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====== USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) ======

Eine **USV (Uninterruptible Power Supply)** ist ein Gerät, das bei Ausfall oder Störung der Netzstromversorgung sofort und unterbrechungsfrei elektrische Energie aus Batterien bereitstellt.  
Sie schützt angeschlossene Systeme vor Datenverlust, Hardware-Schäden oder Ausfällen.

===== Aufgaben einer USV =====
  * Überbrückung bei Stromausfall (Notstromversorgung für Minuten bis Stunden)
  * Schutz vor Spannungsschwankungen (Spikes, Brownouts, Überspannung)
  * Filterung von Netzstörungen (Frequenzschwankungen, Rauschen)
  * Geordnete Abschaltung von Servern/Clients durch Management-Software

===== Typen von USVs =====
==== Offline/Standby-USV ====
  * Normalbetrieb: Netzstrom geht direkt an die Verbraucher
  * Bei Stromausfall: Schaltet auf Batterie um (Umschaltzeit 2–10 ms)
  * Geeignet für PCs, kleinere Systeme
  * + günstig, - einfache Schutzfunktion

==== Line-Interactive-USV ====
  * Netzspannung läuft über AVR (Automatic Voltage Regulator)
  * Kann Spannungsschwankungen ohne Batterieeinsatz ausgleichen
  * Umschaltzeit 2–4 ms
  * Geeignet für Serverräume kleiner bis mittlerer Größe

==== Online-USV (Doppelwandler) ====
  * Netzstrom → Gleichstrom → Wechselstrom (permanent)
  * Keine Umschaltzeit, da Verbraucher immer an Inverter hängen
  * Höchste Qualität (komplett gefiltert)
  * Ideal für Rechenzentren, kritische Systeme
  * + höchste Sicherheit, - teuer, hoher Energiebedarf

===== Visualisierung: USV-Typen =====
< a2s >
                      .-----------------------.
                      | Vergleich USV-Typen   |
.---------------------+-----------------------+--------------------------------.
| Offline/Standby     | Line-Interactive      | Online (Doppelwandler)         |
+---------------------+-----------------------+--------------------------------+
| Netz --> Verbraucher| Netz --> AVR --> ...  | Netz --> Gleichrichter --> ... |
|                     | ... --> Verbraucher   | ... --> Batterie --> Inverter  |
| Batterie nur im     |                       |                                |
| Notfall aktiv       | Batterie bei Ausfall  | Verbraucher ständig an Inverter|
| Umschaltzeit nötig  | Umschaltzeit sehr kurz| (keine Unterbrechung)          |
|                     |                       |                                |
'---------------------+-----------------------+--------------------------------'
</a2s>

===== Störungsarten im Stromnetz =====
  * Blackout – kompletter Ausfall
  * Brownout – Spannungsabfall
  * Überspannung – z. B. durch Blitzeinschläge
  * Spannungsspitzen – kurze Peaks
  * Frequenzschwankungen – Netz nicht stabil bei 50 Hz
  * Rauschen / Störsignale – elektromagnetische Einflüsse

===== Komponenten einer USV =====
  * Batterie/Akku (Blei-Gel oder Lithium-Ionen)
  * Wechselrichter/Inverter (DC → AC)
  * Ladegerät (Netzstrom → Akku)
  * Bypass-Schalter (für Wartung oder Überlast)
  * Steuerung & Management (Monitoring, SNMP, USB/Netzwerk)

===== Kapazität & Dimensionierung =====
  * Leistung: in **VA (Voltampere)** angegeben
  * Faustregel: Last der Geräte × Sicherheitsfaktor (1,2–1,5)
  * Autonomiezeit: abhängig von Batteriegröße und Last
    * Büro-PC: wenige Minuten reichen
    * Server: 10–30 Minuten üblich
    * Rechenzentren: mehrere Stunden, oft in Kombination mit Notstromaggregat

===== Vergleichstabelle USV-Typen =====
^ Typ              ^ Vorteile                          ^ Nachteile                           ^
| Offline          | günstig, einfache Bauweise        | Umschaltzeit, wenig Schutz          |
| Line-Interactive | Spannungsausgleich, Preis/Leistung| nicht 100% störungsfrei             |
| Online           | höchste Sicherheit, keine Umschaltzeit | teuer, höherer Eigenverbrauch |

