Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Engl.: Uniteruptable Power Supply (UPS).

Zentraleinheit : Stromversorgung : USV : Übersicht
25-Okt-2001/10-Jan-07

Übersicht

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) versorgen ein Computersystem oder verschiedene Peripheriegeräte oder auch
Telefonanlagen weiter mit Batteriestrom, sollte die Netzversorgung einmal ausfallen.

Ein unerwarteter Netzausfall führt zum Verlust aller Daten und Programme im Arbeitsspeicher eines Computers. Der Inhalt einer Festplatte kann in einen inkonsistenten Zustand geraten, wenn der Stromausfall während eines Schreibvorgangs stattfindet oder Inhalte von Write-Cache-Speichern nicht vor dem Stromausfall auf die Platte geschrieben wurden. Deswegen ist es wichtig, bei solchen Störfällen den Rechner geregelt herunterzufahren.

Bei Netzstörungen sollte man aber nicht nur an einen Stromausfall denken, sondern auch an Störungen, die durch lokale Belastungen des Stromnetzes auftreten können. Solche Über- oder Unterspannungen können durch einen ausgeprägten Belastungswechsel verursacht werden, der von einem im Hausnetz angeschlossenen Gerät ausgeht. Sollte eine Unterspannung über längere Zeit andauern, wird das Computernetzteil diese registrieren und den Computer abschalten, was gleichbedeutend ist mit einem Netzausfall. Auch kurzfristige Unterspannungen können Probleme erzeugen. Durch einen kurzen Spannungspuls kann es zu nicht nachvollziehbaren Systemabstürzen oder Programmfehlern kommen.

Überspannungen sind verantwortlich für eine Vielzahl an Hardwareausfällen, sie verschleissen Computerbauteile, besonders Netzteile.

USV-Technologien

Bei USVs unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Technologien. Es gibt sogenannte Online- sowie Offline-Modelle.

Offline-USV.

Im Störfall wird durch ein Relais die Stromversorgung auf die USV umgeschaltet.

Offline-Modelle arbeiten wie ein Notstromaggregat und schalten sich erst dann ein, wenn der Strom ausgefallen ist. Dadurch entstehen entsprechende Schaltzeiten, die im Bereich von wenigen Millisekunden liegen. Bei PCs reicht diese Zeit in der Regel aus, ohne dass eine Störung im Rechner auftritt. Bei anderen Systemen kann schon diese kurze Umschaltzeit zu Datenverlusten führen. Die Line-Interaktive USV ist eine Weiterentwicklung der Offline-Technologie. Durch einen parallel zur Spannungsversorgung der USV geschalteten Regelkreis werden die Schwankungen der Netzspannungen auf einen für den Verbraucher tolerierbaren Wert reguliert und Netzressourcen optimal genutzt, da bei Spannungseinbrüchen nicht gleich auf Batteriebetrieb geschaltet wird. Dies erhöht die Batterielebensdauer. Aber auch diese verbesserte Version der Offline-Technologie reicht nicht aus, wenn die angeschlossenen Geräte auf durch das Umschalten auftretende Phasenverschiebungen empfindlich reagieren. Das ist zum Beispiel bei vielen Anlagen der Telekommunikation der Fall.

Online-USV.

Umschaltunterbrechungen der Ausgangsspannung werden durch permanente Spannungswandlung vermieden.

Mehr Datensicherheit bieten Online-Modelle, die allerdings aufgrund der aufwendigeren Technologie normalerweise teurer sind als entsprechende Offline- oder Line-Interaktive-Modelle. Die eingehende Netzspannung wird galvanisch getrennt und
gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird geglättet, stabilisiert und wieder in eine saubere Wechselspannung
gewandelt. Dieses Verfahren gewährleistet für die angeschlossenen Verbraucher weitestgehende Abschirmung von Spannungsschwankungen, Unterbrechungen, Rauschen oder Spikes.

Die Aufladung der Batterie erfolgt während des Normalbetriebs. Fällt das Netz völlig aus, übernimmt die ständig aufgeladene
Batterie gleitend und unterbrechungsfrei den Energiefluss zum Wechselrichter. Diese Technologie erzeugt permanent eine völlig neue, netzunabhängige Spannung. Neben den fehlenden Schaltzeiten haben die Online-Geräte also auch den weiteren
Vorteil, als Spannungs-Konstanthalter und Netzfilter arbeiten zu können. Nachteilig bei Online-Modellen sind die höheren
Energieverluste durch die kontinuierliche Versorgung über den Wechselrichter. Die hohe Wärmeentwicklung bedingt den Einsatz
von Lüftern, was wiederum zu einer höheren Geräuschentwicklung führt.

Dimensionierung

Die richtige Dimensionierung erfolgt nach der auf den Typenschildern angegebenen Leistung in VA (VoltAmpere) oder der
Berechnung der Scheinleistung bei nichtlinearen Lasten. Wird auf dem Typenschild die Leistung in VA angegeben, kann die Leistung der einzelnen Geräte einfach addiert werden. Dazu gehören unter anderem auch Bildschirme, Terminals, externe Datenspeicher und Peripheriegeräte. Erfolgt die Angabe in Watt, so muss die Scheinleistung rechnerisch ermittelt werden. Hierzu wird die Angabe in Watt mit einer Konstanten multipliziert. Bei den derzeit üblichen Schaltnetzteilen kann ein Faktor von 1,4 angesetzt werden.

