Black Box erklärt: USV - Unterbrechungsfreie Stromversorgung BLACK BOX

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1 White with FC black diamond White with process black diamond Box erklärt: White with 5th black diamond USV - Unterbrechungsfreie Stromversorgung BLACK BOX / blackbox.com black-box.de

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Die verschiedenen USV-Technologien Wie ermittelt man die benötigte USV? Ermittlung der Leistungsdaten: Ermittlung der Überbrückungszeit Verwaltung und Wartung der USV Verwaltung und Wartung der USV Anwendungsbeispiele... 9 Wir kümmern uns! Sollten Sie Frage haben zu den Applikationen, unseren Produkten, oder diesem Whitepaper, sprechen Sie mit dem Box Tech Support: 0811/ oder besuchen Sie black-box.de und klicken Sie auf Talk to a Tech. Wir rufen Sie kostenlos zurück - in Sekundenschnelle. 0811/ black-box.de Seite 2

3 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 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 (out) --- 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. 0811/ black-box.de Seite 3

4 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. 0811/ black-box.de Seite 4

5 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. 0811/ black-box.de Seite 5

6 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. 0811/ black-box.de Seite 6

7 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. 0811/ black-box.de Seite 7

8 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. Box ServPower XP) bieten auch die Möglichkeit, optional SNMP-Karten oder Relais-Karten zu integrieren. Überwachungssoftware der 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 Box besitzen zwei RJ45-Buchsen. Hier kann auch das lokale Computernetz durchgeschleift, und somit gegen Überspannungen abgesichert werden. 0811/ black-box.de Seite 8

9 5. Spezielle Anwendungen Neben diesen standardmäßigen Indoor-USVs bietet 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, ,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 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 Watt x 1,6 (PowerFaktor) = VA x 20 % (326,4) = 1.958,4 VA Eine 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 Box ServPower SP mit 500VA ist in diesem Fall vollkommen ausreichend. Die Überbrückungszeit liegt hier bei über 15 Minuten. Joachim Botsch, Technical Support Engineer Box Deutschland GmbH 0811/ black-box.de Seite 9