Unterbrechungsfreie Stromversorgung in der EDV

UPS-Systeme, Uniterruptable Power Supply, Unterbrechungsfreie Stromversorgung.

Das Problem:

Plötzlicher Stromausfall kann mehrere Probleme verursachen. Sind jedoch ausgefallene Uhren oder Haushaltsgeräte lästig, so stellen sie kein wirkliches Problem dar. Wirklich schwerwiegende Folgen treten vornehmlich bei der EDV, der elektronischen Datenverarbeitung auf. Fällt dort ein Rechner , besonders im Geschäftsbereich aus, so können die Folgen nicht nur kostspielig sein sondern auch tiefergreifende Probleme verursachen. Eine häufigere Datensicherung reicht dabei nicht alleine aus. Fällt bei nur acht Sachbearbeitern eine halbe Stunde nach der letzten Sicherung die EDV aus, so ist ein halber Arbeitstag verloren, was alleine schon Kosten verursacht. Diese können noch durch die Art der verlorenen Daten erhöht werden. Kommen dann noch verpaßte Termine dazu steigen sie erneut. Einige Daten untermauern dies:

- Jede Firma einer Umfrage hat im Durchschnitt neun Stromausfälle pro Jahr
- Die Betriebsbereitschaft nach einem solchen Ausfall war erst nach etwa vier Stunden wieder gegeben.
- Für die Wiederherstellung der verlorengegangenen Daten muß man etwa 1000 DM pro MB kalkulieren.

Weitere Probleme verursachen Verschmutzungen im Netz. Dazu gehören Spannungsschwankungen, Schaltspitzen, Störspannungen, Oberschwingungen und daraus resultierender Abweichungen von der idealen Sinuskurve. Dies kann zu größeren Problemen beim Betrieb von sensiblen Rechnern führen und Systemabstürze herbeiführen. Eine Lösung bieten hier die UPS-Systeme. Diese übernehmen bei ausfallendem Netz sofort die Spannungsversorgung und können diese für eine beschränkte Zeit aufrechterhalten. Diese Zeitspanne variiert, reicht aber zumindest so lange, daß Daten gesichert werden können. Andere Systeme können die Spannung für Stunden aufrechterhalten und somit auch eine größere Lücke in der Netzversorgung überbrücken. Des weiteren filtern einige Systeme die Verschmutzungen des Netzes heraus und schützen somit die Rechner vor "Spannungsmüll" und stellen somit eine weitere Verbesserung der Betriebssicherheit dar, die schließlich schon unter einigen Betriebssystemen genug zu leiden hat. Einige Systeme sollen im Folgenden untersucht werden.

Forderungen an eine UPS:

Eine UPS soll für eine bestimmte Zeit eine stabile Frequenz, Amplitude und Sinusform liefern und somit die angeschlossenen Geräten bei Netzstörung oder Ausfall weiterversorgen. Des weiteren soll sie die Sicherung von Daten ermöglichen und die Hardware vor Schäden schützen. Des weiteren müssen sie noch einige weitere Forderungen erfüllen. Dazu zählen:

- Minimale Insallationskosten
- minimaler Platzbedarf für die Aufstellung
- geringe Wärmeabgabe an die Umwelt
- keine Rückwirkung auf das speisende Netz
- optimale Leistungsanpassung an die zu versorgende Last
- geringe Energieaufnahme
- niedriger Wartungsaufwand
- möglichst Fernüberwachung via Gebäudeleittechnik oder Internet
- Automatischer Shut Down der angeschlossenen Kopmponenten

Auswahlkriterien für eine UPS

Ausgangsleistung:

Diese wird nach der zu versorgenden Last plus einer Reserve von 25% bemessen. Ein weiteres Kriterium ist die Art der Last. Bei ohmscher Last ist ein Cos phi von eins einzuhalten, motorisch muß man das Anlaufverhalten berücksichtigen oder stark kapazitiv trimmen um starke Spitzenströme abzufangen.

Autonomiezeit:

Dies ist die erforderliche Versorgungszeit der angeschlossenen Verbraucher in Nennlast im Störungsfall.

Ü berlastfähigkeit:

Dies ist das für einen definierten Zeitraum zulässiges Verhältnis von Maximal b.z.w. Überlast zum Nennwert. Dies ist besonders beim Starten von Motoren zu berücksichtigen

Crest - Faktor:

Verhältnis aus Spitzen- und Effektivwert des Ausgangsstroms. Diese Größe ist beim

Anschluß von Schaltnetzteilen z.B. Von P.C.´s zu beachten.

