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.

• 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

• 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

• Netzspannung läuft über AVR (Automatic Voltage Regulator)
• Kann Spannungsschwankungen ohne Batterieeinsatz ausgleichen
• Umschaltzeit 2–4 ms
• Geeignet für Serverräume kleiner bis mittlerer Größe

• 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

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

• 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)

• 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

• 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

• 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)

• 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

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.

• 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 ≈ (Whbatt * 0,6) / Wlast
• g) Reserve für Alterung/Temperatur berücksichtigen (+10…20% Wh)
• h) Optional Redundanz (N+1) und Generator-Kopplung bewerten

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, PFgesamt≈0,9): VAbasis = 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

• Zwei USVs parallel (über ATS/STS oder Dual-Netzteile):
  1. 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

• 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%)

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)

• 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)

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.

• 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

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“).

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

• 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:
  1. AUSFALL 1 Pfad: weiterlaufen
  2. Batterie kritisch beider Pfade: geordneter Shutdown (Prioritäten/Sequenzen)

1. [ ] Lastplan dokumentiert (W, PF, Einschaltströme)
2. [ ] Pfadtrennung physisch/farbcodiert
3. [ ] Jede USV kann ΣW_crit allein tragen
4. [ ] ATS/STS für Single-PSU-Geräte getestet
5. [ ] Autonomie im Fehlerfall ≥ Ziel (Messung!)
6. [ ] Alarme/Benachrichtigungen aktiv (Mail/Chat/Webhook)
7. [ ] Wartungsfenster & Batterietauschzyklus definiert

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

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

USV-Größe (einfach): (47/0,9)1,3 ≈ 68 VA → USV ≥ 400–600 VA (Reserve, Einschaltstrom).
Autonomie grob (24V/9Ah=216Wh): t ≈ (2160,6)/47 ≈ 2,76 h.

USV-Größe (genau): 2781,3 ≈ 361 VA → USV ≥ 750–1000 VA (Reserve/Erweiterung).
Autonomie grob (24V/9Ah): t ≈ (2160,6)/250 ≈ 0,52 h ≈ 31 min.

USV-Größe (genau): 1501,3 ≈ 195 VA → USV ≥ 600–800 VA (Wachstum/PoE-Spitzen).
Autonomie grob (24V/9Ah): t ≈ (2160,6)/90 ≈ 1,44 h ≈ 86 min.

USV-Größe (einfach): (80/0,9)1,3 ≈ 116 VA → USV ≥ 600–800 VA (Spitzen/Reserve).
Autonomie grob (24V/9Ah): t ≈ (2160,6)/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 ≈ (2160,6)/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).