USV - Unberechenbare Stromversorgung? (Teil 1)

28.05.1998

MEERBUSCH: Datenverluste und Beschädigungen von Hardware durch Stromausfälle bescheren Unternehmen und Anwendern Jahr für Jahr enorme Kosten. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen sollen diesem Übel den Garaus machen. Im ersten Teil unseres zweiteiligen Technikbeitrages beschreibt Autor Walter V. Steinfeld* die Anwendungsgebiete und Funktionsprinzipien der Minikraftwerke.Schutzmaßnahmen gegen Netzstörungen und Netzausfall werden mit Vorliebe dann ergriffen, wenn das Kind schon in den Brunnen gefallen ist. Nur in den wenigsten Fällen können dann die Vorwürfe dem Netzwerkadministrator gelten, denn mittlerweile hat es sich in EDV-Kreisen herumgesprochen, daß Netzstörungen und Stromausfälle Hard- und Softwareschäden in ungeahnten Höhen nach sich ziehen können. Vielmehr scheitert die Absicherung gegen solche Vorfälle oftmals an der Investitionsseite. "Wir hatten noch nie Stromausfall", sagte der Chef letzte Woche noch. Jetzt kann er nicht einmal den EDV-Servicetechniker verständigen, weil Frankfurt zur Zeit Stromausfall hat und die ISDN-Anlage (anders als das alte analoge Telefonnetz) keinerlei Telefongespräche ohne Strom ermöglicht. Wenn der Strom wieder da ist, erreicht er diesen Mann aber auch nicht, denn dessen Nummer war zwar in der ISDN-Anlage gespeichert, doch durch den Stromausfall ist der Speicher gelöscht worden. Der Chef kann froh sein, wenn sein ISDN-System wenigstens über ein Notprogramm verfügt, das nach dem Reset überhaupt noch Anrufe auf einer Leitung zuläßt.

Daß ein Mangel an Investitionsbereitschaft für die Sicherung von Stromversorgungen besteht, liegt nicht zuletzt an dem unüberschaubaren Angebot von USVs (Unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder neuhochdeutsch auch UPS Uninter-ruptible Power Supply). Dieses Angebotsspektrum umfaßt eine Vielzahl von Technologien, Ausstattungsmerkmalen und Optionen, doch alle Angebote weisen eine gemeinsame Eigenschaft auf: Die Produktanbieter behaupten, grundsätzlich das beste Produkt mit der bestgeeigneten Technologie zu besitzen.

So widersinnig diese Aussage auch scheinen mag - bei genauerer Betrachtungsweise zeigt sich, daß in der Tat fast jede USV Eigenschaften aufweist, die in dem einen oder anderen Punkt einen wesentlichen Unterschied zum Wettbewerb markiert.

Genau hier liegt die Schwierigkeit, selbst für den versierten Techniker, wenn er sich nicht grundsätzlich oder sogar detailliert einen Anforderungskatalog zusammengestellt hat, der die notwendigen Produkteigenschaften seiner USV definiert.

Doch wie soll ein solcher Forderungskatalog zusammengestellt werden, wenn man nicht mit den verschiedenen Produkttechnologien vertraut ist und außerdem USV-Hersteller gezielt Desinformation betreiben, um ihre eigene Produkttechnologie als "die eierlegende Wollmilchsau" zu präsentierten?

Im folgenden soll Technikern und versierten Laien die Funktionskriterien von USV-Systemen kleinster Leistung bis hin zum Großsystem von mehreren Megawatt erläutert werden.

Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose...

