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Definition Was ist eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung)?

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung sichert angeschlossene elektrische Geräte vor Störungen im Stromnetz ab. Die USV arbeitet akkugestützt und kann für eine gewisse Zeit die Energieversorgung aufrechterhalten. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen kommen häufig zur Absicherung von Computern, Servern oder Netzwerkgeräten zum Einsatz. Sie verhindern Serviceausfälle, Datenverlust oder Hardwaredefekte durch unkontrolliertes Abschalten.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

USV ist die Abkürzung für unterbrechungsfreie Stromversorgung. Der englische Begriff lautet Uninterruptable Power Supply, abgekürzt UPS. Aufgabe einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ist es, die angeschlossenen elektrischen Verbraucher gegenüber Störungen im Stromnetz abzusichern.

Die Geräte sind je nach Typ der eingesetzten USV vor Stromausfall, Unterspannung, Überspannung, Frequenzschwankungen, Oberschwingungen oder Rauscheinflüssen geschützt. Häufig kommen unterbrechungsfreie Stromversorgungen zur Absicherung von Computern, Servern oder Netzwerkgeräten zum Einsatz. Sie verhindern, dass bei einem Stromausfall die Funktion der Geräte unterbrochen wird und kritische Anwendungen oder Systeme nicht mehr zur Verfügung stehen.

Eine Stromunterbrechung kann ohne eine Absicherung zudem zu Datenverlust oder Hardwareschäden durch unkontrolliertes Abschalten führen. Selbst komplette Rechenzentren lassen sich mit großen USV-Anlagen gegenüber Störungen im Stromnetz schützen. In diesen Installationen überbrückt die unterbrechungsfreie Stromversorgung die Zeit, die benötigt wird, um eine Netzersatzanlage beispielsweise basierend auf Stromgeneratoren in Betrieb zu nehmen.

Der Fokus dieser Definition liegt auf kleineren Anlagen, wie sie im privaten Bereich oder für einzelne beziehungsweise wenige Server, Computer, Peripheriegeräte oder Netzwerkkomponenten zum Einsatz kommen (SOHO-Bereich).

Es existieren verschieden Arten von USV-Geräten, die entsprechend ihrer Eigenschaften in Klassen eingeteilt sind. Je nach Typ können beim Umschalten auf den akkugestützten Betrieb kurze Unterbrechungen von wenigen Millisekunden auftreten, die für die angeschlossenen Geräte in der Regel ohne Folgen bleiben.

Ein Uninterruptable Power Supply ist mit einem Akku ausgestattet, der bei Problemen mit der primären Energieversorgung für eine gewisse Zeit die Energieversorgung aufrechterhalten kann. Diese Zeit überbrückt die Versorgungslücke durch das Stromnetz oder erlaubt es dem Anwender, die Geräte definiert herunterzufahren. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sind als Standalone-Geräte oder als Rack-Versionen für die Montage in Serverschränken erhältlich.

Prinzipielle Funktionsweise einer unterbrechungsfreien Stromversorgung

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen, wie sie im SOHO-Bereich (Small Office und Home Office) zum Einsatz kommen, arbeiten batterie- beziehungsweise akkugestützt. Sie besitzen wiederaufladbare Akkus wie Blei-Vlies-Akkus (AGM), Blei-Gel-Akkus, NiCd-Akkus oder andere Akkutypen, elektrische Wechselrichter und elektronische Schaltungen. Mit Hilfe ihrer Elektrik und ihren elektronischen Schaltkreisen sind sie in der Lage, wichtige Eigenschaften der Primärenergieversorgung wie Spannung, Strom, Frequenz oder Oberwellen zu überwachen und im Bedarfsfall die benötigte Energie aus den Akkus bereitzustellen.

Hierfür wird die Gleichspannung der Akkus mit Wechselrichterschaltungen auf die üblichen 230 Volt und 50 Hertz des Stromnetzes gebracht. Der Verlauf der generierten Wechselspannung ist der sinusförmigen Wechselspannung des Stromnetzes mehr oder weniger gut angeglichen (abhängig vom USV-Typ). Im Normalbetrieb werden die Akkus aus dem Stromnetz gespeist und aufgeladen.

Bei einem Ausfall der Primärversorgung alarmiert die USV den Anwender über einen Warnton, eine LED-Anzeige oder bei hochwertigeren Anlagen über elektronische Benachrichtigungen wie E-Mail oder SMS. Dadurch ist der Anwender in der Lage, bei einem längeren Stromausfall, der die Überbrückungszeit des UPS-Geräts überschreitet, die angeschlossenen elektronischen Geräte definiert herunterzufahren. Einige USV-Lösungen können das Herunterfahren angeschlossener Geräte automatisiert auslösen. Zur Kommunikation und zur Konfiguration der unterbrechungsfreien Stromversorgung sowie zur Alarmierung sind Netzwerkschnittstellen wie Ethernet oder andere Schnittstellen wie RS-232 nutzbar.

