UNTERBRECHUNGSFREIE STROM VERSORGUNG Martin Schmidt Berufsschule Obernburg Quellen: www.elektronik-kompendium.de www.ruoss-kistler.ch www.tecchannel.de www.wikipedia.de / WikiMedia Commons
Wozu eine USV? Die EDV hat auf viele Bereiche unseres täglichen Lebens einen entscheidenden Einfluss. Ein Ausfall auch vorübergehend kann fatale Folgen haben: Krankenhäuser (z.b. lebenserhaltende Apparate) Verkehrswesen (Flugsicherung, Stellwerke der Bahn, Ampeln) Finanzwirtschaft (Aktienkurse, Transaktionen) Während die interne IT z.b. durch BackUp-Verfahren geschützt ist, gibt es eine schwer kontrollierbare Abhängigkeit bei der Stromversorgung. Eine USV soll bei Stromausfall den Betrieb (vorübergehend) sichern bzw. Spannungsschwankungen (z.b. Spannungsspitzen) ausgleichen.
Energieversorgung In der Regel beziehen Unternehmen, Organisationen, Einrichtungen und private Haushalte ihren Strom von den örtlichen oder überregionalen Energieversorgern (z.b. Stadtwerke, RWE, EnBW, Vattenfall; eon). Dabei kann es zu Störungen, wie Unter- o. Überspannung [häufiger] oder (Total-) Ausfällen [seltener] kommen: Physikalische Beschädigung der Versorgungskabel (Bauarbeiten) Blitzschlag Technisches Versagen (Maschinenausfall) oder menschliche Fehler In diesen Fällen muss eine USV einspringen und die angeschlossenen Geräte mit Strom versorgen.
Ziele einer USV Stromausfälle, Spannungsschwankungen, Blitzschlag, Netzüberlastungen oder kommen meist ohne Vorwarnung, d.h. sie treffen unvorbereitet ein. Vorrangiges Ziel einer USV ist es, im Ernstfall den Betrieb der EDV- Anlagen(n) mindestens so lange weiter sicherzustellen, bis alle wichtigen Endgeräte ordnungsgemäß heruntergefahren sind. Damit will man in erster Linie ein drohender Datenverlust vermeiden. In kritischen Bereichen soll darüberhinaus mittels USV die Zeit bis zum Wiedereinsetzen der regulären Stromversorgung überbrückt werden.
USV-Konzepte (1) Unter USV-Konzepten versteht man die unterschiedlichen Funktionsweise von USV-Anlagen. Vorrangig geht es dabei um die Art der Stromversorgung die Reaktionszeit (= Zeit zwischen Ausfall und Übernahme durch die USV) die Dauer der Stromversorgung
USV-Konzepte (2) Verbreitete USV-Konzepte Bereitschaftsbetrieb Stand-By (auch: Offline-USV) Bereitschaftsbetrieb Line-Interactive Bereitschaftsbetrieb mit Ferroresonator Online-Betrieb (Doppelwandlung) Online-Betrieb (Delta-Umwandlung)
USV-Konzepte: Offline-USV (Passiv) Merkmale: liefert Strom an die angeschlossenen Endgeräte direkt aus dem Versorgungsnetz über einen zwischengeschalteten Netzfilter bei Ausfall oder kurzzeitigen Spannungsschwankungen: USV schaltet auf Batteriebetrieb um (interner Akku) Achtung: Umschaltung erfolgt mit Zeitverzug (4 10 ms) Unterbrechung der Stromversorgung -> Datenverlust möglich geeignet für Geringverbraucher, z.b. Notebook Preiswert VFD: Voltage and Frequency Dependent from mains supply IEC 62040-3: Klasse 3
USV-Konzepte: Offline-USV (VFD) Funktionsweise: Der Netzstrom wird vom Eingang direkt auf den Ausgang geleitet Ein Gleichrichter (Eingang) liefert zusätzlich Strom an den Akku (Batterie), um diesen zu laden Bei einem Stromausfall schaltet die USV auf den Wechselrichter um Der Wechselrichter wird vom Akku (Batterie) mit Strom versorgt und gibt den Strom an den/die Verbraucher weiter Ergänzungen: Ein Gleichrichter wandelt den Wechselstrom (Steckdose) in Gleichstrom um, ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um. Die Offline-USV wird auch als passive USV bezeichnet.