Die wenigsten Anwender wissen, daß nicht das EVU (Energieversorgungsunternehmen) das zentrale Problem für Stromschwankungen und -ausfälle darstellt. Insofern ist das Argument "Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose" gleich doppelt verfehlt. Zum einen ist das, was aus der Wand kommt, gegebenenfalls alles andere als "sauberer Strom". Man denke nur an Versorgungsnetze im Bereich der Schwerindustrie oder in der Nähe von Groß-energieverbrauchern. Was da aus der Steckdose kommt ist in vielen Fällen Energiemüll, behaftet mit Transienten (Spannungsspitzen) und Netzrauschen übelster Art. Zum anderen haben statistische Untersuchungen gezeigt, daß ein weit höheres Gefahrenpotential für die Energieversorgung durch Einwirkungen im Nahfeld besteht. Ob das die berühmte Putzfrau ist, die den Netzstecker zieht, oder der Bagger, der gerade die Hausleitung gekappt hat - die lokalen Ursachen für Stromlosigkeit sind weit vielfältiger und auch gefährlicher als Ausfälle seitens des EVU. Doch selbst diese existieren, wie uns die USA erst unlängst beeindruckend bestätigt hat.

Spätestens seit der Einführung der Mikrocomputertechnologie haben elektronische Geräte eine empfindliche Natur für Schwankungen und Störungen der Versorgungsspannung entwickelt. Während "unintelligente" Systeme in der Regel Netzstörungen bestenfalls mit einem kurzen Aussetzer quittieren und nach der Netzstörung wieder klaglos ihren Dienst aufnehmen, versagt ein PC-gestütztes System im günstigsten Fall den Dienst, bis ein Reset dem System wieder in seine geordneten Bahnen verhilft. Im ungünstigsten Fall (Murphy ist überall!) werden Funktionen unplanmäßig aktiviert, Hardwarekomponenten (wie zum Beispiel Festplatten) oder Programmstrukturen mit vollständigen Datensätzen nachhaltig zerstört.

Typische Beispiele dafür sind:

- EDV-Systeme jeglicher Art, vom PC bis zum Großrechner;

- Prozeßsteuerungen aller Art;

- ISDN-Systeme;

- hochwertige Meß- und Analysesysteme.

Der direkte Schaden, etwa ein Festplatten-Crash, der durch solche Netzstörungen verursacht wurde, steht dabei oftmals in keinem Verhältnis zum Gesamtschaden. Allein die Kosten, ein abgestürztes Betriebsystem in Verbindung mit den notwendigen Softwareneuinstallationen wieder zum Leben zu erwecken, dürften den Betrag der zerstörten Hardware um ein Vielfaches übertreffen. Diese Kosten potenzieren sich augenblicklich, wenn Fertigungsausfälle im Produktionsbereich die direkte Konsequenz des Systemabsturzes sind.

Dramatisch wird die Betrachtung aber erst, wenn eine Gefährdung von Menschenleben durch den Ausfall von einwandfreien Steuerungsfunktionen gegeben ist, man denke an den medizinischen Bereich oder an Prozeßsteuerungen in Verbindung mit Fertigungsstraßen. USV-Systeme, worunter im weitesten Sinne auch unterbrechungsfreie Gleichstromsysteme (UGV oder auch Ladegleichrichter mit Akkusatz) fallen, können die Betriebssicherheit komplexer Systeme bei Netzstörungen gewährleisten, vorausgesetzt, die individuelle Anwendung wird durch das dafür geeignete Funktionsprinzip der USV geschützt.

Die Funktionsprinzipien

Ein wesentliches Problem bei der Betrachtung der Funktionsprinzipien der USV liegt darin begründet, daß verschiedene Technologien mit Begriffen gekennzeichnet sind, die weder geschützt noch genormt sind. Daraus resultiert das Problem für den Anwender, daß er, um die Qualität und Funktionssicherheit beurteilen zu können, ein Mindestmaß an technischem Verständnis benötigt. Begriffe wie "netzinteraktiv", "quasi-online" oder auch "online" sind nicht geeignet, ein Funktionsprinzip hinreichend zu beurteilen, da diese Begriffe keine eindeutigen Funktionsbeschreibungen liefern. Darüber hinaus erlaubt eine Vielzahl technischer Lösungen keine eindeutige Zuordnung zu diesen Begriffen mehr, die Abgrenzung der verschiedenen Technologien wird selbst für Insider immer schwieriger. Jede Technologie hat positive und negative Eigenschaften, die geeignete Auswahl beziehungsweise die beste Wahl ist applikationsabhängig.

