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Wissenswertes über die unterbrechungsfreie Stromversorgung USV

(uninterrupted power supply UPS)

Einleitung

Wenn im normalen Haushalt die Stromversorgung ausfällt ist das in der Regel ärgerlich, aber nicht weiter tragisch. Mann muss den Wecker neu stellen und verliert ev. die letzten Eingaben im Computer. Fällt dagegen im Spital während die Netzspannung aus, hat das verheerende Folgen.

Überall, wo die Stromversorgung auf keinen Fall von selber ausschalten darf, wir deshalb eine unterbrechungsfreie Stromversorgung benötigt. Die zunehmende Privatisierung bei den Stromversorgern gepaart mit der kurzfristigen Gewinnmaximierung deren Managern wird immer weniger in die Infrastruktur investiert. Eine unstabilere Netzversorgung ist die Folge. 

Am häufigsten findet man die USV in der Informatik. Für ein Rechenzentrum ist es wichtig, dass keine Daten verloren gehen. In dieser Anwendung stellt die USV nur sicher, dass bei einem Ausfall vom Stromnetz die Speisung über eine definierte Zeit aufrecht erhalten werden kann. So können die Daten gespeichert und der Server geordnet herunter gefahren werden.

Auch Telekommunikationsanlagen oder Notbeleuchtungen sind heute mit einer unterbruchsfreien Stromversorgung ausgestattet.

Arten der USVs

Klassische 230V-Kompakt-Anlage (IT-Bereich)

Diese wohl häufigsten Anlagen werden zwischen den 230VAC Stromanschluss und dem Verbraucher (z.B. einem Computerserver) geschaltet. Wenn die 230V-Netzspannug zusammenbricht, Speist die USV den Verbraucher noch über eine definierte Zeit aus der Batterie. Gleichzeitig wird dem Verbraucher über eine Schnittstelle  mitgeteilt, dass kein öffentliches Netz mehr zur Verfügung steht. So kann z.B. der Server seine Daten entsprechend sicher oder ein Dieselgenerator kann gestartet werden.

Kurze Stromunterbrüche können so sogar ganz eliminiert werden.

Eine gute USV kann noch mehr.  Sie ist auch fähig, Überspannungen aus dem Netz auszugleichen.

Bei diese Anlagen sind alle Komponenten in einem Gehäuse untergebracht. Sie sind meistens nur für eine kurze Überbrückungszeit von ca. 15 min. ausgelegt.

USV für stromschwache Gebiete

Im Gegensatz zur oben genannten klassischen Anlage, muss diese USV die Versorgung bedeuten länger sicherstellen. Sie wird dort eingesetzt, wo die Überbrückung mehrere Stunden sichergestellt werden soll.

Grösstes Anwendungsgebiet ist sicher in den Entwicklungsländern oder sonst fernab der Zivilisation.

Weiter werden ähnliche Anlagen auf den Segelschiffen eingesetzt, wo über Nacht im Hafen ein Netzanschluss zur Verfügung steht.

Die Anlagen haben eine grosse Batteriekapazität. Deshalb werden auch möglichst kapazitätsstarke Batterien eingesetzt.

Hauptkomponenten einer USV

Die Batterie

Das Herzstück der unterbrechungsfreien Stromversorgung ist der Energiespeicher. In den meisten Fällen wird ein wartungsfreie Bleibatterie eingesetzt. Von der gewählten Kapazität der Batterie ist die Überbrückungszeit abhängig.

Je nach Dimensionierung der USV muss eine Batterie gewählt werden, welche nicht auf Energiedichte sondern eher auf Leistungsdichte optimiert ist. Bei diesen leistungsoptimierten Bleibatterien wird dann als Hauptmerkmal auch die Leistung angeben.

Da die Batterien das Glied in der Kette sind, welche am Meisten der Alterung unterworfen sind, sollten die Batterien periodisch getauscht werden.

Im Gegensatz zu Ni-MH Batterien sind die Bleibatterien empfindlich gegen Tiefentladung. Je öfter die USV die Speisung überbrücken musste, desto strenger sollten auch die Batterien gewechselt werden.

Bei mobilen USVs, welche herumgetragen werden müssen, kommen Li-Io-Batterien zum Einsatz. Dabei wird unterschieden zwischen Lithium-Polimer-Akkus, welche zwar leichter aber auch brandgefährlicher sind, und den LiFePO4-Akkus, welche nicht als Brandgefährlich gelten.

Das Batterieladegerät (Gleichrichter)

Während des normalen Netzbetriebes ist das Ladegerät dafür verantwortlich, dass die Batterie immer gut geladen ist. In der Literatur wird diese Komponente auch Gleichrichter genannt, weil sie aus der Wechselspannung vom Netz die Gleichspannung für die Batterie generiert.  Klevere USV-Ladegeräte können Tests ausführen, welche mehr oder weniger eine Aussage über den Zustand der Batterie machen können.

Der Wechselrichter (Inverter)

Wenn die Netz-Spannung ausfällt oder unter den zulässigen Wert fällt, tritt der Wechselrichter in Aktion. Er generiert aus der Batteriespannung die 230VAC.

Es werden einige Insel-Wechselrichter aus der Solarindustrie angeboten, welche mit Batterieladegerät und Transferfunktion ausgestattet sind.  Z.B. die XPC-Serie von Studer-Innotec oder Geräte von Zusammen mit den entsprechenden Batterien eignen sich diese Inverter vorzüglich, um damit eine USV für stromschwache Gebiete zu bauen. Gepaart mit Windgeneratoren, Wasserturbinen oder Solarpanels kann die Autonomie verlängert werden.

Beim Wechselrichter gilt es zwischen Sinus-Wechselrichter und Wechselrichter mit modifiziertem Sinus zu unterscheiden. Der Sinus-Wechselrichter generiert eine Spannung wie aus der Steckdose. Ein modifizierter Sinus ist eine Rechteck-Spannung, welche dem Sinus ähnlich ist. Empfindliche Geräte funktionieren mit dem modifizierten Sinus nicht.

Der AVR (Automatic Voltage Regulator) (Automatischer Spannungsregler)

Er regelt die Ausgangsspannung der USV und hält sie konstant und verhindert somit Unter- und Überspannung.