Tag 15: USV – Unterbrechungsfreie Stromversorgung

Prüfungsrelevanz

AP1 + AP2

Dimensionierung, Typen, Vor- und Nachteile, Leistungsrechnung

Häufigkeit in alten Prüfungen

★★★★☆

Berechnungsaufgaben kommen regelmäßig vor – Formeln sitzen müssen!

Was ist eine USV?

Zweck und Funktion

Eine Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) schützt IT-Systeme vor Stromausfällen, Spannungsschwankungen und anderen Netzstörungen. Sie überbrückt den Zeitraum zwischen Netzausfall und dem Hochfahren eines Notstromaggregats oder dem geordneten Herunterfahren der Systeme.

Schutz vor: Stromausfall, Spannungseinbrüchen (Brownout), Überspannungen, Spannungsspitzen, Frequenzabweichungen, harmonischen Verzerrungen
Ziel: Verfügbarkeit sicherstellen (Schutzziel!) – kein Datenverlust, kein ungeplanter Neustart
Typische Einsatzbereiche: Serverräume, Rechenzentren, Netzwerkhardware, medizinische Geräte, Kassensysteme

Wichtiger Zusammenhang

USV und IT-Sicherheit (Schutzziel Verfügbarkeit)

Die USV ist eine klassische infrastrukturelle Schutzmaßnahme zur Sicherstellung der Verfügbarkeit. Im Kontext der IHK-Prüfung wird das gerne verknüpft:

Schutzbedarfsanalyse → hoher Schutzbedarf Verfügbarkeit → USV als Maßnahme ableiten
TOMs (DSGVO) → Infrastruktur-TOM: Notstromversorgung für Systeme mit personenbezogenen Daten
BSI IT-Grundschutz: Baustein INF.2 (Rechenzentrum) und SYS.1.1 fordern USV explizit

Normgrundlage

IEC 62040-3 – USV-Klassifikation

Die internationale Norm IEC 62040-3 klassifiziert USV-Anlagen in drei Klassen:

VFI (Voltage and Frequency Independent): Online-Doppelwandler – Spannung und Frequenz unabhängig vom Netz. Höchster Schutz.
VI (Voltage Independent): Line-Interactive – Spannung geregelt, Frequenz vom Netz abhängig.
VFD (Voltage and Frequency Dependent): Offline/Standby – Spannung und Frequenz vom Netz abhängig. Günstigste Variante.

Grundgrößen der Elektrotechnik

Spannung, Strom, Leistung – Zusammenhang

Elektrische Leistung

P = U × I

P = Wirkleistung [W] | U = Spannung [V] | I = Stromstärke [A]

Scheinleistung (VA)

S = U × I [VA]

Scheinleistung in Voltampere – wird auf USV-Geräten angegeben (z.B. „1000 VA"). S ≥ P (immer!)

Wirkleistung aus Scheinleistung

P = S × cos(φ) [W]

cos(φ) = Leistungsfaktor (Power Factor). Typisch für IT-Lasten: cos(φ) ≈ 0,6–0,9.
Faustregel IHK: cos(φ) = 0,6 wenn nicht anders angegeben → P = S × 0,6

Energie (Batterie)

E = P × t [Wh]

E = Energie [Wh] | P = Leistung [W] | t = Zeit [h]

Batteriekapazität

Kapazität, Entladestrom und Überbrückungszeit

Batteriekapazität in Amperestunden

C = I × t [Ah]

C = Kapazität [Ah] | I = Entladestrom [A] | t = Entladezeit [h]

Entladestrom berechnen

I = P / U_Batterie [A]

P = Wirkleistung der Last [W] | U_Batterie = Batteriespannung [V]
Typische USV-Batteriespannungen: 12 V, 24 V, 48 V

Benötigte Kapazität für Überbrückungszeit

C_benötigt = I × t_überbrückung

Mit Sicherheitsfaktor (empfohlen): C_real = C_benötigt / η
η = Wirkungsgrad der USV (typisch 0,85–0,95, Prüfung: wenn nicht angegeben → 0,9)

Überbrückungszeit aus gegebener Kapazität

t = C × U_Batterie / P [h]

Umgestellt: t = (C [Ah] × U_Batterie [V]) / P [W]
Ergebnis in Stunden → × 60 für Minuten

Dimensionierung der USV

Schritt-für-Schritt: USV auswählen

1

Gesamtlast (Wirkleistung) aller zu schützenden Geräte addieren

P_gesamt = P_Server1 + P_Server2 + P_Switch + … [W]

2

Scheinleistungsbedarf berechnen

S_bedarf = P_gesamt / cos(φ) [VA] – oder alternativ: S = P / 0,6

3

Sicherheitspuffer einplanen (mind. 20–30 %)

