Ratgeber Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) ist ein elektronisches Gerät, das den Zweck hat, die Stromversorgung für angeschlossene Geräte aufrechtzuerhalten, auch wenn die Hauptstromquelle ausfällt. Sie wird oft als USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) oder UPS abgekürzt, was für Uninterruptible Power Supply steht.

Die USV-Anlage besteht in der Regel aus einer Batterie, einem Wechselrichter und einer Schaltung zur Erkennung von Stromausfällen. Standardmäßig wird die USV über die Hauptstromquelle mit Strom versorgt und lädt gleichzeitig die Batterie auf. Sobald ein Stromausfall erkannt wird, schaltet die USV automatisch auf die gespeicherte Energie der Batterie um und liefert weiterhin Strom an die angeschlossenen Geräte und ist somit eine unabhängige Stromversorgung.

Die Hauptfunktion einer USV besteht darin, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für kritische Geräte oder Systeme bereitzustellen. Dies kann Computer, Server, Netzwerkgeräte, medizinische Geräte, Telekommunikationseinrichtungen oder andere empfindliche elektronische Geräte umfassen. Je nach Modell reicht die Überbrückungszeit von einer Minute bis zu mehreren Stunden – genug Zeit also, um den Rechner sicher runterzufahren oder gar Updates zu installieren und Datenverluste oder Schäden an den Geräten zu vermeiden.

USVs bieten auch Schutz vor anderen Stromproblemen wie Spannungsspitzen, -einbrüchen oder -fluktuationen, die durch Blitzschlag, Stromausfälle oder schwankende Stromnetze verursacht werden können. Sie dienen als Sicherheitsnetz, um die angeschlossenen Geräte vor Schäden durch diese Störungen zu schützen.

Die Größe und Kapazität einer USV variiert je nach spezifischer Anwendung und Anforderung an das Gerät. Es gibt verschiedene Arten von USVs, einschließlich Offline-USVs, Online-USVs und Line-Interactive-USVs, die jeweils unterschiedliche Funktionen und Leistungsmerkmale bieten.

Im Verlauf dieses Ratgebers werfen wir einen Blick darauf, wie solche Geräte funktionieren und stellen Ihnen die verschiedenen Typen von USV vor.

Angesichts der Vielzahl an USVs auf dem Markt und den vielen unterschiedlichen Ausstattungsmerkmalen, Funktionen und Konfigurationen verliert man schnell den Überblick. Zur Erfüllung der eigentlichen Aufgabe, nämlich den unterbrechungsfreien Betrieb von Computern und Peripherie zu gewährleisten ist es letztlich jedoch egal, welche Features ein Gerät zusätzlich noch bietet. Zudem muss man nur wenige wesentliche Bauformen und Varianten kennen, die sich in wesentlichen Punkten unterscheiden und für jeweils andere Anwendungen und Einsatzbereiche besser eignen als andere Typen. Die nachfolgende Übersicht soll Klarheit zu zusätzlichen Features und der Funktionsweise der verschiedenen USV-Typen schaffen.

Beachten Sie, dass die Überbrückungszeit in der Regel nur ausreicht, den Betrieb so lange aufrecht zu erhalten, bis die normale Versorgung wiederhergestellt ist oder die Systeme sicher und ohne Speicherverlust runtergefahren werden können. USV eignen sich somit nicht für den Dauerbetrieb als primäre Stromquelle.

Grundsätzlicher Aufbau und Funktion von USVs

Grundsätzlich besteht eine USV aus drei Hauptkomponenten: der Batterie, dem Gleichrichter und dem Wechselrichter.

Batterie: Die Batterie ist der Energiespeicher der USV. Sie wird aufgeladen, wenn eine normale Stromversorgung gegeben ist und der Gleichrichter den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Fällt die Hauptstromquelle aus, so springt die Batterie als Notstromspeicher ein und liefert die benötigte Energie.

Gleichrichter: Der Gleichrichter wandelt den Wechselstrom der normalen Stromversorgung in Gleichstrom um. Dieser Gleichstrom wird verwendet, um die Batterie aufzuladen und gleichzeitig den Betrieb der angeschlossenen Geräte aufrechtzuerhalten.

