06 - USV

Einleitung

Eine USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) schützt IT-Systeme vor Stromausfällen, Spannungsschwankungen und Überspannungen.

Sie überbrückt kurze Ausfälle mit Batteriestrom und sorgt dafür, dass Systeme geordnet heruntergefahren oder weiterbetrieben werden können, bis die Stromversorgung wieder stabil ist.

In Unternehmensnetzwerken (wie bei Netzplan oder in Rechenzentren) ist die USV ein zentraler Bestandteil der Datensicherheit und Systemverfügbarkeit.

1. Bedeutung der Zahlenangaben in USV-Beschreibungen (z. B. 700 / 1000 / 2200)

Die Zahlen geben die Leistungskapazität der USV an.

Diese Werte beziehen sich auf die Scheinleistung, gemessen in VA (Voltampere).

Manchmal wird zusätzlich die Wirkleistung in Watt (W) angegeben.

• Beispiel:
  • APC Back-UPS 700 → 700 VA ~ 400 W
  • APC Smart-UPS 1000 → 1000 VA ~ 600 W
  • APC Smart-UPS 2200 → 2200 VA ~ je nach Modelltyp zwischen 1600-1980 W

Beispielhafte Berechnung:

Eine USV mit 1000 VA und einem Leistungsfaktor von 0,8:

→ 1000 VA × 0,8 = 800 W nutzbare Leistung.

2. Typische Leistungsaufnahme von Geräten

Bei der Dimensionierung einer USV muss man wissen, wie viel Stromverbrauch (Last) die angeschlossenen Geräte erzeugen.

Typische Werte sind:

Wenn du einen Server (250 W) und eine Firewall (100 W) absichern willst:
250 W + 100 W = 350 W Gesamtlast ⟶
Dafür reicht eine 700 VA (≈400 W) USV noch aus, aber mit wenig Reserve.

3. Große USVs (>3000 VA)

Ab einer Leistung von etwa 3000 VA (≈2,7 kW) muss man auf die Netzanschlussart achten:

• Solche Systeme benötigen Drehstrom (3-phasig).
• Einfache Steckdosen (230 V / 16 A) reichen nicht mehr aus.
• Diese USVs werden oft fest installiert und in Serverräumen betrieben.

Beachten:

• Fachgerechter Anschluss durch Elektriker erforderlich!
• Separate Absicherung im Stromkreis.
• Batteriemodule sind oft extern und sehr schwer ⟶ Transport und Aufstellung planen.

4. Anschaltstrom & Sicherungsauslösung

Beim Einschalten großer USVs oder Lasten (z. B. Server, Netzteile, Staubsauger) fliest ein kurzzeitig hoher Einschaltstrom.
Dieser sogenannte Anschaltstrom (Inrush Current) kann kurzzeitig das Mehrfache des Nennstroms betragen.

Beispiel:
Eine USV mit 1000 W kann beim Einschalten kurzfristig 20-30 A ziehen, obwohl sie später nur 4-5 A benötigt.

Praxis-Tipp
⟶ Beim Testen großer USVs keine empfindlichen Stromkreise (z. B. Büroräume mit PCs) verwenden.

5. Risiko bei USV-Tests

Ein USV-Test simuliert einen Stromausfall, um die Batterien zu prüfen.
Dabei schaltet die USV auf Batteriebetrieb um.

• Test nicht im Livebetrieb bei unbekannten oder alten USVs durchführen.
• Erst Wartung / Batterietest in einem getrennten Testumfeld durchführen.

6. Kalibrierung & Belastungstest

Um eine USV richtig zu prüfen, kann man mit der APC PowerChute Software (oder vergleichbaren Tools) eine Kalibrierung durchführen.

1. USV an den Rechner anschließen (USB oder seriell).
2. APC Tools installieren.
3. Im Tool eine Batteriekalibrierung starten.
   Dabei entlädt sich die USV kontrolliert und misst die tatsächliche Batteriekapazität.
4. Als Lastengenerator kann man einen Staubsauger oder Heizlüfter verwenden, um eine realistische Belastung zu simulieren.