Wirkungsgrad

Verlustleistung:

Dies ist ein Maß für die Wärmeabgabe an die Umwelt und die Höhe der Energiekosten. Mit berücksichtigt werden muß dies bei der Dimensionierung der Klima- und Belüftungsgeräte.

Netzrückwirkung:

Größe der in das Netz zurückgespeisten Oberwellen.

Geräuschentwicklung

Shutdown:

Dies ist die Fähigkeit zum kontrollierten herunterfahren der angeschlossenen Verbraucher nach einer bestimmten Autonomiezeit oder der bestimmten Restkapazität der Batterie. Diese Eigenschaft wird besonders von der Software der UPS beeinflußt und ist maßgeblich für die Kaufentscheidung.

Ü bersichtüber verschiedene UPS - Technologien

Sämtliche UPS - Systeme funktionieren im wesentlichen nach denselben Prinzipien. Es gibt jedoch zwei Hauptkategorien in die man die UPS - unterteilen kann:

Off - Line - Systeme und

On - Line - Systeme

Off - Line - Systeme:

Sie sind während des Betriebszustandes im Ruhezustand und sind dabei vom Verbraucher getrennt, die Last liegt also direkt am Netz. Erst beim Unterschreiten einer definierten Spannung schalten sie sich ein und übernehmen die Versorgung. Läuft der Wechselrichter am Ausgang mit, so spricht man vom Hot Standby, muß der Wechselrichter erst noch gestartet werden nennt mann das Cold Standby. Off - Line - Systeme filtern Netzschwankungen heraus, allerdings wird die Spannung am Ausgang nicht ausgeregelt.

Diese UPS haben den Vorteil preiswert zu sein und werden oft zum Absichern einzelner PC´s oder Workstations eingesetzt. Der Nachteil jedoch ist die Einschaltzeit welche zwischen zwei bis sieben Millisekunden liegt. Dieses "Spannungsloch" muß von dem Verbraucher verkraftet werden. Wir wollen hier nun einmal ein weiteres System untersuchen:

Line - interaktive - UPS:

Dies ist eine spezielle Bauform für Leistungen bis 5 kva. Sie garantiert einen besseren Schutz als eine gewöhnliche Off -Line-Variante und ist gegenüber der On-Line-Ups kostengünstiger. Sie hat im Gegensatz zum Off-Line-System eine Spannungsausgleichseinrichtung, so daß eine Umschaltung auf Dauerbetrieb nur dann erfolgt wenn eine gewisse Spannungstoleranz überschritten wird. Diese Bauform wird bei kleineren Datennetzen oder Kommunikationsanlagen verwendet.

On-Line-System:

Dieses Versorgt den Verbraucher im Dauerbetrieb. Die Ausgangsspannung wird durch verschiedene Regelmechanismen beständig im optimalem Sinus gehalten. Störungen im Netz werden herausgefiltert, Frequenz und Amplitude werden ständig konstant gehalten. Diese Art ist sehr weit verbreitet und soll daher nun in verschiedenen Lösungen untersucht werden.

Doppelwandler-UPS:

Die Netzspannung wird von einem Filter von allen Verunreinigungen gesäubert. Über einen Gleichrichter wird der Strom in einer Batterie "geparkt", mit einem Wechselrichter wieder auf

50 Hertz gebracht und dann dem Verbraucher zur Verfügung gestellt. Sollte dieses System einmal ausfallen oder gewartet werden so kann eine Bypasseinrichtung die Versorgung des Verbrauchers übernehmen.

Die Versorgung der Verbraucher im Bertriebsfall ist also Netzunabhängig, lediglich der Akku wird neu aufgeladen. Übersteigt die Spannungsschwankung die zulässige Toleranz so geht die Anlage in den Pufferbetrieb, d.h. sie koppelt sich vom Netz ab und versorgt die Verbraucher alleine weiter. Wie lange sie dies kann hängt von der größe des Akkus ab. Die Nachteile dieser Anlage liegen aus der Hand. Der elektronische Filter erzeugt ein cos phi von 0,9 am Eingang. Desgleichen werden Netzrückwirkungen in Form von Oberwellen abgegeben. Diese entstehen durch die Gleichrichterschaltung am Eingang. Ein weiterer Nachteil ist der Wirkungsgrad von etwa 80 - 92 % infolge der Speicherung im Akku.