Wechselrichter: Der Wechselrichter ist für die Umwandlung des Gleichstroms der Batterie in den benötigten Wechselstrom verantwortlich. Der Wechselrichter speist die angeschlossenen Geräte mit Strom, um eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen, wenn die Hauptstromquelle nicht verfügbar ist.

Die Offline-USV, auch Standby-USV oder VFD USV (Voltage Frequency Dependent from Mains Supply) bezeichnet, ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung der USV-Klasse 3, welche sich bei normaler Stromversorgung im „Leerlauf“ befindet. Erst wenn die normale Stromversorgung nicht mehr gegeben ist, schaltet die USV-Anlage innerhalb weniger Millisekunden auf die Batterie-Stromversorgung um. Bei Qualitätsmodellen liegt die Reaktionszeit zwischen vier und zehn Millisekunden. Für die meisten Elektrogeräte, insbesondere im Konsumentenbereich, gilt dies als guter Wert.

Durch das Aufwecken der Offline-USV aus dem Standby kommt es zu einer kurzen Unterbrechung der Stromversorgung, die bei einigen Geräten zu Datenverlust oder Systemabstürzen führen kann. Standby-USVs sind kostengünstig und eignen sich für weniger kritische Anwendungen. Professionelle IT-Spezialisten greifen in der Regel lieber auf „echte“ USVs zurück.

Die Line-Interactive-USV, auch Netzinteraktive-USV oder VI USV (Voltage Independent from Mains Supply) genannt, zählt zur USV-Klasse 2. Sie funktionieren ähnlich wie die Offline-USVs. Diese Art von USV bietet jedeoch eine bessere Spannungsregulierung und Filterung von Stromschwankungen. Sie verfügt über einen automatischen Spannungsregler (AVR), der den Strom aus der Batterie nutzt, um Spannungsschwankungen auszugleichen. Die Batterie wird aktiviert, wenn die Spannung außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Dadurch wird die Unterbrechung bei einem Stromausfall minimiert. Die Umschaltdauer liegt in der Regel bei zwei bis vier Millisekunden.

Leitungsinteraktive USVs bieten verschiedene Betriebsarten wie Doppelkonvertierungs-, Energiespar- und einen aktiven Filtermodus. Darüber hinaus ist die Hybrid-Variante in der Lage, bei Bedarf zwischen einzelnen Modi automatisch hin- und her zu schalten. Möglich wird dies durch ein Regeltransformatorsystem. Dadurch fällt die langfristige Gesamtleistungsaufnahme viel geringer aus als beim „vollständigen“ Online-Äquivalent.

Da es auch bei netzinteraktiven USVs zu einer kurzen Unterbrechung der Stromversorgung kommt, eignen sich diese nicht für den Schutz von sensiblen Systemen, sondern nur für einzelne Computer und ggf. Netzwerke.

Die Online-USV, auch VFI USV (Voltage and Frequency Independent from Mains Supply) genannt, gehört zur USV-Klasse 3.

Anders als es der Name vermuten lässt, haben Online-USV nichts mit einer Internetanbindung zu tun, es handelt sich auch nicht um Smarte Geräte. Vielmehr bezieht er sich auf eine Stromversorgung, die kontinuierlich Strom filtert, speichert und ans Endgerät weiterleitet, auch unter normalen Bedingungen. Online-USV sind somit immer in Betrieb und müssen nicht erst eingeschaltet werden, wenn es tatsächlich erforderlich ist. Sie werden daher auch als „echte“ USV bezeichnet.

Diese Geräte stellen die teuerste Art der USV-Stromversorgung dar, bieten aber gleichzeitig auch die größte Sicherheit vor plötzlichen Stromschwankungen und -ausfällen. Da die USV-Anlagen bei einem Netzausfall nicht erst in eine andere Betriebsart wechseln müssen, garantieren die Online-USVs eine tatsächliche unterbrechungsfreie Stromversorgung und eignen sich daher besonders für den Einsatz in kritischen IT-Systemen. Durch den Dauerbetrieb der Online-USV ist der Wirkungsgrad geringer als Bei USV der Klassen 1 und 2, zudem ist die Lebensdauer des Akkus durch die Dauerbelastung mit ca. drei bis vier Jahren gering.

