USV, im Wandel der Zeit - ACE-High-Journal
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„The ACE-High Network during the period of Cold War“
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Beschreibung der gesicherten Stromversorgung, von 1965 bis 2025
im Wandel der Zeit
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(PA) No Break Unit mir NEA
ACE-High Station Feldberg, AFAZ (Bild aus der Betriebsphase)
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(6) O.H. Route - No Break Equipment, Unit I
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(7) O.H. Route - No Break Equipment, Unit I
ACE-High Station Livorno, IMXZ (Bilder von 2025)
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Beschreibungen
Link Seiten, Wikipedia
"Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) stellt die Versorgung kritischer elektrischer Lasten bei Störungen im Stromnetz sicher, englisch Uninterruptible Power Supply (UPS). Davon zu unterscheiden ist die Ersatzstromversorgung (auch als „Netzersatzanlage“ bezeichnet), da diese bei der Umschaltung eine kurze Unterbrechung der Stromversorgung hat.
USV-Geräte finden aufgrund der Kosten und zusätzlichen Komplexität vor allem in Krankenhäusern, Leitstellen, Eisenbahn-Stellwerken und Rechenzentren Verwendung, in Regionen mit schlechter Stromversorgung aber ebenso in kleinen Büros oder zu Hause (SoHo).
Größere Stromausfälle sind in der EU relativ selten, in Deutschland 14 Minuten pro Jahr. Durch das Schalten großer Ströme treten aber ständig ungewollte Rückwirkungen auf das Stromnetz auf. Zum Beispiel rufen Kurzschlüsse und die Einschaltströme von Schweißstromquellen oder größeren Elektromotoren Spannungsabsenkungen hervor. Spannungsanhebungen treten zum Beispiel durch das Abschalten großer Lasten oder durch entfernte Blitzeinschläge auf. Empfindliche Geräte können dadurch in ihrer Funktion beeinträchtigt oder beschädigt werden. Die Energieversorger regeln die Netzspannung und die Netzfrequenz an den Einspeisepunkten ins Stromnetz zwar ständig nach, gleichen dadurch aber nur die Summe der Störungen aus. Eine USV kann lokale Schwankungen und Ausfälle ausgleichen, indem sie angeschlossene Geräte mit elektrischer Energie aus Akkumulatoren speist, welche ständig aus dem Stromnetz nachgeladen werden.
Weit verbreitet sind Batterie-gestützte USV-Geräte. Es gibt noch andere Bauweisen, wie z. B. rotationsgestützte USV-Anlagen, die die Schwungradspeicherung nutzen. Letztere kommen üblicherweise als Teil von größeren Ersatzstrom-Anlagen zur kurzfristigen Ausfall-Überbrückung zum Einsatz.
Der Aufbau einer USV
Eine batteriegestützte USV besteht aus Akkumulatoren, bei Einzelplatz-USV aus Blei-Vlies-Batterien (AGM) oder Blei-Gel-Batterien, bei Leistungs-USVen aus Bleiakkumulatoren, Stromrichtern und einer elektronischen Regelung. Als Energiespeicher werden auch NiCd-Akkus, die unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen sind, und in seltenen Fällen Li-Ionen-Batterien eingesetzt.
In Serie hergestellte USVen sind ab einer Leistung von etwa 300 VA bis hin zu mehreren 100 kVA erhältlich. Die Leistung ist im Wesentlichen von der Belastbarkeit der Stromrichter abhängig. Ein weiteres wesentliches Merkmal einer USV ist die maximale Überbrückungszeit, die von der Kapazität der Akkumulatoren abhängt. Sie kann je nach Anforderung wenige Sekunden oder mehrere Stunden betragen. Eine USV, deren Überbrückungszeit durch zusätzliche Akkumulatoren verlängert werden kann, ist ab einer Leistung von etwa 1500 VA erhältlich. Bei großem Bedarf an Leistung und Überbrückungszeit kommen auch Stromerzeugungsaggregate zum Nachladen der Akkumulatoren zum Einsatz. Dazu werden heutzutage auch USV-Anlagen angeboten, die den benötigten Strom aus kinetischer Energie gewinnen. Diese wird durch eine mehrere 100 kg schwere Schwungscheibe geliefert, welche durch die Netzspannung angetrieben wird und bei Stromausfall die gespeicherte Energie wieder abgibt. Jedoch ist dadurch die zeitliche Überbrückung eines Stromausfalls nur begrenzt möglich. Deswegen werden diese Anlagen meist in Verbindung mit einem Diesel-Aggregat geliefert, um eine zeitraumunabhängige Stromversorgung gewährleisten zu können. Dabei ist zu beachten, dass die USV-Anlage nur den Zeitraum überbrückt, den das Diesel-Aggregat zum Anlaufen benötigt. Diese Art der USV-Anlage ist allerdings erst ab einer gewissen Größe lieferbar und nicht für private Haushalte ausgelegt.