7. Unterschied zwischen Online- und Offline-USV

USVs unterscheiden sich in ihrer Arbeitsweise.
Man unterscheidet vor allem:

7.1 Offline-USV (VFD - Voltage and Frequency Dependent)

• Normalbetrieb: Geräte werden direkt aus dem Stromnetz versorgt.
• Bei Stromausfall: USV schaltet in wenigen Millisekunden auf Batterie um.
• Kostengünstig, aber es gibt eine kurze Umschaltzeit.
• Schutz vor Stromausfall und Spannungsspitzen, aber keine Spannungsregulierung.

• Günstig, effizient, wartungsarm

• Kein Schutz vor Spannungsschwankungen
• Kleine Umschaltzeit (kann empfindliche Server stören)

7.2 Line-Interactive-USV (VI - Voltage Independent)

Eine Line-Interactive-USV ist sowas wie die "intelligentere große Schwester" der Offline-USV. Sie hängt normalerweise direkt am Stromnetz, überwacht aber aktiv die Spannung und kann sie innerhalb gewisser Grenzen anheben (Boost) oder absenken (Buck), ohne direkt auf die Batterie umzuschalten. Erst wenn die Netzspannung wirklich ausfällt oder außerhalb eines definierten Bereiches liegt, übernimmt der Wechselrichter und speist die Verbraucher aus der Batterie.

Die Norm bezeichnet diesen Typ als VI - Voltage Independent:
Die Ausgangsspannung wird in einem weiten Bereich von der Eingangsspannung entkoppelt, die Frequenz folgt aber weiterhin dem Netz (im Gegensatz zur Online-USV, die beides entkoppelt).

• Netz ⟶ AVR/Autotransformator ⟶ Ausgang
  Die Verbraucher werden direkt aus dem Netz versorgt. Dazwischen hängt meist ein Autotransformator mit Stufenumschaltung (AVR - Automatic Voltage Regulation), der kleine Spannungsschwankungen ausgleicht.
• Batterie & Wechselrichter sind "bereit"
  Die Batterie wird im Hintergrund geladen, der Wechselrichter ist betriebsbereit, speist aber im Normalfall nicht dauerhaft den Ausgang.
• Spannungskorrektur ohne Batteriebetrieb
  Wenn die Eingangsspannung z. B. auf 200 V absackt oder auf 250 V steigt, kann der AVR:
• Im Boost-Modus die Spannung anheben
• im Buck-Modus die Spannung absenken
  - und das alles ohne dass auf Batterie umgeschaltet werden muss.
• Netzausfall / schwere Störung
  Fällt das Netz aus oder liegt die Spannung völlig außerhalb des korrigierbaren Bereichs, wird in sehr kurzer Zeit
  ⟶ vom Netzpfad auf den Wechselrichter + Batterie umgeschaltet.

Typische Umschaltzeiten liegen etwa bei 2-4 ms, bei manchen Geräten bis ~10 ms. Das reicht für die meisten IT-Geräte (Netzteile puffern kurz), ist aber nicht ganz so unterbrechungsfrei wie eine Online-USV.

Damit du es dir gut merken kannst, hier das Verhalten im Vergleich:

• Leichte Unterspannung/Überspannung
• AVR regelt hoch oder runter (Boost/Buck)
• Keine Batterienutzung ⟶ Batterie wird geschont
• Ausgangsspannung bleibt relativ stabil
• Netzausfall / sehr starke Spannungsschwankungen
• Kurzes Umschalten auf Wechselrichterbetrieb
• Verbraucher hängen dann an Batterie + Wechselrichter
• Nach Rückkehr des Netzes: Rückschalten auf Netz mit AVR, Batterie wird wieder geladen
• Frequenzschwankungen
• Frequenz folgt in der Regel dem Netz (im Gegensatz zur Online-USV, die eine eigene, sehr stabile Frequenz erzeugt)

• Besserer Schutz als Offline-USV
  Spannungsschwankungen werden aktiv korrigiert, ohne direkt auf die Batterie zu gehen.
• Schonung der Batterie
  Durch den AVR muss die USV nicht bei jeder kleinen Schwankung auf Batterie laufen ⟶ längere Batterielebensdauer.
• Schnelle Umschaltzeiten
  Deutlich schneller als einfache Offline-USVs, für typische IT-Lasten völlig ausreichend.
• Gutes Preis-/Leistungsverhältnis
  Deutlich günstiger als Online-Doppelwandler-USVs, aber mit spürbar besserem Schutz als die ganz einfachen Modelle.