Die wesentlichen Funktionsprinzipien sind:

1. Offline-Technologie (zum Teil auch netzinteraktiv genannt)

2. Netzinteraktive oder No-Break- Technologien (zum Teil auch online genannt)

3. Sinus-Dauerwandler-Technologie (das "echte" Online-Prinzip).

Offline-Technologie

Diese Technik erlaubt die preisgünstigste Realisierung eines USV-Systems. Bei Netzbetrieb wird die Netzspannung dem Verbraucher (mehr oder weniger) direkt zugeführt. Je nach Geräteausführung sind zusätzliche Bauelemente wie Netzfilter und Überspannungsableiter in die Versorgungsleitung eingefügt. Der Wechselrichter ist bei Netzbetrieb inaktiv und liegt nicht im Strompfad der Last, ist also offline und damit nicht in der Versorgungslinie. Gleichzeitig wird der USV-Akku vom Gleichrichter geladen.

Tritt eine Netzstörung oder ein Netzausfall auf, wird der Wechselrichter (Inverter) in Betrieb genommen und die Last, das heißt der an der USV angeschlossene Verbraucher, aufgeschaltet. Je nach Schaltungstyp entstehen Netzunterbrechungen von ein bis zehn Millisekunden, die in der Regel für den Verbraucher kein Problem bedeuten. PC-Netzteile sind in der Lage, je nach Güte Netzunterbrechungen bis 30 ms und mehr zu verkraften, ohne daß der PC abstürzt.

Offline-Systeme liefern am Ausgang, je nach Hersteller und Gerätetyp, die unterschiedlichsten Spannungsformen: Rechteck, pulsweitenmoduliertes Rechteck, Dreieck, Trapez, sinusähnliche oder reine Sinusform mit geringem Klirrfaktor - alles findet man im Markt. Die nicht sinusförmige Ausgangsspannung mag auf den ersten Blick gegen den Einsatz einer Offline-USV sprechen, jedoch sollte man diesen Punkt nicht überbewerten. Schaltnetzteile, die heutzutage in nahezu allen Anwendungsbereichen Einsatz finden, richten die Eingangswechselspannung ohnehin gleich, um damit einen Kondensator zu laden. Aus diesem Grund ist die angebotene Kurvenform der Wechselspannung unerheblich, solange der Spitzenwert der Netzspannung nicht überschritten wird.

Beim Offline-Schaltungskonzept (ebenso wie bei der netzinteraktiven Technologie) hat der Gleichrichter ausschließlich die Aufgabe, die Batterie der USV zu laden. Damit bestimmt der nur geringe Lade- bezie

hungsweise Ladeerhaltungsstrom die Auslegung des Gleichrichters und dessen Kühlung.

Der Wechselrichter von Offline-USVs wird kühlungstechnisch in vielen Fällen nur auf die Nennleistung für eine bestimmte Betriebszeit der USV ausgelegt. Das heißt, der Kühlkörper der Leistungshalbleiter wird aus Kostengründen so knapp dimensioniert, daß die Kühlleistung nur für einen Betrieb bei Nennlast von beispielsweise zehn Minuten ausreicht. Würde man die Kapazität des internen Akkus vergrößern, um längere Überbrückungszeiten zu realisieren, würden die MosFETs oder IGBTs (je nach Design) den thermischen Tod sterben.

Aufgrund des Schaltungsprinzips, bei dem die Last direkt am Netz liegt, haben Offline-USVs einen extrem hohen Wirkungsgrad bei Netzbetrieb.

Dem gegenüber steht aber das nicht zu unterschätzende Risiko, daß der Inverter im Ernstfall (also bei Netzausfall) die Last nicht übernehmen könnte. Schließlich funktioniert die Offline-USV wie eine Raumbeleuchtung: Man schaltet den Lichtschalter ein und erwartet, daß der Raum beleuchtet wird. Ob das Licht angeht, hängt davon ab, ob die Birne (in diesem Falle der Inverter) im Moment des Einschaltens noch funktioniert.

