USV - Black Box Deutschland Gmbh

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Black Box erklärt:
USV - Unterbrechungsfreie Stromversorgung
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BLACK BOX

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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ................................................................................................................................................................................................ 3
2. Die verschiedenen USV-Technologien ...................................................................................................................................................... 4
3. Wie ermittelt man die benötigte USV? ................................................................................................................................................... 6
3.1 Ermittlung der Leistungsdaten: .............................................................................................................................................................. 6
3.2 Ermittlung der Überbrückungszeit ......................................................................................................................................................... 7
4. Verwaltung und Wartung der USV .......................................................................................................................................................... 8
5. Verwaltung und Wartung der USV .......................................................................................................................................................... 9
6. Anwendungsbeispiele ............................................................................................................................................................................. 9
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1. Einleitung
Die Hardware in unserer heutigen IT-Welt wird immer leistungsstärker, schneller und komplexer. Dies führt aber auch zu immer
höheren Anforderungen an eine kontinuierliche, einwandfreie Versorgung mit Strom. Störungen und Unterbrechungen in der
Stromversorgung können zu erheblichen Schäden an Geräten führen. Um zeit- und kostenintensive Hardwareausfälle und
Datenwiederherstellungen zu verhindern, sollte man diese Investitionsgüter schützen.
Einen kostengünstigen, aber sehr wirkungsvollen Schutz bietet hier eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung – engl: UPS
Uninterruptible Power Supply).
Eine USV schützt, je nach verwendeter USV-Technologie, nicht nur vor kompletten Stromausfällen, sondern auch vor anderen
Fehlern im Stromversorgungsnetz.
In der USV Produktnorm IEC 62040-3 werden die 10 häufigsten Probleme im Versorgungsnetz aufgelistet, die eine USV abfangen
soll.
VFI / VI / VFD Netzausfall
> 10 ms
VFI / VI / VFD Spannungsschwankungen
< 16 ms
VFI / VI / VFD Spannungsspitzen
< 16 ms
VFI / VI Unterspannung
permanent
VFI/ VI Überspannung permanent
VFI Blitzeinwirkung sporadisch
VFI Frequenzschwankungen
sporadisch
VFI Spannungsverzerrungen
sporadisch
VFI Spannungsoberschwingungen
permanent
VFI Spannungsstöße
< 4 ms
1. Netzausfall (Blackout) --- wird die Stromversorgung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes für mehr als 10 ms unterbrochen,
gilt dies als Netzausfall. Als Ursache kommen viele Ereignisse in Betracht, z.B. Reparaturen am Stromnetz, Beschädigung der
Stromkabel (durch Bauarbeiten oder Sonstiges), Auslösen der Hauptsicherung (z.B. durch Kurzschluß), usw.
2. Spannungsschwankungen (Flicker) --- Spannungsschwankungen sind Rückwirkungen auf das Stromnetz (z.B. durch das
Anlaufen größerer Motoren, Lichtbogenöfen, usw.).
Es handelt sich um Spannungseinbrüche von der Nennspannung von weniger als 16 ms.
3. Spannungsspitzen (Spikes) --- Spannungsspitzen sind Überspannungen, die weniger als 16 ms anliegen. Gerade die
Spannungsspitzen verursachen die meisten Schäden an elektronischen Bauteilen. Die häufigste Ursache für Spannungsspitzen ist
das Schalten von induktiven Verbrauchern.
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4. Unterspannung (Brownout) --- als Unterspannung bezeichnet man einen permanenten (länger 16 ms) Spannungseinbruch. Die
Unterspannung wird meistens durch ein überlastetes Stromversorgungsnetz verursacht.
5. Überspannungen (Surge) --- liegt dauerhaft eine überhöhte Spannung an, spricht man von Überspannung. Überspannungen
können unter anderem durch eine schwankende Gesamtbelastung des Stromversorgungsnetzes oder auch durch elektrostatische
Aufladungen hervorgerufen werden.
6. Blitzeinwirkung --- tritt zwar seltener auf als oftmals angenommen, verursacht dann aber immer wieder sehr große Schäden,
da für einen sehr kurzen Zeitpunkt (< 1ms) sehr hohe Spannungen auftreten.
7. Frequenzschwankungen (Harmonics) --- die Umdrehungen der Stromerzeugungsgeneratoren können sich durch
Lastschwankungen minimal verändern. Dies kann zu Frequenzschwankungen führen.
