USV – Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Abkürzung: USV

Eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) hält die Stromversorgung angeschlossener Geräte aufrecht, wenn das Netz ausfällt oder außerhalb der zulässigen Werte liegt. Im Rechenzentrum überbrückt sie die Zeit, bis die Netzersatzanlage übernimmt.

Die drei USV-Bauarten

Die Norm unterscheidet drei Klassen. In Herstellerunterlagen stehen meist Handelsnamen; die Klasse ist die belastbare Angabe.

VFD — Voltage and Frequency Dependent, umgangssprachlich Offline- oder Standby-USV. Die Geräte hängen im Normalbetrieb direkt am Netz. Fällt es aus, schaltet ein Relais auf den Wechselrichter um. Die Umschaltung dauert einige Millisekunden, in denen keine Spannung anliegt. Spannungsschwankungen und Oberwellen werden nicht ausgeglichen.

Einsatz: Einzelarbeitsplätze, kleine Netzwerkschränke. Nicht für Rechenzentren.

VI — Voltage Independent, line-interactive. Wie VFD, zusätzlich mit einem regelbaren Transformator, der Über- und Unterspannung ausgleicht, ohne auf Batterie zu gehen. Das schont die Batterie erheblich, weil nicht jede Schwankung einen Batteriebetrieb auslöst. Eine kurze Umschaltlücke bleibt.

Einsatz: kleine Serverräume, Außenstandorte.

VFI — Voltage and Frequency Independent, Online- oder Doppelwandler-USV. Der Strom wird durchgehend gleichgerichtet und wieder zu Wechselstrom gewandelt. Die Last hängt also immer am Wechselrichter, nie direkt am Netz. Es gibt keine Umschaltung, weil nichts umzuschalten ist — bei Netzausfall liefert einfach die Batterie den Gleichstromzwischenkreis.

Einsatz: der Standard im Rechenzentrum. Alles andere ist dort die Ausnahme.

Überbrückungszeit

Eine verbreitete Fehlvorstellung ist, die USV müsse einen Stromausfall überdauern. Das tut sie nicht und soll sie nicht.

Ausgelegt wird auf wenige Minuten — üblich sind fünf bis fünfzehn. Diese Zeit reicht, um die Netzersatzanlage zu starten und aufsynchronisieren zu lassen, was rund zehn bis fünfzehn Sekunden dauert, plus Reserve für einen Fehlstart. Ohne Netzersatzanlage dient die Zeit dazu, die Systeme geordnet herunterzufahren.

Längere Zeiten über Batterie zu kaufen ist teuer, schwer und bringt wenig: Die Batterie ist das Verschleißteil der Anlage, und ihre Kapazität wächst linear mit Platzbedarf und Kosten.

Batterien

Bleibatterien in geschlossener Bauform sind der jahrzehntelange Standard. Günstig in der Anschaffung, aber schwer, temperaturempfindlich und nach sechs bis zehn Jahren zu tauschen. Die Lebensdauer halbiert sich etwa mit jeweils zehn Grad über der Auslegungstemperatur — ein Batterieraum ohne eigene Kühlung ist deshalb eine teure Sparmaßnahme.

Lithium-Ionen-Batterien setzen sich zunehmend durch. Sie sind leichter, halten zehn bis fünfzehn Jahre, vertragen höhere Temperaturen und lassen sich über ein Batteriemanagementsystem einzeln überwachen. Der höhere Anschaffungspreis rechnet sich über die Standzeit; brandschutztechnisch sind sie anders zu behandeln.

In beiden Fällen gilt: Die Batterie altert auch ohne Belastung. Eine nie beanspruchte USV kann im Ernstfall ausfallen, wenn die Batterie nicht regelmäßig geprüft wird.

Bypass

Jede größere USV hat mindestens zwei Umgehungswege.

Der automatische Bypass schaltet die Last direkt aufs Netz, wenn der Wechselrichter überlastet oder gestört ist. Damit bleibt die Versorgung erhalten, allerdings ungefiltert.

Der Wartungsbypass wird von Hand geschaltet und trennt die USV vollständig heraus, damit sie im laufenden Betrieb gewartet oder getauscht werden kann. Fehlt er, bedeutet jede Wartung eine Abschaltung der Last — ein Planungsfehler, der sich im Betrieb nicht mehr beheben lässt.

Wirkungsgrad

Die Doppelwandlung kostet Energie: Ältere VFI-Anlagen liegen bei 90 bis 93 Prozent, aktuelle bei 96 bis 97 Prozent. Der Rest wird zu Wärme, die zusätzlich abgeführt werden muss — die Verluste gehen also doppelt in den PUE ein.

Viele Geräte bieten einen Sparbetrieb, bei dem die Last im Normalfall am Netz hängt und nur bei Störung auf den Wechselrichter geht. Das hebt den Wirkungsgrad auf über 98 Prozent, gibt aber die Eigenschaft auf, für die man eine VFI-Anlage gekauft hat. In Rechenzentren mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen wird der Sparbetrieb deshalb meist nicht genutzt.

Redundanz

N bedeutet: genau so viel Leistung wie benötigt. Fällt ein Gerät aus, fällt die Last aus.

N+1 bedeutet: ein Gerät mehr als nötig. Eines darf ausfallen oder gewartet werden.

2N bedeutet: zwei vollständig getrennte Stränge, jeder für die volle Last. Die Geräte hängen mit zwei Netzteilen an beiden Strängen. Das ist die übliche Auslegung in Rechenzentren mit hoher Verfügbarkeitsklasse.

Zu beachten ist, dass Redundanz auf dem Papier und Redundanz in der Praxis auseinanderfallen können — etwa wenn beide Stränge durch dieselbe Brandabschnittswand laufen oder an derselben Einspeisung hängen.

Abgrenzung

Die Netzersatzanlage erzeugt Strom und kann Stunden bis Tage überbrücken, braucht aber Anlaufzeit. Die USV überbrückt genau diese Anlaufzeit. Beide ersetzen einander nicht.

Ein Überspannungsschutz begrenzt Spannungsspitzen, hält aber bei Ausfall nichts aufrecht.

Quellen

• EN 62040-3 / IEC 62040-3: Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV) — Teil 3: Methoden zum Festlegen der Leistungs- und Prüfungsanforderungen
• EN 50600-2-2: Informationstechnik — Einrichtungen und Infrastrukturen von Rechenzentren — Stromversorgung