Den verschiedenen USV-Klassen lassen sich in der Regel auch direkt Geräte und Anwendungsfälle zuordnen. Diese können jedoch nach Hersteller und Region leicht variieren. Prüfen Sie daher vor dem Kauf unbedingt die Herstellerangaben zum gewählten Gerät.

USV-Klasse	Gerätetyp	Beispiele für Geräte
1	Offline USV (VFD USV)	Desktop-Computer, Router, Modems, kleine Netzwerkspeicher, Heimüberwachungssysteme
2	Line-Interactive-USV (VI USV)	Server, Workstations, NAS-Geräte, kleine Telefonanlagen, POS-Systeme
3	Online-USV (VFI USV)	Große Serverfarmen, Blade-Server, Datenspeichersysteme, Netzwerkequipment, Telekommunikationseinrichtungen

USV-Systeme werden zwischen Netzsteckdose und zu schützendem Gerät zwischengeschaltet und mit diesen über Kabel verbunden. Es handelt sich dabei um relativ kleine und kompakte „intelligente“ Einheiten, deren Größe von der Nutzungsart abhängt, z.B. in einem Privathaushalt, Büro oder einem Rechenzentrum. Das Kernstück bildet eine wiederaufladbare Stromzelle mit besonders viel Speicher.

Traditionell handelt es sich hierbei meistens um eine Blei-Säure-Batterie (VRLA). Im Zuge der fortschreitenden Entwicklungen in der Lithium-Ionen-Technologie werden im Herzen moderner USV-Systeme jedoch zunehmend Li-Ionen-Zellen eingesetzt. Somit ähneln sie im Prinzip tragbaren Akkus. Die Leistung, die sie erbringen müssen, ist jedoch viel höher.

VLRA-Batterien: robust und zuverlässig

VRLA- oder Blei-Säure-Batterien sind in der Regel relativ wartungsarm und werden im Allgemeinen als grundlegende, zuverlässige „USV-Arbeitspferde“ mit einer typischen Lebensdauer von 5 Jahren angesehen. Die Buchstaben „VR“ in VRLA stehen für valve regulated, zu Deutsch „ventilgeregelt“. Damit gemeint sind automatisch betriebene Entlüftungssysteme, mit denen die Freisetzung von sich allmählich bildendem Gas an bestimmten Punkten im Lade-/Entladezyklus der Batterie gesteuert werden kann. Diese wichtige Funktion wird von internen Drucksensoren ausgelöst und funktioniert – wie die meisten Aspekte von VRLA-Zelltypen – am besten, wenn sich die Batterie in einer trockenen, temperaturgesteuerten Umgebung befindet, z. B. in einem durchschnittlichen zentral beheizten Raum zu Hause oder im Büro.

Lithium-Ionen-Batterien: langlebig dank fortschrittlicher Technologie

Im Gegensatz dazu sind Li-Ionen-USV-Batterien im Allgemeinen weitaus kompakter und leichter und sie verfügen über eine Reihe integrierter Stromverwaltungsfunktionen zum Starten, z. B. einen erweiterten Lade- und Spannungsausgleich. Viele Hersteller bieten mittlerweile Geräte mit einer im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien höheren Lebensdauer im Sortiment, die sich gerade bei langjährigem Gebrauch als wirtschaftlichere Alternative erweist. Die lange Zeit höheren Herstellungskosten für Li-Ionen-Batterien werden jedoch immer günstiger; zumindest mittelfristig kann sich die Anschaffung einer VRLA-basierten Einheit aber lohnen.

VLA-Batterien (Nass / Überschwemmte Batteriezelle)

VLA-Batterien sind für bestimmte Anwendungen und Umgebungen vorgesehen und nicht allgemein erhältlich. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sind sie potenziell gefährlich (es sei denn, sie werden in einem separaten Batterieschutzraum aufbewahrt) und müssen vom Benutzer regelmäßig gewartet und überwacht werden, bieten jedoch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Stabilität. VLA-Batterien eignen sich daher nur für spezielle Anwendungsfälle wie in großen Rechenzentren.