Delta-Umrichter:

Diese UPS ist eine Weiterentwicklung des Doppelwandlers. Im Eingang hinter dem Filter liegt der Delta-Wechselrichter. Dieser regelt das Laden des Akkus und wirkt auf den Delta- Umwandler. Er regelt die Eingangsspannung aus und erzeugt Phasengleichheit, so daß ein cos phi von 1 vorliegt. Zusätzlich gibt der Delta-Umwandler die Leistung direkt an die Last weiter. An diesem Zweig liegt noch der Haupt-Wechselrichter. Die Besonderheit bei diesem Bauteil liegt daran, daß er in beide Richtungen arbeiten kann. Im Betriebsfall lädt er das Akku und regelt Spannungsspitzen oder Spannungsfälle aus. Er arbeitet syncron mit dem Ausgang des Delta-Umwandlers. Wenn das System ausfällt oder gewartet werden muß so erfolgt auch hier die Versorgung über einen Bypass.

Dieses System ist dazu konzipiert die Nachteile der Doppelwandler-UPS abzubauen. In der Tat gibt es hier wegen des Delta-Umwandlers keine Rückwirkungen auf das Netz. Wegen des besseren cos phi gibt es keinen Blindleistungsanteil und die Verlustleistung beträgt nicht einmal vier Prozent.

Betriebsarten von UPS-Anlagen Monoblockbetrieb:

Bei dieser Betriebsart wird eine UPS ans Netz geschaltet und versorgt im Bedarfsfall die Verbraucher. Dies ist der übliche Verwendungszweck.

Parallelbetrieb:

Muß man eine UPS-Anlage einer größeren Leistung anpassen dann kann man entweder eine neue UPS-Anlage aufbauen oder eine bestehende Anlage erweitern. Dazu werden verschiedene UPS-Anlagen parallel geschaltet. Moderne Systeme verfügen bereits über die nötigen Einrichtungen zur gegenseitiger Kontrolle des Betriebszustandes und den nötigen Steuerkomponenten zur Leistungsaufteilung. Die Teil-UPS welche zuerst mit dem Netz syncron läuft übernimmt die Master-Funktion, d.h. sie übernimmt teilweise die Steuerung der anderen UPS-Systeme. Man sollte auch dieses System mit einem Bypass versehen so das Wartungsarbeiten ohne Abschalten der Verbraucher möglich ist

Skalierbare UPS-Anlagen:

Dieser Anlagetyp zeichnet sich durch hohe Flexibilität bei der Leistungsbereitstellung aus. Es können jederzeit Leistungserhöhungen oder -absenkungen vorgenommen werden ohne die Verbraucher zu beeinträchtigen. Diese Anlage bestehen aus einem Grundgerüst und einer Steuerelektronik zur Überwachung der einzelnen Module. Diese könne je nach Bedarf an- oder abgebaut werden.

Redundanter Halblast-parallelbetrieb:

Dieses Verfahren verwendet man zur Absicherung besonders wichtiger Anlagen. In seinem Prinzip unterscheidet es sich nicht vom Parallelbetrieb, jedoch ist es völlig anders dimensioniert. Sollte ein Teil der UPS ausfallen so ist der übrige Teil immer noch so groß dimensioniert das keine Ausfälle der Verbraucher zu befürchten sind.

Notstromagregate:

Dieses Verfahren ist ab einer gewissen Größe der benötigten Leistung das preiswerteste. Im Falle eines Stromausfalles übernimmt eine UPS die Versorgung der Anlage bis der Notstromdiesel angesprungen ist. Dies ist wirtschaftlicher als die benötigte Energie in Batterien zu speichern. Die Umschaltzeit auf Dieselbetrieb erfolgt in etwa 15 bis 30 Sekunden. Die UPS muß allerdings auch so dimensioniert sein das sie mehrere Fehlstarts überbrücken kann. In der Regel wird eine Autonomiezeit von etwa fünf bis zehn Minuten angestrebt. Schon an diesem Wert sieht man das die Akkukapazität recht klein sein kann. Dies ist der Vorteil solcher Anlagen, wie sie auch in z.B. Kernkraftwerken eingesetzt wird.