===== Praxisbeispiele =====
  * Heimarbeitsplatz: Offline-USV für PC und Router → reicht für geordnetes Herunterfahren
  * Kleine Firma: Line-Interactive für Server, Switches und Firewall
  * Rechenzentrum: Online-USVs + Dieselgenerator für unterbrechungsfreien Betrieb

===== Wartung & Stolperfallen =====
  * Regelmäßige Batterietests durchführen
  * Akkutausch alle 3–5 Jahre (Blei) / 8–10 Jahre (Li-Ion)
  * Ausreichende Luftzirkulation sicherstellen (Wärmeentwicklung)
  * Keine Überlastung (VA-Grenze beachten)
  * Monitoring einrichten (rechtzeitig Alarm bei schwachen Batterien)

===== Merksätze für die Prüfung =====
  * Offline = billig, Line-Interactive = Allrounder, Online = Premium
  * VA ≠ Watt (Leistungsfaktor beachten, meist 0,6–0,8)
  * USV schützt vor Ausfall UND Spannungsschwankungen
  * Redundanz und regelmäßige Tests sind entscheidend für hohe Verfügbarkeit

===== Berechnungen & Dimensionierung (mit Beispielen) =====

==== 1) Grundformeln ====
<code>
Wirkleistung (W)           = U * I * cosφ
Scheinleistung (VA)        = U * I
Leistungsfaktor (PF)       = cosφ  (bei IT-Lasten i.d.R. 0,6…0,95)
Beziehung W ↔ VA           = W = VA * PF  ⇔  VA = W / PF

Sicherheitszuschlag        = 20…50% (typisch 30% → Faktor 1,3)
Benötigte USV-Größe (VA)   = Summe_W / PF_gesamt * Zuschlag

Batterie-Energie (Wh)      = U_batt (V) * Ah * (# Strings)
Nutzbarer Anteil (Blei)    = 60…80% (hochstrombedingte Verluste, Temperatur, Alterung)
USV-Wirkungsgrad η         = 0,8…0,95 (Online meist 0,9±, Line-Interactive 0,9±)

Autonomie grob (h)         ≈ (Wh_batt * Nutzbar * η) / W_Last

Konservativ:               Nutzbar=0,7  und η=0,85  ⇒  Faktor ~0,6
=> t(h) ≈ (Wh_batt * 0,6) / W_Last

HINWEIS:
• Herstellerlaufzeitdiagramme sind genauer (Peukert-Effekt, Entladekurven).
• PF-Annäherung: Ohne PFC ~0,6; mit aktiver PFC ~0,9…0,95.
• Für kurze Überbrückungszeiten (5–15 min) reichen meist interne Batterien.
• Für längere Zeiten externe Battery-Packs oder Generator einplanen.
</code>

==== 2) Vorgehen Schritt für Schritt ====

  * **a)** Lasten erfassen: Nennleistung in Watt ($W$) und ggf. $PF$ pro Gerät
  * **b)** Summe W bilden. Optional VA pro Gerät: $VA$<sub>$i$</sub>$ = W$<sub>$i$</sub> $/ PF$<sub>$i$</sub>
  * **c)** konservativ dimensionieren:
    * Methode 1 (einfach): $VA = Summe$ ($W$) $/ 0,9$ (oder / kleinster PF)$ × 1,3$
    * Methode 2 (genau):   $VA = (Σ W$<sub>$i$</sub> $/ PF$<sub>$i$</sub>$) × 1,3$
  * **d)** USV-Typ wählen (Line-Interactive vs. Online) je nach Schutzbedarf
  * **e)** Ziel-Autonomie festlegen (z. B. 10, 15, 30 min)
  * **f)** Batteriekapazität prüfen/auswählen: t ≈ (Wh_batt * 0,6) / W_last
  * **g)** Reserve für Alterung/Temperatur berücksichtigen (+10…20% Wh)
  * **h)** Optional Redundanz (N+1) und Generator-Kopplung bewerten

