Grundlagen: USV-Anlagen

Dieser Artikel bietet einen grundsaetzlichen Ueberblick ueber
Aufgaben und Technik von unterbrechungsfreien Stromversorgungen.

USV-Anlagen

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV, englisch UPS,
uninterruptible power supply) dienen dazu, bei Stromausfall oder
-schwankungen, die EDV-Anlage ohne Unterbrechung weiterhin mit Strom
zu versorgen. Es ist hierbei unerheblich, ob die Stromschwankungen
innerhalb des Gebaeudes oder direkt vom oeffentlich Netz produziert
werden.
Gaengigerweise sind Netzwerkserver mit USV-Anlagen
abgesichert. Hier existiert sinnvoll eine Kommunikation zwischen
Server und USV. Dies ermoeglicht es der USV, wenn nach einer gewissen
Zeit immer noch kein Netzstrom wieder zur Verfuegung steht, dem
Server zu signalisieren, dass dieser einen ordnungsgemaessen Shutdown
initiiert und mit dem Batteriestrom der USV sicherstellt, dass kein
Datenverlust durch einen unkontrollierten Crash enstehen kann.
Es existieren verschiedene Typen von USV-Anlagen. Oft werden die
Anlagen in Offline- und Onlinegeraete kategorisiert. "Dazwischen"
existieren noch "Zwischentypen".

Offline-USV-Anlagen

Bei sogenannten Offline-(oder Standby-)-Geraeten stellt der
gefilterte Netzstrom die Hauptversorgungsquelle dar. Nur bei Ausfall
dieser Quelle wird auf Batterie und Wechselrichter umgeschaltet. Dies
bedeutet, dass gewisse Umschaltzeiten in Kauf genommen werden
muessen. Unter Umstaenden kann solch eine Umschaltzeit schon zu
Datenverlust oder Absturz des USV-gesicherten Computers fuehren. Fuer
Offline-USVs spricht eigentlich nur der guenstige Preis, wenn geringe
Sicherheit gefragt ist bzw. Geraete versorgt werden, bei denen die
Umschaltzeit unkritisch ist (etwa ein Kontrollmonitor).

Online-USV-Anlagen

Bei sogenannten Online-Geraeten ist der Umschalter so eingestellt,
dass die Stromversorgung grundsaetzlich ueber Batterie und
Wechselrichter laeuft. Dadurch entstehen bei Online-Geraeten bei
einem Ausfall des Stroms keine Umschaltzeiten. Solche Systeme koennen
eine Ausgangsspannung liefern, die nur Schwankungen um ein Prozent
aufweist. Zur Absicherung lebenserhaltender Systeme sind
Online-Loesungen deshalb auf jeden Fall die beste Wahl.

Netzinteraktive USV-Anlagen

Da normale Rechnersysteme recht robuste Verbraucher sind, die
Spannungsschwankungen von 20 bis 30 Volt mitunter klaglos verkraften,
ist die teuer erkaufte Praezision von Online-Systemen unter
Umstaenden nicht immer von Noeten.
Hierzu gibt es eine trickreiche Alternative, die zwischen den Off-
und Online-USV-Geraeten angesiedelt ist. Ein Pionier auf dem Gebiet
der sogenannten netzinteraktiven (auch line-interaktiven) Technik ist
die Firma American Power Conversion (APC, http://www.apcc.com). Bei
dieser Technik ist ein Inverter, also ein Umrichter, der sowohl
wechsel- als auch gleichrichten kann, immer mit dem Ausgang der USV
verbunden. Die Batterie ist zwar potentialmaessig immer mit dem
Stromkreis verbunden, das Potential liegt aber in der Regel unterhalb
der Netzspannung, so dass die Energie zur Batterie hinfliesst. Nur
wenn die Netzspannung unter einen bestimmten Wert sinkt, kehrt sich
der Stromfluss um. Netzinteraktive Geraete bieten eine
Ausgangsspannung, die sich mit der von Online-Geraeten durchaus
messen kann, die Batterie im Gegensatz zu diesen aber nur im echten
Bedarfsfall belasten (APC empfiehlt allerdings, die Smart-UPS nicht
zur Absicherung von lebenserhaltenden Systemen einzusetzen). Dadurch
wird diese sehr sensible Teil einer unterbrechungsfreien
Stromversorgung sehr geschont, was deren Lebensdauer erheblich
erhoeht (APC gibt eine Batterielebenszeit fuer die Smart UPS von drei
bis sechs Jahren an, je nach Anzahl der Entladezyklen und
Umgebungstemperatur). Der einfachere Schaltungsaufbau macht die
netzinteraktiven Geraete darueber hinaus erheblich preisguenstiger
als Online-Geraete.