Mehr noch - viele Offline-Systeme gaukeln Sicherheit vor, wo gar keine besteht. Typische Beispiele:

- Bei Netzbetrieb versorgt die Offline-USV eine weit größere Last, als bei Stromausfall vom Inverter geliefert werden kann. Die Konsequenz: Der Inverter sieht bei Stromausfall eine Überlast und schaltet im besten Fall zum eigenen Schutz ab (im schlechtesten Fall gibt er Rauchzeichen). Somit stürzt auch der PC ab.

- Spannungsspitzen und Schwankungen können mehr oder weniger ungefiltert zur Last gelangen.

- Die Offline-USV erkennt nicht, daß der Akku keine Funktion mehr hat.

- Die Offline-USV erkennt bestimmte Inverter-Defekte nicht. Typischer Fall: Die Last ist mit nur einer Halbwelle versorgt, ohne daß dieser Fehler vom System erkannt wird.

Inzwischen gibt es intelligente Lösungen, die regelmäßig die eingebaute Batterie prüfen, die entnommene Leistung der USV prüfen und bei Überschreitung eine Überlast auch bei Netzbetrieb anzeigen sowie die Kurvenform der Ausgangsspannung im Inverter-Betrieb überwachen.

Doch die Tücke steckt wie immer im Detail. Allein die Lastüberwachung im Netzbetrieb stellt sich bei genauerer Betrachtung als äußerst komplexes Problem dar, da die USV-Last alles andere als eine eindeutig definierbare Größe darstellt. Die Last einer USV kann aus allen möglichen Geräten bestehen und stellt in den wenigsten Fällen einen rein ohmschen Verbraucher dar. Somit ergeben sich Phasenverschiebungen von Strom und Spannung im USV-Ausgang.

Doch mehr noch als eine reine Phasenverschiebung erschwert die Kurvenform des aufgenommenen Stromes eine eindeutige Lastüberwachung. Schaltnetzteile, wie sie heutzutage fast ausschließlich im EDV-Bereich eingesetzt werden, haben bei weitem keine sinusförmige Stromaufnahme mehr. Oszillografiert man die Stromaufnahme, erkennt man deutlich, daß vielmehr von einer pulsförmigen Stromaufnahme gesprochen werden muß. Damit ist jedoch die Aufgabenstellung, die aufgenommene Leistung möglichst genau zu messen, zu einem schwierigen Unterfangen geworden. Gleichzeitig gelten dadurch auch für den Inverter neue Qualitätsanforderungen. Er muß in der Lage sein, pulsförmige Ströme zu liefern.

Im Idealfall muß also eine elektronische Leistungsüberwachung in die Offline-USV integriert werden, die in der Lage ist, möglichst genau zu erkennen, welche Art von Last an das System angeschlossen ist. Da diese Aufgabenstellung alle möglichen Phasenwinkel der Last abdecken und die pulsförmige Stromaufnahme der Last auswerten muß, ist ein erheblicher Meßaufwand verbunden mit der Auswertung mathematischer Algorithmen notwendig. Zudem spielt die zulässige Schwankung der Netzeingangsspannung, die gegebenenfalls auch noch von Transienten und Rauschen überlagert ist, mit in diese Auswertung hinein.

Unter diesen Umständen wird verständlich, daß die Funktion einer solchen elektrischen Baugruppe mit Vorsicht zu genießen ist. Letztlich ist es besser, sich nicht auf die Überlastanzeige einer USV zu verlassen, sondern das System lieber mit größeren Leistungsreserven zu versehen. Die Wahl zwischen einer relativ teuren Offline-USV mit umfangreichen Überwachungskriterien muß also nicht unbedingt sinnvoller sein als ein vergleichsweise einfaches, aber stärkeres, kostengünstigeres USV- System.

