sind außerdem NiCd-Akkus, die unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen sind, sowie selten Li-Ionen-Batterien. Andere Anlagen nutzen eine Schwungradspeicherung; solche rotationsgestützten USV kommen gewöhnlich als Teil größerer Ersatzstromanlagen zur kurzfristigen Überbrückung zum Einsatz.

Seriengeräte sind ab etwa 300 VA bis zu mehreren 100 kVA erhältlich. Die Leistung hängt im Wesentlichen von der Belastbarkeit der Stromrichter ab. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die maximale Überbrückungszeit, die von der Akkukapazität abhängt und je nach Anforderung wenige Sekunden oder mehrere Stunden betragen kann. Anlagen mit zusätzlichen Akkumulatoren zur Verlängerung der Überbrückungszeit gibt es ab etwa 1500 VA. Bei großem Leistungs- und Zeitbedarf können Stromerzeugungsaggregate die Akkumulatoren nachladen.

Schwungradanlagen speichern Energie in einer mehrere 100 kg schweren Schwungscheibe. Diese wird durch die Netzspannung angetrieben und gibt bei Stromausfall Energie ab. Die Überbrückungszeit ist dadurch begrenzt. Deshalb werden solche Anlagen meist mit einem Dieselaggregat kombiniert. Die USV überbrückt dann nur die Zeit, die das Aggregat zum Anlaufen und Erreichen der Nennleistung benötigt. Diese Bauart ist erst ab einer gewissen Größe lieferbar und nicht für private Haushalte ausgelegt.

In kleineren Rechenzentren werden Computer bei einem Stromausfall automatisch heruntergefahren, bevor die Überbrückungszeit abläuft. Geöffnete Dateien, etwa sensible Datenbanken, können so kontrolliert geschlossen werden. Server und USV kommunizieren dafür meist über Ethernet beziehungsweise SNMP, vereinzelt über RS-232 oder USB. Über diese Verbindung lässt sich die USV überwachen, steuern und einstellen; bei Ethernet genügt üblicherweise ein Webbrowser, weil die Funktionen in der Firmware liegen. In größeren Rechenzentren dienen Akkumulatoren nur dazu, die Zeit bis zum Start und zur Nennleistung der Notstromgeneratoren zu überbrücken.

Zur Grundfunktion gehört in der Regel alle 24 Stunden ein automatischer Belastungstest. Dabei werden die Akkumulatoren im laufenden Betrieb mit der angeschlossenen Last entladen. Bei 10-Jahres-Batterien sollen die Akkus spätestens nach acht Jahren, bei 5-Jahres-Batterien spätestens nach vier Jahren vollständig ausgetauscht werden. Netzteile speichern in Kondensatoren und Spulen für einige Millisekunden Energie; ATX-Netzteile müssen beispielsweise Ausfälle bis 17 ms überbrücken können. Für besonders empfindliche Geräte, die sehr kurze oder keine Umschaltzeiten tolerieren, ist eine Line-Interactive-USV (VI) oder Online-USV (VFI) erforderlich. Bei Laserdruckern und Kopierern ist Vorsicht nötig, da sie in der Aufwärmphase ein Mehrfaches ihres normalen Energiebedarfs benötigen und die USV für diese Lastspitzen ausgelegt sein muss.

Bauarten nach dem Betriebsprinzip

Die Norm IEC 62040-3 unterscheidet bei der ersten Klassifizierungsstufe drei Klassen: VFI, VI und VFD.

VFI (Voltage and Frequency Independent from mains supply, Spannung und Frequenz unabhängig vom Netz) wird auch Online-, Double-Conversion-, Dauerbetriebs- oder Doppelwandler-USV genannt. Der Eingang führt zu einem Gleichrichter (GR), der die Akkumulatoren speist. Der Ausgang wird ausschließlich von einem Wechselrichter (WR) versorgt. Dieser bezieht die Energie im Normalbetrieb über den Gleichrichter und bei Netzausfall aus der Batterieanlage. Dadurch wird die Ausgangswechselspannung unabhängig von der Qualität der Eingangsspannung stets aus der Gleichspannung des Zwischenkreises erzeugt.