Rechenbeispiel: Typenschildangabe von 150 W

Wert in VA ergibt sich zu 150 * 1,4 = 210

Sind Systemerweiterungen geplant oder abzusehen, sollten diese Komponenten bei der Dimensionierung der USV mit berücksichtigt werden. Übersteigt der Stromverbrauch der angeschlossenen Geräte durch eine nachträgliche Erweiterung die Leistungsfähigkeit der USV, dann kann ein ordentliches Herunterfahren der Systeme nicht mehr gewährleistet werden. Es wird empfohlen, in regelmässigen Abständen die Funktionsfähigkeit der USV mit allen angeschlossenen Geräten zu testen.

Da eine USV nur eine vorübergehende Sicherung eines Systems ermöglicht, können die angeschlossenen Rechner und Peripheriegeräte nur für kurze Zeit mit Batteriestrom versorgt werden. Diese Überbrückungszeit lässt sich so auswählen, bzw. durch Batterieerweiterungssets anpassen, dass Daten wie auch Programme im Falle eines Stromausfalls ordnungsgemäss
gesichert werden können.

Wichtigster Bestandteil jeder USV sind die Batterien, deren durchschnittliche Lebensdauer bei 3 bis 5 Jahren liegt und stark von der Batterietemperatur beeinflusst wird. Tests von Herstellern haben ergeben, dass bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur um 5 Grad Celsius die Lebensdauer der Batterie um durchschnittlich 10% sinkt.

Alarmierung und Schnittstellen

Die Alarmierung über kritische Zustände, wie einen Stromausfall oder eine Störung der USV selbst, sollte gleichermassen über das Netzwerk, E-Mail, Pager, Fax sowie GSM-Telefone möglich sein. Bei einer Meldung der USV sollte gewährleistet sein, dass vordefinierte Befehle oder Scripts (*.exe, *.bat, *.com, *.cmd, etc.) automatisch ausgeführt werden.

Alle Vorkommnisse werden in einer Logdatei gespeichert. Das Führen einer separaten Batterie-Log-Datei ist dabei aufgrund der Wichtigkeit der Batterie als Energiespeicher der USV-Anlage unbedingt erforderlich, um ihren Status eindeutig beurteilen zu können.

USV-Geräte sind in der Regel mit einer RS-232 Schnittstelle ausgestattet, über die der Anschluss an den Rechner erfolgt. Bei allen USVs, die transtec anbietet, ist im Lieferumfang eine Management- und Shutdownsoftware für alle gängigen Betriebssysteme (Windows 98/NT/2000, Unix, NetWare und OS/2) enthalten. Updates können kostenlos von der Homepage des
jeweiligen Herstellers heruntergeladen werden. Die Installation ist aufgrund der Benutzerführung sehr einfach durchzuführen: Unter Windows 98 werden z. B. die USVs von MGE automatisch erkannt, da die Treiber bereits in Windows 98 enthalten sind.

Shutdown

Ein durch die USV-Management-Software ausgelöster Shutdown beinhaltet folgende Merkmale:

1. Speichern des Cache-Inhaltes auf der Festplatte,
2. Speichern des aktuellen Zustandes der offenen Dateien (Windows),
3. ordnungsgemässes Beenden sämtlicher Applikationen,
4. Ausführen eventuell hinterlegter Befehle (z. B. Backup fahren, Datenbank sichern etc.),
5. Durchführen eines ordentlichen Systemabschlusses und
6. Abschalten der USV.

Es ist möglich, einen genau festgelegten Ein- bzw. Ausschaltplan für die USV zu definieren.

Netzwerkweite Kommunikation

Das Managen einer USV-Anlage ist von jeder Arbeitsstation im Netz möglich. Sind innerhalb eines Netzwerks mehrere USVs installiert, können diese von jedem berechtigten Arbeitsplatz netzwerkweit administriert werden.

Meldungen, durch die USV-Management-Software ausgelöst, können zeitgesteuert an vordefinierte Netzwerkteilnehmer gesendet werden. Diese Meldungen können editiert werden und Änderungen von jeder Arbeitsstation sind sofort aktiv. Somit entfällt ein erneutes Rebooten der Shutdown-Software oder gar des Rechners. Funktionen wie Verändern von Einstellungen, Rebooten des Netzwerkes o.ä. sind passwortgeschützt.

Sind mehrere Netzwerkteilnehmer (Server, Workstations, Gateways, Hubs, Router etc.) des gleichen Netzwerkbetriebssystems an eine USV angeschlossen, so kann eine Gruppe erstellt werden. Dies bedeutet, dass ein Rechner seriell mit der USV verbunden ist und als Gruppen-Controller arbeitet. Dieser stellt die USV-Informationen im Netzwerk zur Verfügung. Auf allen weiteren Netzwerkkomponenten ist die Shutdown-Software installiert; die Komponenten sind als Gruppenmitglieder definiert. Deren Verhalten kann jedoch unabhängig vom Controller vorgegeben werden. Somit ist z. B. ein sequentieller Shutdown aller dieser Netzwerkkomponenten gewährleistet.

Ebenso sollte auch der Test aller in einem Netzwerk befindlichen USV-Anlagen durch den Anwender von einer Arbeitsstation aus initialisierbar sein.

Checkliste USV

• Wie "sauber" ist der Netzstrom?
• Wie stark schwankt die Spannung?
• Welche Leistung wird benötigt?
• Welche Zeitspanne ist erforderlich, um alle Anwednungen ohne Datenverluste herunterzufahren?
• Über welche Schnittstelle kommuniziert der Comuter mit der USV?
• Soll die USV in einem Gehäuseschrank installiert werden?

Anbieter von USVs

Siehe Anbieter von unterbrechungsfreien Stromversorgungen.

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