Produktbeispiel: APC Smart UPS Serie III 700VA

Bei der APC Smart UPS-Reihe handelt es sich leistungsstarke,
line-interaktive, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, die saubere,
zuverlaessige Wechselstromversorgung fuer Computersysteme bietet und
diese vor Blackouts, reduzierten und erhoehten Stromstaerken,
Stromspitzen und Interferenzen schuetzt.
Normalerweise arbeitet diese USV "online" und liefert Strom vom
Netzanschluss zu den angeschlossenen Geraeten. Ein
Wechselrichter-Stromkreis sorgt fuer optimal gleichbleibende
Batterie-Ladespannung. Faellt der Netzstrom aus, versorgt der
Wechselrichter die angeschlossenen Geraete mit Wechselstrom und der
Abschaltkontakt oeffnet sich. Die angeschlossenen Geraete
funktionieren normal, bis sie ausgeschaltet werden oder bis die
Batterie erschoepft ist. Bei Rueckkehr der normalen Netzspannung
schaltet die USV automatisch wieder auf Netzstromversorgung der
Geraete um. Die USV bietet Schutz vor Spannungsspitzen und korrigiert
hohe und niedrige Eingangsspannungen, ohne dabei die Batterie zu
belasten. Die USV bietet visuelle und akustische Signale fuer den
Batteriestatus einschließlich Ladekapazitaet, niedrigen Batteriestand
und Bedingungen, die das Auswechseln der Batterie erforderlich
machen. Die USV gewaehrleistet einen hochwertigen Schutz der
Spannungsversorgung fuer die angeschlossenen Geraete. Es bestehen
jedoch bei Computergeraeten die Gefahr, dass Spannungsspitzen nicht
nur ueber die Stromversorgung, sondern auch ueber andere
Eintrittspunkte Hardwareschaeden verursachen koennen. Dies schliesst
u.a. serielle Schnittstellen (RS-232, RS-422, RS-485, usw.),
parallele Schnittstellen, Telefon-/Modemleitungen und
Netzwerkverbindungen mit ein. Diese Punkte muessen bei der
Entwicklung eines umfassenden Konzeptes zur Absicherung von
Spannungsproblemen mit beruecksichtigt werden. Die optional (bei
aktuellen (1999) Lieferungen eigentlich fast immer bereits
enthaltene) erhaeltliche Software "PowerChute" ermoeglicht eine
Kommunikation mit dem Server, zum Beispiel unter Novell Netware, so
dass bei Stromausfall der Server vollautomatisch geordnet
heruntergefahren werden kann. Zudem ist theoretisch die Ausloesung
eines Pager-Funkrufs moeglich. Die PowerChute-Software bietet
selbstverstaendlich Moeglichkeiten zur Ueberwachung der
USV-Funktionen ebenso wie diverse Logfiles.

USV-Anlagen wie die Smart-UPS sind in verschiedenen Leistungsklassen
erhaeltlich, je nach Energiebedarf der Geraete, die angeschlossen
werden sollen. Netpro-Server der Firma K2 (http://www.k2it.de) etwa
werden standardmaessig mit der 1000VA-Version der APC Smart-UPS
angeboten, da dieser Servertyp bereits mit redundanten Netzteilen und
gespiegeltem Plattensystem ausgeruestet ist, welches ein Plus auch am
Energiebedarf gegenueber Einstiegsservern ausmacht.

Grundsaetzlich sollte jeder Server, von dem die Arbeit mehrerer
Personen, etwa in einem Unternehmensnetzwerk, abhaengt, mit einer USV
abgesichert werden. Bereits beim ersten Stoerfall rechnet sich die
Investition in die USV. Und wenn Sie eine USV betreiben, schauen Sie
doch auch einfach mal in das Protokoll der Stromschwankungen und
kurzzeitigen Ausfaelle...

Quellen und Literatur:
- Nils F. Lohse: Schutz von EDV-Anlagen, 1995/1996
- Nils F. Lohse: Schutz von Computern am Netz, Vortrag an der FH
Hamburg am 25.10.1995
- Handbuch zur APC Smart UPS, American Power Conversion (APC), 1995
- Produktinformation ueber Netpro-Server, 1999