[[start|zurück]] ====== 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) | | | | | '---------------------+-----------------------+--------------------------------' ===== 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 ====


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.

==== 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: $VA$_$i$$ = W$_$i$ $/ PF$_$i$ * **c)** konservativ dimensionieren: * Methode 1 (einfach): $VA = Summe$ ($W$) $/ 0,9$ (oder / kleinster PF)$ × 1,3$ * Methode 2 (genau): $VA = (Σ W$_$i$ $/ PF$_$i$$) × 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):** * $Wh$_$batt$$ = 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) ====


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)

==== 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). ==== 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 ($ΣW$_$crit$) $= 900 W$ * 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. * $VA$_$need$ $= W / PF = 900 / 0,9 =$ **$1000 VA$** * 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. $Wh$_{$batt-needed$} $≈ (900 W * 0,5 h) / 0,6 ≈$ **$750 Wh$** **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) | $VA$_$einfach$ $= (ΣW / 0,9) * 1,3$ | | | 2 (genau) | $VA$_$genau$ $= (Σ (W_i / PF_i)) * 1,3$ | | | **Empfehlung** | **nimm die größere der beiden** | **$USV ≥ … VA$** | ==== C) Autonomie-Abschätzung ==== ^ Parameter ^ Wert ^ | Ziel-Autonomie (min) | | | Last $W$_$last$ ($W$) | $= ΣW $ | | Batterie-Spannung U ($V$) | 24 / 36 / 48 | | Kapazität Ah | | | $Wh$_$batt$ $= 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) =====


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

---- ===== 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**. ---- ==== 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**. ---- ==== 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**. ---- **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).