USV-Anlagen sind von entscheidender Bedeutung für den Schutz empfindlicher (und oft kostspieliger) Hardwarekomponenten vor physischen oder speicherbasierten Schäden, wenn sie plötzlich vom Hauptstromkreis getrennt werden. Selbst im Falle eines vollständigen Stromausfalls während der Übertragung kann eine USV sicherstellen, dass wichtige Daten nicht verloren gehen.

Die Unterbrechung der Stromversorgung kann in verschiedenen Anwendungsfällen zu Schäden an Hardware und Daten führen. Hier sind einige der Risiken aufgelistet:

Heimanwendung:

In einem Heimbüro oder bei der Nutzung von persönlichen Computern können Stromausfälle oder Spannungsschwankungen zu Datenverlust führen. Wenn beispielsweise wichtige Dokumente nicht gespeichert wurden, können sie verloren gehen.

Stromausfälle oder Spannungsspitzen können außerdem die empfindliche Elektronik in Computern, Fernsehern, Routern, Spielekonsolen und anderen Haushaltsgeräten beschädigen.

Büroanwendung:

In einem Büroumfeld kann ein Stromausfall zu Arbeitsunterbrechungen führen, insbesondere wenn Computer, Drucker oder andere elektronische Geräte nicht mehr funktionieren. Dies kann die Produktivität beeinträchtigen und zu Zeitverlust führen.

Unternehmen, die keine USV verwenden, laufen außerdem Gefahr, Daten zu verlieren oder zu korrupten. Wenn beispielsweise während eines Stromausfalls wichtige Dateien nicht gespeichert werden konnten, können sie beschädigt werden oder gar völlig verloren gehen.

Serverfarm:

Datenverlust: In einer großen Serverfarm sind Daten von entscheidender Bedeutung. Ohne eine USV können Stromausfälle oder Spannungsschwankungen zu Datenverlust führen, insbesondere wenn gerade wichtige Prozesse oder Aktualisierungen durchgeführt werden. Dies kann zu erheblichen Problemen führen, wenn Kundendaten, Transaktionsdaten oder andere geschäftskritische Informationen verloren gehen.

Ausfall von Cloud-Diensten:Serverfarmen hosten oft Cloud-Dienste, die von Unternehmen und Endbenutzern genutzt werden. Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, können diese Dienste nicht mehr verfügbar sein, was zu erheblichen Störungen, Umsatzverlusten und möglicherweise zu Reputationsschäden führt.

Hardwarebeschädigung: Stromausfälle oder Spannungsschwankungen können die Hardware in einer Serverfarm beschädigen. Server, Speichersysteme, Netzwerkgeräte und andere Komponenten können beeinträchtigt werden, was zu teuren Reparaturen oder zu einem kompletten Austausch von Geräten führen kann. Dies kann auch zu längeren Ausfallzeiten und einer Beeinträchtigung der Gesamtleistung der Serverfarm führen.

Systeminstabilität: Ungeplante Stromunterbrechungen können dazu führen, dass Server und Systeme nicht ordnungsgemäß heruntergefahren werden, was zu einer instabilen Betriebsumgebung führen kann. Dies kann zu Fehlfunktionen, Datenbeschädigungen und längeren Wiederherstellungszeiten führen.

Dank einer USV-Einheit bleiben Speicher und Hardware rundum geschützt. Bleibt natürlich die Frage nach der richtigen Dimensionierung. Unter Umständen muss die Kapazität ausreichen, um ganze Server-Racks zu versorgen.

Unbedingt sollten Sie die Überbrückungszeit berücksichtigen. Sie hängt von der Größe der Batterie und von der Anzahl der angeschlossenen Geräte ab. Die Laufzeit einer bestimmten USV-Stromversorgung ergibt sich daher aus der Kalkulation von Kapazität und Last. Als Basis für Ihre Berechnungen nehmen Sie zum Beispiel die Zeit, die Sie mindestens benötigen, um alle Daten zu speichern, Prozesse zu beenden und Geräte ordnungsgemäß herunterzufahren.

Zu guter Letzt können noch Formfaktor und Gesamtgröße der Einheit eine Rolle beim Kauf einer USV spielen.