8. Spannungsverzerrungen (Burst) --- sind in einem Schaltkreis induktive Lasten vorhanden kann das Betätigen eines Schalters, der
nicht im Stromnulldurchgang geschaltet ist, zu Spannungsverzerrungen führen. Auch im Netz betriebene Stromrichter verursachen
häufig Spannungsverzerrungen.
9. Spannungsoberschwingungen (Noise) --- der Betrieb nichtlinearer elektronischer Geräte (z.B. Netzteile mit Gleichrichter
[Schaltnetzteile] oder Verbraucher mit elektronischen Vorschaltgeräten) kann permanente Spannungsoberschwingungen verursachen.
Diese erzeugen durch die periodische Verzerrung des Sinussignals höhere Verluste in Kondensatoren und Transformatoren.
Dadurch werden diese Bauteile stärker erwärmt was zu verkürzter Lebensdauer oder gar zur kompletten Zerstörung führen kann.
10. Spannungsstöße (Transienten) --- durch Schaltoperationen von Elektrogeräten (Kopierer, Laserdrucker, Leuchtstofflampen,
usw.) kann es zu sehr kurzen (< 4 ms) Spannungsstößen kommen. Auch diese können zur schnellen Alterung elektronischer
Bauteile beitragen.
2. Die verschiedenen USV-Technologien
USVs werden, gemäß der Produktnorm, in drei unterschiedliche Technologien eingeteilt.
Die einfachste, heute nur noch selten angebotene, Art ist die VFD (Voltage and Frequency Dependent). Sie ist auch unter den
alten Bezeichnungen Offline-, Backup- oder Standby-USV bekannt. Auch findet man häufig die Bezeichnungen USV für den passiven
Mitlaufbetrieb oder Bereitschaftsbetrieb.
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Hier wird der Strom im Normalbetrieb direkt zu den Verbrauchern weitergeleitet. Ein Gleichrichter sorgt zudem für eine permanente
Ladung der Batterie. Bei Netzausfällen, Spannungsschwankungen oder -spitzen übernimmt die USV über einen
Wechselrichter die Versorgung der Verbraucher. Geliefert wird kein herkömmlicher Sinus, sondern meist eine Ausgangsspannung
als Rechteck (und ist damit für Verbraucher mit induktiver Last ungeeignet).
Eine VFD-USV ist kostengünstig, aber auch hier sind die anderen Technologien längst konkurrenzfähig. Sie hat einen hohen
Wirkungsgrad (ca. 95%).
Nachteil dieser Technologie ist die Umschaltzeit zwischen 4 und 10 ms, die für viele Verbraucher schon zu lange ist. Außerdem
schützt eine solche USV nicht gegen die oben aufgeführten Fehlerklassen 4 bis 10.
Die zweite USV-Kategorie sind die VI (Voltage Independent). Frühere Bezeichnungen sind Line-interaktiv, Netzinteraktiv, Single-
Conversion oder auch USV für den aktiven Mitlaufbetrieb.
Bei dieser Art ist die Batterie über einen Wechselrichter stets mit dem Ausgang der USV verbunden. Der Strom wird vom Eingang
der USV über einen Transformer auf den Ausgang weitergeleitet. Weicht die eingehende Spannung um einen bestimmten
Prozentsatz (meist ca. ±10%) von der Nennspannung ab, wird dies vom Transformer ausgeglichen. Bei größeren Abweichungen
(etwa ± 25%) werden die Verbraucher über Batterie und Wechselrichter versorgt. Geliefert wird entweder eine sinus modifizierte
Spannung oder ein reiner Sinus.
Diese Technologie ist kostengünstig und hat einen sehr hohen Wirkungsgrad (ca. 95 bis 98 %). Die Umschaltzeiten liegen bei 2
bis 4 ms.
Die oben erwähnten Fehlerklassen 6 bis 10 werden allerdings nicht abgedeckt.
Die fortschrittlichste und beste USV-Technologie ist die VFI (Voltage and Frequency Independent). Hier wurden früher die
Bezeichnungen online-, double-conversion-, Doppelwandler-, Dauerwandler-USV, oder USV für den Dauerbetrieb verwendet.
Die Verbraucher beziehen ihren Strom permanent von der Batterie. Der eingehende Wechselstrom wird über einen Gleichrichter
(Rectifier/Charger) in Gleichstrom gewandelt. Damit wird die Batterie ständig geladen. Diese gibt ihren Gleichstrom wieder an
einen Wechselrichter (Inverter) ab. Hier wird dann wieder Wechselstrom erzeugt. Somit ist immer eine konstanter Wechselstrom
ohne irgendwelche Abweichung für die Verbraucher vorhanden.