==== 3) Rechenbeispiel (kleiner Server-Stack) ====
**Gegeben:**
  * Server (PFC): 350 W, PF=0,90
  * Switch:       50 W,  PF=0,60
  * NAS (PFC):    60 W,  PF=0,95
  * Zielautonomie: ≥ 15 min

----

**3.1 Summe Last:**
  * ΣW = 350 + 50 + 60 = **460 W**

----

**3.2 Scheinleistung konservativ:**
  * Methode 1 (einfach, PF_gesamt≈0,9): 
    VA_basis = 460 W / 0,9 = **511 VA**
    Mit Zuschlag 30%: VA = 511 * 1,3 ≈ **664 VA**

  * Methode 2 (genauer, je Gerät):
    VA_server = 350/0,90 ≈ 389 VA
    VA_switch = 50/0,60  ≈ 83 VA
    VA_nas    = 60/0,95  ≈ 63 VA
    ΣVA_basis = 389 + 83 + 63 = **535 VA**
    Mit Zuschlag 30%: VA = 535 * 1,3 ≈ **696 VA**

**=> Auswahl:** Eine **1000 VA** Line-Interactive oder Online-USV bietet Reserve (Einschaltströme, Alterung)

----

**3.3 Autonomieabschätzung mit typischer 24 V / 9 Ah Batterie (2×12V/9Ah):**

  * $Wh$<sub>$batt$</sub>$ = 24 V * 9 Ah =$ **$216 Wh$**
  * Nutzbar * $η$ konservativ $≈ 0,6$  ⇒ nutzbare $ Wh ≈ 216 * 0,6 =$ **$130 Wh$**
  * $t = 130 Wh / 460 W =$ **$0,283 h ≈ 17 min$**
  * **Ergebnis:** Ziel ≥15 min wird erreicht

----

**3.4 Wenn ≥ 30 min gefordert:**
  * Benötigte nutzbare Wh ≈ 0,5 h * 460 W = **230 Wh**
  * Mit Faktor 0,6 rückwärts: Wh_batt ≈ 230 / 0,6 ≈ **383 Wh**
  * Bei 24 V ergibt sich Ah ≈ 383 / 24 ≈ **16 Ah**
  * ⇒ z. B. **24 V / 18–20 Ah** (intern + externes Battery-Pack) einplanen

==== 4) Redundanz (N+1) kurz erklärt ====
  * Zwei USVs parallel (über ATS/STS oder Dual-Netzteile):
    - **Jede** USV sollte die **volle kritische Last** alleine tragen können
      oder mindestens >60–70% je nach Verteilung und ATS-Strategie
    - Getrennte Strompfade (USV A → PDU A, USV B → PDU B)
    - Wartung & Batterietausch ohne Downtime möglich

==== 5) Generator-Kopplung ====
  * USV überbrückt Hochlaufzeit des Generators (typ. 10–60 s)
  * Generatorleistung ≥ 1,2…1,5 × USV-Nennleistung (Transienten, THD)
  * AVR/regelbare Drehzahl am Generator verbessert Spannungsqualität
  * Frequenz- und Spannungsstabilität prüfen (50 Hz ±, 230 V ±10%)

==== 6) Schnellformeln (Cheatsheet) ====
<code>
1) VA grob         : VA ≈ (ΣW / 0,9) * 1,3         (mit PFC)
                     VA ≈ (ΣW / 0,6) * 1,3         (ohne PFC/konservativ)

2) Autonomie (min) : t_min ≈ ((U * Ah * #Strings) * 0,6) / W * 60

3) Batterien hochskalieren:
   gewünschte Wh_batt ≈ (W * t_min/60) / 0,6
   benötigte Ah       ≈ Wh_batt / U
   (U=24 V, 36 V, 48 V je nach USV)
</code>

==== 7) Typische Praxiswerte ====
  * Line-Interactive 1000 VA: 2×12 V / 9 Ah → ~10–20 min @ 400–600 W
  * Online 1500 VA (1,5 kVA): 36–48 V Batteriespannung, externe Packs -> 30–60+ min
  * Batterietauschzyklen: Blei 3–5 Jahre, Li-Ion 8–10 Jahre (temperaturabhängig)
  * Dimensionierung lieber eine Stufe größer (Lüfterlast, Alterungsreserve)

===== Beispiel 2: Rack mit Dual-PSUs (Redundanz N+1) =====

Ziel: Jedes Gerät hat zwei Netzteile (PSU A/B). Last wird auf zwei getrennte USV-Pfade (Pfad A und Pfad B) verteilt. Bei Ausfall einer USV muss die verbleibende USV die **gesamte kritische Last** tragen können.