USV in einem Rechenzentrum
Computer in kleineren Rechenzentren werden bei einem Stromausfall automatisch heruntergefahren, bevor die Überbrückungszeit abgelaufen ist. Geöffnete Dateien, zum Beispiel sensible Datenbanken, werden so kontrolliert geschlossen, um Datenverlust zu verhindern. Server und USV kommunizieren zu diesem Zweck standardmäßig über Ethernet bzw. SNMP, vereinzelt aber auch über die Schnittstelle RS-232 oder auch über USB. Über diese Verbindung kann die USV auch überwacht, gesteuert und eingestellt werden. Bei einer Verbindung über Ethernet ist dazu üblicherweise keine spezielle Software, sondern lediglich ein Webbrowser notwendig. Die entsprechenden Funktionen sind in der Firmware der USV angelegt. Größere Rechenzentren haben Notstromgeneratoren; die Versorgung aus Akkumulatoren dient hier nur dem Zweck, die Zeit zu überbrücken, bis die Generatoren gestartet und auf Nennleistung gebracht wurden.
Die Grundfunktionen einer USV umfassen in der Regel alle 24 Stunden einen automatischen Belastungstest, bei dem die Akkumulatoren im laufenden Betrieb mit der angeschlossenen Last entladen werden. Bei 10-Jahres-Batterien sollten die Akkus spätestens nach acht Jahren, bei 5-Jahres-Batterien sollten die Akkus nach spätestens vier Jahren komplett ausgetauscht werden, um einem Ausfall der USV-Anlage durch eine defekte Batterieanlage vorzubeugen.
Bei der Frage der Umschaltzeiten ist zu berücksichtigen, dass Kondensatoren und Spulen der Netzteile ausreichend Energie für einige Millisekunden speichern. So müssen beispielsweise ATX-Netzteile Ausfälle bis 17 ms überbrücken können.
Bei empfindlichen Geräten, die nur sehr kurze oder gar keine Umschaltzeiten tolerieren, ist entweder eine Line-Interactive-USV (VI) oder eine Online-USV (VFI) erforderlich.
Beim Einsatz einer USV zur Absicherung von Laserdruckern oder Kopierern ist Vorsicht geboten. Diese Geräte verbrauchen in der Aufwärmphase ein Mehrfaches ihres normalen Energiebedarfs. Ist die Leistung der USV nicht auf diese Lastspitzen ausgelegt, kann es zu Beschädigungen kommen." [2]
Klassifizierung
Die Norm IEC 62040-3 klassifiziert USVen in drei Stufen. Innerhalb jeder Stufe werden mehrere Klassen unterschieden.
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Klasse 1:
VFI (Voltage and Frequency Independent from mains supply, Spannung und Frequenz unabhängig vom Netz)
Bei einer USV dieser Kategorie ist der Eingang direkt auf einen Gleichrichter (GR) geführt, der die Akkumulatoren speist. Der Ausgang wird ausschließlich von einem Wechselrichter (WR) versorgt, der im Normalbetrieb, also bei vorhandener Netzspannung am USV-Eingang, die notwendige Energie über den Gleichrichter bezieht und bei Netzausfall über die Batterieanlage (Akkumulatoren) versorgt wird.
Die Wechselspannung am Ausgang wird in jedem Fall – unabhängig von der Qualität der Eingangsspannung – über einen nachgeschalteten Wechselrichter aus der Gleichspannung des sogenannten Zwischenkreises erzeugt. Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit verfügt eine VFI-USV über eine so genannte Bypass-Schaltung, die parallel zur Gleichrichter/Wechselrichter-Kombi geschaltet ist. Bei Überlasten am USV-Ausgang oder Auftreten eines internen Fehlers im Gleichrichter/Wechselrichter-Zweig wird der angeschlossene Verbraucher „unterbrechungsfrei“ auf diesen Bypasszweig umgeschaltet und somit weiter versorgt. Da Gleichrichter und Wechselrichter ständig mit dem vollen Betriebsstrom belastet sind, müssen sie besonders hochwertig sein und machen diese Bauart zur teuersten. Außerdem treten sowohl bei der Gleich- als auch bei der Wechselrichtung Verluste auf, was den Wirkungsgrad verringert. In den Produktbeschreibungen von USV-Anlagen ist in der Regel der Wirkungsgrad bei voller Last angegeben. Da die meisten USV aber nicht voll ausgelastet eingesetzt werden, sind die in der Regel niedrigeren Wirkungsgrade bei Teillast für die korrekte Berechnung des Stromverbrauchs und Kosten entscheidend. Ein Wirkungsgrad von mehr als 95 % bei voller Last kann heute als Standard für eine VFI-USV bezeichnet werden.