USV-Konzepte: Offline (VFD) Quelle: Voogir (Autor) // Wikimedia Commons
USV-Konzepte: Line-Interactive (VI) Merkmale: vergleichbar mit dem Stand-By-Prinzip schützen vor Ausfall und kurzzeitigen Spitzen Spannungsschwankungen werden über Filter geregelt im Ernstfall: USV schaltet auf Batteriebetrieb um (interner Akku) Achtung: Umschaltung erfolgt mit Zeitverzug (2 4 ms) kurze Unterbrechung der Stromversorgung -> Datenverlust möglich sinnvoll, wenn häufig Spannungsschwankungen auftreten Geeignet für normale Server, PC s und TK-Anlagen VI: Voltage Independent from mains supply IEC 62040-3: Klasse 2
USV-Konzepte: Line-Interactive (VI) Funktionsweise: Abnehmer (Geräte) werden aus dem Netz mit Strom versorgt Gleichrichter wandelt Strom am Eingang für Akku um lädt Akku auf AVR hat ein Auge auf die Spannung Bei Spannungsschwankungen / Netzausfall: Umschalten auf Batteriebetrieb
USV-Konzepte: Line-Interactive (VI) Quelle: Voogir (Autor) // Wikimedia Commons
USV-Konzepte: Online-USV (VFI) Merkmale / Funktionsweise liefert Strom an die angeschlossenen Endgeräte aus internen Schaltkreisen und Akkus (keine direkte Netzverbindung zu den Endgeräten) Ausgleich der Spannung durch kontinuierliche Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom und umgekehrt (Dauerwandler) bei Ausfall, Spannungsspitzen, Spannungsschwankungen ist daher kein Umschalten auf Batteriebetrieb erforderlich besserer Strom als aus der Steckdose keine Schwankungen teurer in Anschaffung und Betrieb (höherer Energieverbrauch) Geeignet für hochsensible Geräte (z.b. wichtige Serverdienste) VFI: Voltage and Frequency Independent from mains supply IEC 62040-3: Klasse 1
USV-Konzepte: Online-USV (VFI) Quelle: Voogir (Autor) // Wikimedia Commons
Dezentrale USV Vorteile geeignet, zur Sicherung einzelner unabhängiger Systeme geeignet für Bereiche mit separaten Stromkreisen und unterschiedlichen Spannungen gut zu skalieren und gut zu verteilen
Zentrale USV Vorteile geeignet, zur Sicherung von Systemen in räumlicher Nähe (z.b. Serverfarmen, Rechenzentren) zentrale Verwaltung (Ressourcen) gut erweiterbar höhere Investitionssicherheit gut zu skalieren und gut zu verteilen Nachteile teuer
Leistung der USV Mindestanforderung - Zeit Die USV muss es mindestens ermöglichen, bei Stromausfällen oder Spannungsschwankungen die angeschlossenen Endgeräte sauber herunterzufahren (Prozesse beenden), um Datenverlust oder Schäden an der Hardware zu vermeiden. Mindestanforderung - Leistung Für die Berechnung der Mindestleistung einer USV ist der Stromverbrauch der zu versorgenden Endgeräte maßgebend.
Wichtige Formeln Elektrische Leistung P (Leistung) = U (Spannung in Volt) * I (Stromstärke in Ampere) Elektrische Ladung Q (elektr. Ladung) = I (Stromstärke in Ampere) * t (Zeit) [zu- oder abgeflossene Ladung]
Leistungsberechnung für eine USV Faustregel Nicht zu schwach auslegen Nicht zu groß auslegen fehlende Leistung im Ernstfall Anschaffungs- und Betriebskosten Berechnung Jedes Endgerät (Stromverbraucher) hat einen Spannungswert angegeben in Volt (V) eine Stromstärke angegeben in Ampere (A)
Leistungsberechnung für eine USV Beispiele Endgeräte Lenovo Tablet-PC X220: WLAN-Router Netgear: 20 V 3,5 A 12 V 1,0 A Berechnung der Mindestkapazität Spannung (V) * Stromstärke (A) = elektrische Leistung (VA = Watt) Tablet PC: 20 V * 3,5 A = 70 VA (Watt) Router: 12 V * 1,0 A = 12 VA (Watt) ==================================================== Summe aller verbrauchenden Geräte = 82 VA (Watt)
Leistungsberechnung für eine USV Beispiele Endgeräte Gesamtverbrauch: Akku: 82 VA (Watt) 12 V / 5 Ah Berechnung der Laufzeit 12 V * 5 Ah * 60 / 82 VA = 43,9 Minuten
Laufzeit einer USV ermitteln Angabe auf der USV (Akku) Akku-Spannung (U): 20 V Ladung (Q): 3,5 mah* [Kapazität des Akkus] Stromentnahme (I): 0,7 ma [durch Verbraucher] Formel: t (Zeit) = Q (Ladung) / I (Stromstärke) t = 3,5 mah / 0,7 ma = 5 h * Milli-Ampere-Stunde Menge der Ladung, die innerhalt einer Stunde (h) durch einen elektrischen Leiter fließt
Laufzeit einer USV ermitteln Musterrechnung (http://fachinformatiker-azubi.de/elektrotechnik) Spannung Akku (U): 12 V Kapazität Akku (I): 200 Ah Leistung der Geräte (P): 20.000 W Reicht der Akku (USV) für 10 Minuten aus? t * P = Q: 10min * 20.000 W = 200.000 Wmin I * U = Q: 200Ah * 60 (Minuten) * 12 V = 144.000 W 200.000 Wmin bei 10min 144.000 Wmin bei x min x = 10min * 144.000 Wmin / 200.000 W = 7,2 min
Leistung einer USV ermitteln Leistung aller Verbrauchers (Watt / P): Spannung des Akkus (V): Laufzeit (h): 600 W (=VA) 12 V 1,5 h Formeln: Leistung / Spannung = Strom (A): Strom x Laufzeit = Amperestunden: 600 AV / 12 V = 50 A 50 A x 1,5 h = 75 Ah ggf. kann zur Sicherheit noch ein Puffer eingerechnet werden 50 A x 1,5 h x 1,4 = 105 Ah