==== a) Topologie ====
< a2s >
               +-------------------- REDUNDANZ-ÜBERSICHT --------------------+
               |                                                             |
         [Einspeisung A]                                              [Einspeisung B]
               |                                                             |
               |                                                             |
            [USV A]                                                       [USV B]
           (online)                                                      (online)
               |                                                             |
               |                                                             |
            [PDU A]--------------------------------------------------+    [PDU B]
               |                                                     |       |
      +--------+--------+                                     +------+-------+------+
      |                 |                                     |                     |
 [Server1 PSU-A]   [Server2 PSU-A]                      [Server1 PSU-B]       [Server2 PSU-B]
      |                 |                                     |                     |
  ----+-----------------+-------------------------------------+---------------------+----
  Hinweis: Trennung der Pfade A/B beibehalten (versch. Steckdosenleisten/Phasen).
</a2s>

==== b) Stückliste (Beispiel) ====
  * 2× USV online, **je** ≥ 1500 VA (1,5 kVA) **oder** passend zur Last (siehe c)
  * 2× Rack-PDU (C13/C19 gemischt), je eine an USV A bzw. USV B
  * 2× getrennte Einspeisungen/Leitungen (möglichst unterschiedliche Phasen)
  * Option: 1× ATS/STS (Automatic/Static Transfer Switch) **pro** Single-PSU-Gerät
  * Patch-/Kabelsatz: C13/C14/C19/C20 nach Bedarf, farblich getrennt (A=rot, B=blau)
  * SNMP-Karten/Netzwerkkarten für beide USVs, Management via NUT/apcupsd/Hersteller-Tools

==== c) Dimensionierung & Checks ====
**Gegeben:**
  * Kritische Last ($ΣW$<sub>$crit$</sub>) $= 900 W$
  * Leistungsfaktor gesamt $PF ≈ 0,9$ (PFC-Geräte)
  * Ziel-Autonomie $t ≥ 15 min$

**c.1 USV-Leistung je Pfad (N+1):**
  * Redundanzregel: *Eine* USV muss **$900 W$** alleine versorgen können.
  * $VA$<sub>$need$</sub> $= W / PF = 900 / 0,9 =$ **$1000 VA$**
  * Zuschlag $30$%: $1000 * 1,3 =$ **$1300 VA$**
  * **Ergo:** Wähle **%≥ 1500 VA%** pro USV (Reserve für Einschaltstrom/Alterung).

**c.2 Normalbetrieb (Lastverteilung):**
  * Balanced Split: je Pfad $≈ 50$% → $~450 W$ pro USV
  * Beide USVs laufen im effizienten Teillastbereich (leiser/kühler)

**c.3 Fehlerfall (USV A fällt aus):**
  * USV B muss **$900 W$** tragen → innerhalb der $1500 VA$-USV inkl. Zuschlag ✓

**c.4 Autonomieabschätzung pro USV:**
  * Beispielbatterie USV: $36 V / 12 Ah (3×12 V/12 Ah) ⇒ Wh_batt ≈ 432 Wh$
  * Nutzbar * $η$ konservativ $≈ 0,6$ → nutzbar $≈ 432 * 0,6 =$ **$259 Wh$**
  * **Fehlerfall** (volle Last auf 1 USV): $t ≈ 259 Wh / 900 W =$ **$0,288 h ≈ 17 min$**
  * Ziel $t ≥ 15 min$ wird **im Worst-Case** erreicht
  * Für $t ≥ 30 min$ → externe Battery-Packs, z. B. $Wh$<sub>$batt-needed$</sub> $≈ (900 W * 0,5 h) / 0,6 ≈$ **$750 Wh$**

**c.5 Derating/Reserve:**
  * Umgebungstemp. $20–25 °C$ anstreben (Batterielebensdauer!).
  * Reserve für Alterung/Temperatur $+10…20$% einplanen.
  * Kurzzeitige Peaks (Boot/Sync) berücksichtigen (Spezifikationen „Überlastfähigkeit“).