Eine VFI-USV schützt neben den Folgen eines Stromausfalls, Unterspannung und Überspannung auch vor Schwankungen der Frequenz und vor Oberschwingungen. Sie bieten ebenfalls sporadischen Schutz vor Blitzeinwirkungen und Spannungsverzerrungen (Burst). VFI-USVen werden bevorzugt in Anwendungsgebieten eingesetzt, die hohe Kriterien an die tolerierbaren Ausfallzeiten stellen, wie z. B. in der Stromversorgung eines Rechenzentrums.
Zu beachten ist, dass VFI-USV im Vergleich zu VFD- oder VI-USV den höchsten Eigenstrombedarf haben. Während z. B. eine 650 VA VFD-USV im Leerlauf (ohne angeschlossene Verbraucher) mit ca. 5 W auskommt, eine 850 VA VI-USV mit ca. 15 W, benötigt eine VFI-USV schon im Leerlauf erheblich mehr Strom (eine Faustregel besagt, dass sie ca. 10 % ihrer Nennleistung benötigt, sprich eine 850 VA VFI-USV benötigt im Leerlauf ca. 85 W an Eigenbedarf).
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Klasse 2:
VI (Voltage Independent from mains supply, Spannung unabhängig vom Netz)
In einer USV dieser Kategorie wird ein bidirektionaler Wechselrichter als zentrales Bauteil eingesetzt. Er erzeugt je nach Bedarf aus der Wechselspannung am Eingang die Gleichspannung zum Laden der Akkumulatoren oder aus der Gleichspannung der Akkumulatoren die Wechselspannung am Ausgang. Weil der Umrichter außerdem fortlaufend die Höhe der Spannung am Ausgang begrenzt, ist diese weitgehend unabhängig von der Höhe der Spannung am Eingang. Sofern eine Spannung am Eingang anliegt, bestimmt deren Frequenz aber die Frequenz der Spannung am Ausgang. Die Umschaltzeit bei Stromunterbrechung ist kürzer als bei VFD-USV und liegt bei etwa 2 bis 4 ms. Das Umschalten auf Netzbetrieb nach Wiederherstellung geschieht ohne Zeitverzögerung. Die Eingangsspannung ist synchron zur Ausgangsspannung.
VI-USVen schützen nicht nur vor den Folgen eines Stromausfalls, sondern auch vor Unterspannung und Überspannung.
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Klasse 3:
VFD (Voltage and Frequency Dependent on mains supply, Spannung und Frequenz abhängig vom Netz)
Eine USV dieser Klasse leitet den Strom im Normalbetrieb direkt vom Eingang an den Ausgang weiter. Außerdem wird vom Eingang ein Gleichrichter versorgt, der die Akkumulatoren lädt. Sollte die Netzversorgung abbrechen, wird der Ausgang auf einen Wechselrichter umgeschaltet, der aus den Akkumulatoren gespeist wird. Die Umschaltung erfolgt je nach Modell mit einer Verzögerung von bis zu 10 Millisekunden (ms). Darüber hinaus werden nach EN 62040-3 Spannungsschwankungen unter 16 ms sowie Spannungsspitzen zwischen 4 und 16 ms kompensiert. Für einige sehr empfindliche Geräte kann dies bereits zu lange sein. Im Normalbetrieb ist die Höhe und die Frequenz der Ausgangsspannung direkt abhängig von der Eingangsspannung.
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Unterbrechungsfreie dynamische Stromversorgung, im Wandel der Zeit
SB-Anlage, Sofortbereitschaftsanlage
1969, Einsatz: z.B Weststar Bunker
Zur unterbrechungsfreien Energieversorgung der elektronischen Verbraucher werden Sofortbereitschaftsanlagen eingesetzt. Die besonders ausgewählten Verbraucher (geschaltet auf der sicheren Verbraucherschiene) werden dabei permanet von einem Generator versorgt, der bei vorhandenem Netz, über einen Elektromotor angetrieben wird.
Bei Ausfall der regionalen Stromversorgung übernimmt kurzzeitig eine kleine mitlaufende Schwungmasse (Schwungrad-Energiespeicher), betätigt über eine elektrisch Kupplung das Hochreißen des Dieselaggregat und gleichzeitig während dieser Zeit die Energieversorgung der wichtigen Verbraucher. Die weitere Versorgung erfolgt durch das Dieselaggregat der Sofortbereitschaftsanlage.
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USV Anlage, Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit kinetischen Energiespeicher und NEA
1969, Einsatz: z.B ACE-High Station Lammersdorf
Zur unterbrechungsfreien Energieversorgung der elektronischen Geräte werden USV Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) eingesetzt. Die besonders ausgesuchten Verbraucher (geschaltet auf der sicheren Verbraucherschiene) werden dabei permanet von einem Generator versorgt, der bei vorhandenem Netz über einen Gleichstrommotor angetrieben wird.