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Damit ein Batteriewechsel im laufenden Betrieb stattfinden kann oder auch zu Wartungszwecken, verfügt diese Technologie über
eine Bypass-Schaltung, mit der der Strom vom Eingang direkt auf den Ausgang umgeleitet werden kann. Dieser Bypass kann auch
manuell geschaltet werden.
Diese USVs schützen gegen alle Fehlerarten und haben keine Umschaltzeiten. Sie liefern eine reine Sinus Spannung.
Der Nachteil liegt in den höheren Kosten und im etwas geringeren Wirkungsgrad (ca. 90 %).
Wirkungsgrad
Eine USV benötigt auch für sich selbst Leistung. Der Wirkungsgrad gibt deshalb das Verhältnis von eingehender zu ausgehender
Leistung an.
3. Wie ermittelt man die benötigte USV?
Zuerst sollte man sich im Klaren sein, welche Verbraucher an die USV angeschlossen werden sollen.
3.1 Ermittlung der Leistungsdaten
Von diesen Verbrauchern benötigt man dann die Leistungsdaten, entweder in Watt (Wirkleistung) oder in VA (Scheinleistung /
Voltampere).
Dazu gibt es drei Möglichkeiten:
1. Ablesen am Gerät: Man liest die entsprechenden Werte von den Verbrauchern ab und addiert diese dann. Diese Methode ist
jedoch sehr ungenau, da auf den Verbrauchern meist nur die maximale Leistung angegeben ist.
2. Herstellerangabe: Man entnimmt die benötigten Werte den Herstellerangaben (Manual, Herstellerwebseite, Nachfrage beim
Hersteller, usw.). Diese Methode kann aber unter Umständen sehr zeitaufwendig sein.
3. Messung: Die beste und sicherste Methode ist, die Werte mittels einer Stromzange direkt zu ermitteln. Dies sollte man aber zu
unterschiedlich stark belasteten Zeiten durchführen, um einen brauchbaren Mittelwert zu bekommen.
Hat man den Wert in Watt ermittelt, muss man diesen noch mit dem Power-Faktor (~1,6) multiplizieren, um auf die
Scheinleistung in VA zu kommen.
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Powerfaktor (~1,6)
Bei sinusförmiger Eingangsspannung treten durch den Einsatz von Gleichrichtern (nichtlineare Verbraucher) leichte
Phasenverschiebungen auf. Daher steht nicht die komplette Sinuskurve zur Verfügung.
Beispiel: ermittelte Watt = 644 x Powerfaktor 1,6 = 1030,4 VA
Zu dem so errechneten VA-Wert sollte man noch mindestens 20 % addieren.
Diese 20 % stellen einerseits eine gewisse Reserve für Erweiterungen oder den späteren Wechsel zu leistungsstärkeren
Verbrauchern dar, andererseits arbeiten USVs bei etwa 75 bis 80% Last am effektivsten.
Für unser Beispiel bedeutet dies: 1030,4 + 20% (206,08) = 1236,48 VA, also sollte die gewählte USV mindestens die
Leistungsgröße 1250 VA haben.
Formel zur Berechnung der Leistungsgrösse Ihrer USV
(Summe W aller Verbraucher) * 1,6 *1,2 = benötigte Leistungsgrösse
Hat man die Leistung der Verbraucher nach der ersten Methode ermittelt, dürfte die Leistung der USV auch etwas darunter liegen,
da man sonst dazu neigt, die USV zu groß zu dimensionieren.
3.2 Ermittlung der Überbrückungszeit
Ein wichtiges Kriterium stellt auch die benötigte Überbrückungszeit dar. Ist beispielsweise eine Notstromversorgung vorhanden,
sollte die Überbrückungszeit der USV mindestens die Anlaufzeit der Notstromanlage absichern. Ansonsten sollte die
Überbrückungszeit sich nach den benötigten Shutdownzeiten der angeschlossenen Verbraucher, bzw. nach den erfahrungsgemässen
Stromausfallzeiten richten.
Reicht nun die Überbrückungszeit der USV nicht aus, ist es empfehlenswert, statt auf ein leistungstärkeres Modell umzusteigen,
besser die Überbrückungszeit mit zusätzlichen Batterie-Packs zu verlängern.