• Keine echte Doppelwandlung
  Der Ausgang hängt im Normalbetrieb immer noch "irgendwie" am Netz - starke Oberschwindungen oder Frequenzprobleme werden nicht so sauber gefiltert wie bei einer Online-USV.
• Kurze, aber vorhandene Umschaltzeit
  Es gibt trotzdem einen sehr kurzen Moment beim Umschalten. Für Server/Netzwerkgeräte normalerweise umproblematisch, für ganz empfindliche Spezialgeräte kann eine Online-USV sinnvoller sein.
• Qualität stark modellabhängig
  Günstige Geräte haben manchmal nur "Pseudo-Sinus" am Ausgang im Batteriebetrieb, höherwertige liefern eine reine Sinuswelle. Für Server/Netzteile ist sinusförmiger Output klar zu bevorzugen.

Line-Interactive-USVs sind der Standard in vielen kleinen und mittleren IT-Umgebungen, z. B.:

• Kleine Serverräume
  1-3 physische Server, ein paar Switches und eine Firewall - typisches KMU-Setup.
• Netzwerk-Infrastruktur
  Switches, Firewalls, Router, WLAN-Controller, NAS-Systeme.
• Einzelne wichtige Workstations
  z. B. Buchhaltung, Entwicklung, Leitstand-PCs, auf denen niemand plötzliche Abstürze mag.
• Kleinere Racks in Außenstandorten
  z. B. Filialen, kleinere Büros, wo eine Online-USV "Overkill" wäre.

Kurz gesagt:
Wenn der Strom halbwegs stabil ist, aber du deine Geräte vor Spannungsschwankungen und kurzen Ausfällen schützen willst, ist eine Line-Interactive-USV meist die vernünftige Mittelklasse-Lösung.

Zum Einprägen kannst du dir folgendes merken:

• Offline ⟶ "Billig & Basic"
  Nur Notstrom, keine aktive Spannungsregelung.
• Line-Interactive ⟶ "Mittelklasse mit Spannungskorrektur"
  AVR für Hoch/Runterregeln, kurzer Umschaltmoment, Batterie wird geschont.
• Online ⟶ "Luxus & Vollschutz"
  Doppelwandlung, immer über Wechselrichter, keine Umschaltzeit.

Oder noch kürzer:

7.3 Online-USV (VFI - Voltage and Frequency Independent)

• Strom aus dem Netz wird ständig in Gleichstrom (DC) und wieder in Wechselstrom (AC) umgewandelt.
• Geräte laufen immer über den Wechselrichter - kein Umschalten nötig!
• Perfekte Spannungsqualität und keine Unterbrechung beim Ausfall.

• Keine Umschaltzeit
• Schutz vor allen Netzproblemen (Ausfall, Spannungseinbruch, Frequenzfehler)

• Teuer
• Höherer Energieverbrauch
• Erzeugt mehr Wärme

8. Automatisches Herunterfahren von Systemen

Eine USV kann bei Stromausfall dafür sorgen, dass der Rechner oder Server automatisch herunterfährt, bevor die Batterie leer ist.

1. USV per USB oder Netzwerk an den PC/Server anschließen.
2. APC PowerChute (oder ähnlich) installieren.
3. In der Software einstellen:
• "Bei Stromausfall: System nach 3 Minuten geordnet herunterfahren."
4. Test durchführen (z. B. Netzstecker kurz ziehen).
5. Prüfen, ob der Rechner wirklich herunterfährt.

Zusammenfassung - Merksätze für die Prüfung

• VA-Zahl = Scheinleistung der USV
• 700 / 1000 / 2200VA ⟶ je nach benötigter Watt-Leistung auswählen
• Server ~250 W, Firewall ~100 W
• Große USVs (>3000 VA) ⟶ 3-phasiger Anschluss notwendig
• Anschaltstrom kann Sicherung auslösen
• USV-Test kann Systemabschaltung verursachen (bei schwacher Batterie)
• Kalibrierung mit APC-Tool regelmäßig durchführen
• Offline-USV ⟶ einfache Umschaltung
• Online-USV ⟶ dauerhafte Doppelwandlung, kein Umschalten
• APC PowerChute ⟶ automatisches Herunterfahren bei Stromausfall