Die verschiedenen Arten der unterbrechungsfreien Stromversorgungen

Grundsätzlich lassen sich die unterbrechungsfreien Stromversorgungen in diese Arten und Klassen unterteilen:

  • Offline- oder Standby-USV (Klasse 3)
  • Netzinteraktive USV (Klasse 2)
  • Online- oder Dauerwandler-USV (Klasse 1)

Die Offline- oder Standby-USV (Klasse 3) ist die günstigste und einfachste unterbrechungsfreie Stromversorgung. Sie schützt nur gegen Netzausfälle und kurzzeitigen Spannungsschwankungen. Bei erkannten Netzausfällen und kurzzeitigen Spannungsschwankungen schaltet das UPS-Gerät auf den Akkubetrieb um. Das Umschalten kann bis zu zehn Millisekunden dauern. Diese Umschaltzeit muss von den angeschlossenen Geräten ohne Funktionsausfall verkraftet werden. Da die Geräte im Normalbetrieb nur überwachende Aufgaben ausführen und gegebenenfalls den Akku laden, haben sie einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent.

Netzinteraktive UPS-Geräte (Klasse 2) schützen vor Netzausfällen und bereiten die bereitgestellte Primärenergieversorgung im Normalbetrieb teilweise auf. Die Energieversorgung wird immer über die USV geleitet. Spannungsspitzen oder Spannungsabfälle lassen sich dadurch ausgleichen. Gegenüber einer Offline-USV ist die Reaktionszeit mit zwei bis vier Millisekunden kürzer. Der Wirkungsgrad ist ebenfalls sehr hoch und liegt zwischen 95 und 98 Prozent.

Den besten Schutz bieten UPS-Geräte der Klasse 1 (Online- oder Dauerwandler-USV). Sie erzeugen ständig eine eigene Netzspannung und versorgen die angeschlossenen Geräte dauerhaft. Dadurch treten bei einem Ausfall der Primärenergieversorgung keine Umschaltzeiten auf. Sämtliche Probleme oder Störungen im Stromnetz wie Stromausfall, Unterspannung, Überspannung, Frequenzschwankungen, Oberschwingungen oder Rauscheinflüsse gleicht das UPS-Gerät aus. Da die Geräte allerdings immer im Betrieb sind, haben sie einen niedrigeren Wirkungsgrad von maximal 90 Prozent. Zudem ist die Lebensdauer der Akkus aufgrund der Dauerbelastung kürzer.

Kurz zusammengefasst die typische Eigenschaften und Einsatzgebiete der drei Klassen unterbrechungsfreier Stromversorgungen:

  • Klasse 1: Wirkungsgrad circa 90 Prozent, keine Umschaltzeit, hohe Kosten, für sensible Geräte wie Server oder Netzkomponenten geeignet
  • Klasse 2: Wirkungsgrad circa 95-98 Prozent, Umschaltzeit zwei bis vier Millisekunden, mittlere Kosten, für weniger sensible Geräte wie einzelne Computer oder Kommunikationsgeräte
  • Klasse 3: Wirkungsgrad circa 95 Prozent, Umschaltzeit bis zu zehn Millisekunden, niedrige Kosten, für Geräte, die sich gegenüber den längeren Umschaltzeiten von bis zu zehn Millisekunden unkritisch verhalten wie einzelne Computer oder elektronische Kleinverbraucher.

Beim Kauf einer unterbrechungsfreien Stromversorgung zu beachtende Leistungsparameter

Beim Kauf einer für die eigenen Anforderungen geeigneten unterbrechungsfreien Stromversorgung gilt es, folgende technischen Parameter und Leistungsdaten zu berücksichtigen:

  • Bauart: Standalone-Gerät oder Rack-Gerät
  • benötigte USV-Klasse: Klasse 1, 2 oder 3
  • maximale Gesamtleistung aller angeschlossenen Geräte: Wirk- und eventuell Blindleistung
  • von den angeschlossenen Geräten verkraftbare Umschaltzeiten
  • maximale Überbrückungszeit der USV
  • Alarmierungsmöglichkeiten bei Netzproblemen

Vorteile durch den Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung

Der Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung sichert die Funktion der angeschlossenen Geräte bei Problemen im Stromnetz ab und erhöht deren Verfügbarkeit. Sensible oder kritische Systeme lassen sich für eine gewisse Zeit weiter betreiben. Bei längeren Stromausfällen ist das definierte Herunterfahren der Systeme möglich. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung verhindert Datenverlust oder Hardwareschäden durch unkontrolliertes Abschalten oder Spannungsspitzen und sonstige Unregelmäßigkeiten im Stromnetz. Anwender werden bei Problemen im Stromnetz alarmiert und können entsprechende Maßnahmen einleiten.

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