==== d) Single-PSU-Geräte einbinden ====
  * Pro Single-PSU-Gerät **ATS/STS** nutzen:
    - Primär an PDU A, Sekundär an PDU B
    - Transferzeit <10 ms (typ. 4–8 ms), mit USV-Puffer i. d. R. problemlos
  * Alternativ: umziehen auf Dual-PSU-Hardware (empfohlen für kritische Systeme)

==== e) Betrieb & Monitoring ====
  * USV-SNMP in Zabbix/Prometheus/Grafana integrieren (Ladezustand, Runtime, Alarme)
  * Regelmäßige Last- und Batterietests (monatlich/vierteljährlich), jährlicher „Full Discharge“-Test wenn vom Hersteller freigegeben
  * Geordnete Abschaltung: NUT/apcupsd-Master an USV A **und** B anbinden; Shutdown-Policy:
    - **AUSFALL 1 Pfad:** weiterlaufen
    - **Batterie kritisch beider Pfade:** geordneter Shutdown (Prioritäten/Sequenzen)

==== f) Schnell-Checkliste (Go-Live) ====
  - [ ] Lastplan dokumentiert (W, PF, Einschaltströme)
  - [ ] Pfadtrennung physisch/farbcodiert
  - [ ] Jede USV kann ΣW_crit **allein** tragen
  - [ ] ATS/STS für Single-PSU-Geräte getestet
  - [ ] Autonomie im Fehlerfall ≥ Ziel (Messung!)
  - [ ] Alarme/Benachrichtigungen aktiv (Mail/Chat/Webhook)
  - [ ] Wartungsfenster & Batterietauschzyklus definiert

----

===== Kalkulations-Vorlage (zum Ausfüllen) =====

**Hinweis:** PF = Leistungsfaktor (typisch: mit PFC ≈ 0,9; ohne PFC ≈ 0,6).  
Empfohlener Zuschlag: 30% (1,3). Autonomie grob: t(h) ≈ (Wh_batt * 0,6) / W_last.

==== A) Lasten erfassen ====
^ Gerät                 ^ W (Watt) ^ PF (0,6–0,95) ^ VA = W/PF ^ Bemerkung                              ^
| Beispielgerät 1       |          |                |           |                                        |
| Beispielgerät 2       |          |                |           |                                        |
| Beispielgerät 3       |          |                |           |                                        |
| **Summe**             | **ΣW**   | —              | **ΣVA**   |                                        |

==== B) USV-Dimensionierung ====
^ Methode ^ Rechnung                                ^ Ergebnis ^
| 1 (einfach) | $VA$<sub>$einfach$</sub> $= (ΣW / 0,9) * 1,3$            |                     |
| 2 (genau)   | $VA$<sub>$genau$</sub>   $= (Σ (W_i / PF_i)) * 1,3$       |                     |
| **Empfehlung** | **nimm die größere der beiden**         | **$USV ≥ … VA$**      |

==== C) Autonomie-Abschätzung ====
^ Parameter                       ^ Wert                  ^
| Ziel-Autonomie (min)            |                       |
| Last $W$<sub>$last$</sub> ($W$)                 | $= ΣW $                 |
| Batterie-Spannung U ($V$)         | 24 / 36 / 48          |
| Kapazität Ah                    |                       |
| $Wh$<sub>$batt$</sub> $= U * Ah * $ #Strings     |                       |
| **t(h) ≈ (Wh_batt * 0,6) / W_last** | **= … h ≈ … min**      |

==== D) Redundanz (optional) ====
^ Punkt                                     ^ OK/Anmerkung ^
| Jede USV kann ΣW_crit alleine tragen      |               |
| Pfadtrennung (PDU A/B, Farbcodes)         |               |
| ATS/STS für Single-PSU-Geräte             |               |
| Shutdown-Policy (NUT/apcupsd) definiert   |               |