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4. Verwaltung und Wartung der USV
Moderne USVs bieten heute neben der üblichen RS232-Schnittstelle auch eine USB-Schnittstelle.
Mit der zur USV gehörenden Software ist über diese Schnittstellen sowohl die Verwaltung und Beobachtung der USV, wie auch
das geregelte Herunterfahren der angeschlossenen Verbraucher möglich (z. B. bevor die USV bei Stromausfall wegen leerer
Batterien komplett abschaltet).
Zusätzlich warnen USVs durch optische (Display-Meldungen) und akustische Zeichen.
Einige USVs (z. B. Black Box ServPower XP) bieten auch die Möglichkeit, optional SNMP-Karten oder Relais-Karten zu integrieren.
Überwachungssoftware der Black Box USV
Die anfälligsten Bauteile einer USV sind natürlich die Batterien. Diese sollten alle drei, spätestens alle fünf Jahre gewechselt
werden, sofern die Verwaltungssoftware nicht bereits vorher auf einen Wechsel hinweist.
Manche USV bietet neben dem Schutz der angeschlossenen Verbraucher auch noch zusätzliche Funktionen.
Die USVs der Produktreihe ServPower SP, LP und XP von Black Box besitzen zwei RJ45-Buchsen. Hier kann auch das lokale
Computernetz durchgeschleift, und somit gegen Überspannungen abgesichert werden.
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5. Spezielle Anwendungen
Neben diesen standardmäßigen Indoor-USVs bietet Black Box auch USVs für spezielle Anwendungen an:
− für den medizinischen Bereich (komplette galvanische Trennung, zugelassen für den Patientenkontakt) gemäß IEC/CSA 601.1,
UL 2601 und CSA 22.2 Standard.
− für den Outdoor-Bereich (-40° bis +50°C Betriebsbereich) in stabilen IP- (bzw. NEMA-) Gehäusen.
− Dreiphasige USVs mit sowohl drei Eingangs- auf eine Ausgangsphase (10 bis 20 kVA), wie auch drei Eingangs- auf drei
Ausgangsphasen (10 bis 800 kVA).
6. Anwendungsbeispiele
1. Eine Firma will die EDV-Ausstattung eines kleinen Büros für vier Personen absichern. Neben den Workstations (2 x 0,5, 1 x 1,25,
1 x 2,5 Ampere) sollen noch ein Server (4 A) und ein Drucker (3,8 A) an die benötigte USV angeschlossen werden. Da in diesem
Büro keine kritischen Daten verarbeitet werden, genügt hier eine Überbrückungszeit von etwa drei Minuten zum Herunterfahren
der Rechnern bei totalem Stromausfall.
2 * 0,5 + 1,25 + 2,5 + 4 + 3,8 = 12,55 * 230 (V) = 2.886,5 VA + 20% = 3.463,8 VA;
Da dies abgelesene Werte der Typenschilder sind und somit Maximalwerte, kann die nächst kleinere USV verwendet werden. Es
bietet sich eine Black Box ServPower XP mit 3000VA an. Selbst bei 100% Last liefert diese USV eine Überbrückungszeit von fünf
Minuten.
2. Zwei wichtige Steuer-PCs in einem Leitstand sollen über eine USV Stromausfälle bis zu 25 Minuten überbrücken. Die gemessene
durchschnittliche Leistung beider PCs liegt bei 1020 Watt.
1020 Watt x 1,6 (PowerFaktor) = 1.632 VA x 20 % (326,4) = 1.958,4 VA
Eine Black Box ServPower XP 2000VA überbrückt bei 85 % Last ca. 8,5 Minuten. Deshalb ergibt hier die Verwendung eines
zusätzlichen Batterie-Packs Sinn. Hiermit wird eine Überbrückungszeit von etwa 42 Minuten erreicht.
3. Drei Netzwerk-Switches in einem Nebengebäude sollen gegen Stromausfall gesichert werden. Die Leistung der Switches wurde
mit 180 Watt gemessen. Da alle Gebäude der Firma an einer zentralen Notstromversorgung hängen, genügt als
Überbrückungszeit fünf bis sechs Minuten.
180 x 1.6 = 256 VA + 20 % = 307,2 VA;
Eine kostengünstige Black Box ServPower SP mit 500VA ist in diesem Fall vollkommen ausreichend. Die Überbrückungszeit liegt
hier bei über 15 Minuten.
Joachim Botsch,
Technical Support Engineer
Black Box Deutschland GmbH
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