Eine parallel geschaltete Bypass-Schaltung versorgt die Verbraucher bei Überlast oder einem internen Fehler im Gleichrichter-Wechselrichter-Zweig unterbrechungsfrei weiter. Da Gleichrichter und Wechselrichter ständig mit dem vollen Betriebsstrom belastet werden, ist die VFI-Bauart besonders hochwertig und teuer. Die Umwandlung verursacht Verluste; deshalb sind die meist niedrigeren Wirkungsgrade bei Teillast für die Berechnung von Stromverbrauch und Kosten wichtig. Ein Wirkungsgrad von mehr als 95 % bei voller Last gilt heute als Standard. VFI-USV haben zugleich den höchsten Eigenstrombedarf: Als Faustregel benötigen sie im Leerlauf etwa 10 % ihrer Nennleistung, also etwa 85 W bei einer 850-VA-VFI-USV. Sie werden bevorzugt eingesetzt, wenn nur sehr geringe Ausfallzeiten zulässig sind, etwa in Rechenzentren.

VI (Voltage Independent from mains supply, Spannung unabhängig vom Netz) wird auch Line-Interactive, netzinteraktiv, Single-Conversion, Delta-Conversion oder aktiver Mitlaufbetrieb genannt. Ein bidirektionaler Wechselrichter lädt je nach Bedarf die Akkumulatoren oder erzeugt aus deren Gleichspannung die Ausgangswechselspannung. Er begrenzt fortlaufend die Ausgangsspannung, sodass deren Höhe weitgehend unabhängig von der Eingangsspannung ist. Die Frequenz der Eingangsspannung bestimmt jedoch bei vorhandener Netzspannung die Ausgangsfrequenz. Bei einer Stromunterbrechung beträgt die Umschaltzeit etwa 2 bis 4 ms; nach Wiederherstellung des Netzes erfolgt die Umschaltung ohne Zeitverzögerung. VI-USV schützen vor Stromausfall, Unterspannung und Überspannung.

VFD (Voltage and Frequency Dependent on mains supply, Spannung und Frequenz abhängig vom Netz) wird auch Offline-, Stand-by- oder passive USV genannt. Im Normalbetrieb wird der Strom direkt vom Eingang zum Ausgang geleitet; ein Gleichrichter lädt die Akkumulatoren. Bei Netzausfall schaltet der Ausgang auf einen aus den Akkumulatoren gespeisten Wechselrichter um. Je nach Modell dauert dies bis zu 10 ms. Nach EN 62040-3 werden außerdem Spannungsschwankungen unter 16 ms sowie Spannungsspitzen zwischen 4 und 16 ms kompensiert. Für manche empfindlichen Geräte kann die Umschaltung dennoch zu langsam sein. Im Normalbetrieb hängen Höhe und Frequenz der Ausgangsspannung direkt von der Eingangsspannung ab.

Weitere Kennzeichnungen der USV

Die zweite Stufe der IEC 62040-3 beschreibt mit zwei Großbuchstaben die Kurvenform der Ausgangsspannung im Normal- und im Batteriebetrieb:

• S: Sinuskurve; Verzerrfaktor kleiner als 0,08 bei linearer und nichtlinearer Referenzlast.
• X: Verzerrfaktor kleiner als 0,08 nur bei linearer Referenzlast.
• Y: Die Form der Spannungskurve ist nicht festgelegt; auch trapez- oder rechteckförmige Ausgangsspannung ist möglich.

Die ideale Einstufung ist SS. Preisgünstige VI- und VFD-USV erreichen jedoch nur SX oder SY.

Die dritte Stufe gibt mit drei Ziffern die dynamische Toleranzkurve an. Die erste Ziffer beschreibt das Verhalten bei Änderungen der Betriebsart, also beim Wechsel zwischen Netz- und Batteriebetrieb. Die zweite Ziffer betrifft Lastsprünge bei linearer Last im Netz- und Batteriebetrieb, die dritte Lastsprünge bei nichtlinearer Last in diesen Betriebsarten.

• 1: keine Unterbrechung
• 2: Unterbrechung bis 1 ms
• 3: Unterbrechung bis 10 ms

Die beste Einstufung 111 ist praktisch VFI-USV vorbehalten. 122 ist bei VI-USV gängig, während 333 typisch für VFD-USV ist.