----

===== Formel-Spickzettel (kurz & knackig) =====
<code>
1) VA/W/PF:
   VA = W / PF       |   W = VA * PF        |   PF ≈ 0,9 (PFC), 0,6 (ohne PFC)

2) Zuschlag:
   USV_VA_required ≈ (ΣW / PF_gesamt) * 1,3
   (oder genauer: (Σ(W_i/PF_i)) * 1,3)

3) Batterie & Autonomie:
   Wh_batt = U(V) * Ah * (#Strings)
   t(h) ≈ (Wh_batt * 0,6) / W_last
   Wh_batt_needed ≈ (W_last * t_min/60) / 0,6
   Ah_needed ≈ Wh_batt_needed / U

4) Praxis-PF:
   Server/NAS/Firewall mit aktiver PFC: PF 0,90…0,95
   Kleine Switches, alte Netzteile: PF 0,55…0,7
</code>

----

===== Presets / Beispielzeilen (sofort nutzbar) =====

==== 1) Heim-NAS ====
^ Gerät   ^ W ^ PF ^ VA = W/PF ^ Bemerkung                ^
| NAS     | 35 | 0,95 | 37     | 1-Bay/2-Bay Heim-NAS     |
| Router  | 12 | 0,60 | 20     | ohne aktive PFC          |
| **Summe** | **47** | — | **57** |                      |
**USV-Größe (einfach)**: (47/0,9)*1,3 ≈ **68 VA** → **USV ≥ 400–600 VA** (Reserve, Einschaltstrom).  
**Autonomie grob** (24V/9Ah=216Wh): t ≈ (216*0,6)/47 ≈ **2,76 h**.

----

==== 2) 1-HE-Server (klein) ====
^ Gerät  ^ W ^ PF ^ VA = W/PF ^ Bemerkung        ^
| Server | 250 | 0,90 | 278  | 1× PSU, PFC       |
| **Summe** | **250** | — | **278** |           |
**USV-Größe (genau)**: 278*1,3 ≈ **361 VA** → **USV ≥ 750–1000 VA** (Reserve/Erweiterung).  
**Autonomie grob** (24V/9Ah): t ≈ (216*0,6)/250 ≈ **0,52 h ≈ 31 min**.

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==== 3) 2× Switch (Access) ====
^ Gerät   ^ W ^ PF ^ VA = W/PF ^ Bemerkung                ^
| Switch 1| 45 | 0,60 | 75     | ohne PFC (konservativ)   |
| Switch 2| 45 | 0,60 | 75     | ohne PFC (konservativ)   |
| **Summe** | **90** | — | **150** |                      |
**USV-Größe (genau)**: 150*1,3 ≈ **195 VA** → **USV ≥ 600–800 VA** (Wachstum/PoE-Spitzen).  
**Autonomie grob** (24V/9Ah): t ≈ (216*0,6)/90 ≈ **1,44 h ≈ 86 min**.

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==== 4) Firewall (Rack) ====
^ Gerät    ^ W ^ PF ^ VA = W/PF ^ Bemerkung       ^
| Firewall | 80 | 0,90 | 89     | PFC-Netzteil    |
| **Summe** | **80** | — | **89** |                |
**USV-Größe (einfach)**: (80/0,9)*1,3 ≈ **116 VA** → **USV ≥ 600–800 VA** (Spitzen/Reserve).  
**Autonomie grob** (24V/9Ah): t ≈ (216*0,6)/80 ≈ **1,62 h ≈ 97 min**.

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**Tipp:** Für **gemeinsame USV** (z. B. Firewall + 2×Switch + NAS):  
ΣW = 80 + 90 + 47 = **217 W** → VA_einfach = (217/0,9)*1,3 ≈ **313 VA** → **USV ≥ 1000–1500 VA** (Reserve + Wachstum).  
Autonomie (24V/9Ah): t ≈ (216*0,6)/217 ≈ **0,60 h ≈ 36 min**.  
Für **~15 min** reichen kleinere Batterien; für **30–60 min**: externes Battery-Pack oder höhere Spannung (36/48 V).