Schritt-für-Schritt zur richtigen USV:

1. Schritt: Identifizieren Sie die Geräte, die durch die USV versorgt werden sollen. Machen Sie eine Liste all dieser Geräte, einschließlich Server, Netzwerkkomponenten, Speichersysteme, Arbeitsstationen usw.
2. Schritt: Ermitteln Sie den Leistungsverbrauch jedes einzelnen Geräts. Normalerweise finden Sie diese Informationen auf den Geräten selbst, zum Beispiel auf dem Netzteil, oder in den technischen Spezifikationen. Der Leistungsverbrauch wird in Watt (W) angegeben.
3. Schritt: Schätzen Sie die Laufzeit, die Sie von der USV benötigen. Überlegen Sie, wie lange die Stromunterbrechung dauern könnte und wie viel Zeit Sie benötigen, um Ihre Systeme herunterzufahren oder einen Notbetrieb aufrechtzuerhalten. Die Laufzeit wird in Minuten angegeben.
4. Schritt: Addieren Sie den Leistungsverbrauch aller Geräte, um den Gesamtenergiebedarf in Watt zu ermitteln.
5. Schritt: Multiplizieren Sie den Gesamtenergiebedarf mit der Laufzeit, um die benötigte Energiekapazität der USV zu berechnen. Das Ergebnis wird in Wattstunden (Wh) angegeben. Beachten Sie, dass dies eine grobe Schätzung ist und von der Effizienz der USV abhängen kann.
6. Schritt: Berücksichtigen Sie den Wirkungsgrad der USV. Da nicht alle in die USV eingespeiste Energie tatsächlich an die angeschlossenen Geräte weitergeleitet wird, sollten Sie den Wirkungsgrad der USV berücksichtigen, um den tatsächlichen Energiebedarf zu ermitteln. Teilen Sie dazu die benötigte Energiekapazität der USV durch den Wirkungsgrad der USV, um die empfohlene Kapazität zu erhalten.

Im Internet gibt es zudem diverse USV Rechner, mit denen Sie berechnen können, wie groß ihr USV dimensioniert sein sollte.

Die Kosten der Geräte hängen maßgeblich von deren USV-Klassifizierung, dem verwendeten Stromspeicher, zusätzlichen Funktionen und den Marken ab. Wir bilden Ihnen hier die Preisspanne je nach USV-Klasse von USVs im RS-Onlineshop ab:

USV-Klasse 1: Offline USV

Günstige Geräte wie das RS PRO GS600 starten bereits bei weniger als 100€ und bieten eine Stromversorgung von 360 Watt. Teurere Geräte wie das Riello iDialog Plus mit einer Stromversorgung von 960 Watt kosten bis zu 500€.

USV-Klasse 2: Line-Interactive-USV

Auch Line-Interactive-USVs mit einer Leistung von 240Watt sind bereits für weniger als 100€ zu haben (Riello iDialog). Die obere Preisgrenze liegt mit über 5.000€ (APC Smart-UPS 14 Kanal Rack) aber sehr deutlich über den Klasse 1 USVs.

USV-Klasse 3: Online-USV

Online USVs starten bei knapp unter 500€ mit dem RS PRO Stand-Alone USV mit einer Stromversorgung von 800Watt. Größer dimensionierte Geräte wie das Eaton 9SX mit 5,4kW Stromversorgung kosten ca. 4.000€.

Neben Batterie und dem Gehäuse selbst beinhalten USV-Anlagen oftmals eine Reihe weiterer nützlicher Funktionen. Diese variieren von Modell zu Modell und können u.a. folgende Elemente enthalten:

• Erweiterte Onboard-Software zur Leistungsüberwachung
• Verwaltungskartensteckplätze und andere Funktionen zum Lesen von Daten
• Schutz vor Tiefentladung, Spannungsspitzen, Niederspannung und/oder Temperatur
• LCD/OLED-Bildschirme und -Anzeigen zur einfachen Überwachung der Geräte und Leistung
• Grafische Kalibrierungsschnittstellen für bequeme Optimierung
• Eine breite Palette von Anschlussmöglichkeiten für externe Hardware-I/O-Expander (Eingang/Ausgang))
• Variable Anzahl an Stromanschlüssen und Steckdosen
• Optionen zum Austauschen der Batterie während des Betriebs und/oder für Wartungsarbeiten an spannungsführender USV
• Verschiedene IP-Schutzklassen