Bei Ausfall der regionalen Stromversorgung übernimmt die mitlaufende Schwungmasse (Schwungrad-Energiespeicher mit bis zu 5 Tonnen Gewicht) während dieser Zeit die Energieversorgung der wichtigen Verbraucher, bis die NEA (Netzersatzanlage / Diesel-Stromaggregat) die Versorgung der USV Anlage übernimmt.
Durch die aus dem Schwungmassenspeicher entnommene kinetische Energie, reduzierte sich mit der verringernden Drehzahl auch die Versorgungsfrequenz von 51,5 Hz bis auf 45 Hz ( bei einer Betriebsstörung erfolgte danach bei 45 Hz, die Zwangsabschaltung des Systems), da die USV Anlage im Halblastbetrieb betrieben wurde, lag der zeitliche Verfügungsrahmen wesentlich höher als 51 Sekunden.
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USV Anlage, Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Batterieanlage und NEA
1969, Einsatz: z.B ACE-High Station Éméville
Zur unterbrechungsfreien Energieversorgung der elektronischen Geräte werden USV Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) eingesetzt. Die besonders ausgesuchten Verbraucher (geschaltet auf der sicheren Verbraucherschiene) werden dabei permanet von einem Generator versorgt, der bei vorhandenem Netz über einen Elektromotor angetrieben wird.
Bei Ausfall der regionalen Stromversorgung übernimmt die kleine Schwungmasse (Schwungrad-Energiespeicher) während dieser Zeit die Energieversorgung der wichtigen Verbraucher, bis die Batterieanlage die Versorgung der USV Anlage übernimmt. Die weitere Stromversorgung der USV Anlage erfolgt dann durch die NEA (Netzersatzanlage / Diesel-Stromaggregat).
Bei allen Lastverhältnissen wurden die Anlage mit 51,5 Hz betrieben. Die kinetische Energie des kleinen Schwungmassenspeichers reichte für die Zeit der Netzunterbrechung - ca 100 ms - um auf Batteriebetrieb umzuschalten. Der 20 KVA No Break Maschinensatz wurde bis zur Einspeisung , der im Radio Equipment Building installierten NEA Notstromversorgung, von der 105 A/h Ni - Cad Batterieanlage bis zu 30 Minuten unter Vollastbedingungen, versorgt.
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USV Anlage, Unterbrechungsfreie Stromversorgung mit kinetischen Energiespeicher und NEA
2025, Einsatz: neueste Generation von USV Anlagen
Zur unterbrechungsfreien Energieversorgung der elektronischen Geräte werden USV Anlagen (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) eingesetzt. Die besonders ausgesuchten Verbraucher (geschaltet auf der sicheren Verbraucherschiene) werden dabei permanet von einem Elektro- Synchronmotor/Generator-Block versorgt, der bei vorhandenem Netz über diesen angetrieben wird.
Im europäischen Verbundnetz treten täglich Netzstörungen von mehr als 10 ms auf, die den sicheren Betrieb von elektrischen Anlagen gefährden. Mehr als 60 % aller Netzfehler dauern länger als 100 ms, aber nur etwa 2 % länger als ein paar Sekunden.
Bei Ausfall der regionalen Stromversorgung übernimmt die mitlaufende Schwungmasse (Schwungrad-Energiespeichertechnologie) mit angebautem Generator während dieser Zeit die Energieversorgung der wichtigen Verbraucher, bis die NEA (Netzersatzanlage / Diesel-Stromaggregat) die Versorgung der USV Anlage übernimmt.
Bei einer elektrisch gekoppelten USV-Anlage ist der Energiespeicher elektrisch angebunden. Die Übertragung der Energie erfolgt sowohl beim Ent- als auch beim Wiederaufladen über die Leistungselektronik.
Alternativ
Batterie-Option, kann optional mit einer Batterie zur Kurzzeitüberbrückung ausgerüstet werden
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Bild - Quellenangaben
(PA) Privates Archiv
(1) Geographische Ansicht
(1) Google Earth, Google Street
(2) Wikipedia, Datei:VFI UPS - Online UPS (Deutsch).svg
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(3) Wikipedia, Datei:VI UPS - Line Interactive UPS (German).svg
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(4) Wikipedia, Datei:UPS VFD - Offline UPS (German).svg
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(5) Wikipedia, File:DRUPS.jpg
(6) Non Break Equipment, Betriebsphase
(6) Quellenschutz, ID 353_01
(7) Non Break Equipment, 2025
(7) Quellenschutz, ID ID 317_03
Text - Quellenangaben[1] Wikimapia.org / Militär[1] Wikimapia[2] Wikipedia, Unterbrechungsfreie Stromversorgung[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Unterbrechungsfreie_Stromversorgung