Die Tücke liegt im Detail

Eine weitere Detailverbesserung der Offline-USVs führte dazu, daß Netzfehler wie Rauschen, HF-Spannungsspitzen sowie Unter- und Überspannungen erfaßt werden und die USV in den Inverter-Betrieb geht. Diese Maßnahme ist aber keineswegs unproblematisch: Bei chronisch verseuchten Netzen oder Unterspannungen ist der Inverter ständig in Betrieb und die Batterie in kurzer Zeit leer. Um dem vorzubeugen, wurde der AVR (Automativ Voltage Regulator: automatische Spannungsregelung) erfunden. Durch eine elektronische Schaltung wird die Netzspannung möglichst auf ein Niveau angehoben oder abgesenkt, das der Verbraucher akzeptieren kann. Damit entsteht für die USV keine Notwendigkeit, trotz extrem schwankender Eingangsspannung auf Inverter-Betrieb zu gehen. Diese Designs werden in zunehmendem Maße als netzinteraktiv (line interactive) bezeichnet.

Alle diese Detailverbesserungen der Offline-USV können über wesentliche Einschränkungen nicht hinwegtäuschen.

Für die Offline-USV gilt:

- Mit der Netzspannung liegen auch alle Netzstörungen mehr oder weniger direkt am Verbraucher an.

- Bei Netzausfall entsteht eine Unterbrechung der Ausgangsspannung von einigen Millisekunden.

- Eine einwandfreie Funktion des Inverters mit erfolgreicher Lastübernahme ist zu keinem Zeitpunkt zweifelsfrei sichergestellt.

Anwendungen und Ausführungen von Offline-USVs

Offline-USVs finden Anwendung in allen Bereichen der EDV und zum Teil auch der Steuerungstechnik, für kleine ISDN-Anlagen, Einzelplatz-Rechnerlösungen und kleine Serveranlagen. Vielfach werden diese Lösungen auch bei größeren Netzwerkservern eingesetzt, weil die sicherheitstechnischen Anforderungen dem Diktat der Finanzen unterworfen werden.

Die Geräte sind in den verschiedensten Formen erhältlich. Die gebräuchlichste ist der Mini-Tower, gefolgt von den Tischgehäusen. Letztere werden auch als "Flat Desk"- oder Slimline-Versionen angeboten, so daß sie unter dem Monitor am Arbeitsplatz integriert werden können.

Als Alternative bieten sich integrierbare USV-Lösungen an. Die Disk-Size-Einschub-USV besteht aus zwei Komponenten: der Steuereinheit und dem Batterie-Pack. Beide Baugruppen besitzen die Abmessungen eines 5 1/4-Zol-Disketteneinschubes, wobei das Akku-Pack an einer beliebigen Stelle im Rechner integriert werden kann. Der Einbau erfolgt ohne Eingriffe auf die Motherboard-Verkabelung. Sollte der Akku der USV oder diese selbst einmal ihren Dienst versagen, kann der Rechner problemlos ohne mechanische Eingriffe wieder direkt ans Netz angeschlossen werden.

Die Netzteil-USV stellt eine weitere interessante Version dar. Dabei wird das Motherboard sogar online versorgt, wobei für den Einsatz dieser USV-Typs jedoch der Austausch des alten Netzteils notwendig ist. Ferner muß geprüft werden, ob die zur Verfügung stehende Inverter-Leistung auch für den angeschlossenen Monitor ausreichend ist. Aus diesen Gründen empfiehlt sich diese Lösung besonders für Anwender, die ihren Server oder den Einzelplatz-PC vollständig selbst assemblieren.

Der zweite Teil erscheint in der nächsten Ausgabe und befaßt sich mit netzinteraktiven sowie Sinusdauerwandler-Technologien bei USVs.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) sollen den PC vor Stromschwankungen und -ausfällen bewahren.

*Walter V. Steinfeld ist Geschäftsführer der Firma Power Sources GmbH

in Meerbusch.

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