S_USV ≥ S_bedarf × 1,25 (25 % Reservepuffer)

4

USV-Klasse auswählen (je nach Schutzbedarf)

Normal → VFD; Hoch → VI; Sehr hoch / RZ → VFI (Online)

5

Batterie auf gewünschte Überbrückungszeit prüfen

t = (C [Ah] × U_Batt [V]) / P_gesamt [W] → Ergebnis in Stunden

Einheiten-Merkhilfe (prüfungsrelevant)

Formel P = U × I – Leistung = Spannung × Strom

Formel P = S × cos(φ) – Wirkleistung aus Scheinleistung

Formel C = I × t – Kapazität = Strom × Zeit

Einheit W (Watt) = Wirkleistung | VA (Voltampere) = Scheinleistung

Einheit Ah (Amperestunden) = Kapazität | Wh (Wattstunden) = Energie

Achtung USV-Leistungsangabe ist immer in VA (Scheinleistung) – die tatsächlich nutzbare Wirkleistung ist kleiner!

Achtung Batteriespannung ≠ Netzspannung (230 V). Batterien meist 12 V / 24 V / 48 V intern.

Musteraufgabe 1

Überbrückungszeit berechnen

1

Tatsächliche Last unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads

P_eff = P_Last / η = 300 W / 0,9 = 333,3 W

Die USV muss mehr Leistung aus der Batterie entnehmen, als die Last verbraucht, da sie selbst Verluste hat.

2

Entladestrom berechnen

I = P_eff / U_Batt = 333,3 W / 48 V ≈ 6,94 A

3

Überbrückungszeit berechnen

t = C / I = 7 Ah / 6,94 A ≈ 1,009 h ≈ 60,5 Minuten

t ≈ 60 Minuten

💡 Kurzformel: t = (C × U_Batt) / P_Last = (7 × 48) / 333,3 = 1,008 h

Musteraufgabe 2

USV-Größe (VA) ermitteln

1

Gesamtwirkleistung addieren

P_gesamt = 2×350 + 80 + 120 = 700 + 80 + 120 = 900 W

2

Scheinleistungsbedarf berechnen

S = P / cos(φ) = 900 W / 0,7 ≈ 1285,7 VA

3

Sicherheitspuffer (25 %) einrechnen

S_min = 1285,7 VA × 1,25 ≈ 1607 VA

Mindest-USV: 2000 VA (nächste Handelsgröße aufwärts)

Musteraufgabe 3

Benötigte Batteriekapazität berechnen

1

Zeit in Stunden umrechnen

t = 20 min / 60 = 0,333 h

2

Effektive Leistung (inkl. USV-Verluste)

P_eff = 500 W / 0,85 ≈ 588,2 W

3

Entladestrom berechnen

I = P_eff / U_Batt = 588,2 / 24 ≈ 24,5 A

4

Kapazität berechnen

C = I × t = 24,5 A × 0,333 h ≈ 8,16 Ah

Benötigte Kapazität: ≥ 8,2 Ah → handelsüblich: 9 Ah oder 12 Ah wählen

Interaktiv

🔧 Überbrückungszeit-Rechner

Gib die Werte ein und berechne die Überbrückungszeit deiner USV:

Last / Wirkleistung [W]

Batteriespannung [V]

Batteriekapazität [Ah]

Wirkungsgrad η [%]

🔋 Überbrückungszeit: – Minuten

⚡ Entladestrom: – A

📊 Effektive Last (mit Verlusten): – W

IEC 62040-3 Klassifikation

Die drei USV-Topologien im Überblick

Merkmal	VFD (Offline)	VI (Line-Interactive)	VFI (Online)
Normbezeichnung	VFD (Voltage & Frequency Dependent)	VI (Voltage Independent)	VFI (Voltage & Frequency Independent)
Funktionsprinzip	Im Normalbetrieb direkt am Netz; Batterie nur bei Ausfall	Spannungsregelung durch Trafo; Batterie bei Ausfall	Strom fließt immer durch USV (Doppelwandlung AC→DC→AC)
Umschaltzeit	4–10 ms (nicht überbrückungslos)	2–4 ms	0 ms (unterbrechungslos, immer aktiv)
Schutz vor	Stromausfall	Ausfall + Spannungsschwankungen	Alle Netzstörungen inkl. Frequenz, Oberwellen
Wirkungsgrad	Sehr gut ~99%	Gut ~95–98%	Mittel ~85–95%
Kosten	Günstig	Mittel	Teuer
Typischer Einsatz	Heimnetzwerk, einzelne PCs	KMU-Netzwerke, kleinere Server	Rechenzentren, Krankenhäuser, kritische Infrastruktur

Prüfungstipp

Welchen Typ empfehle ich wann? – Prüfungslogik

Frage: „Welche USV für ein Rechenzentrum?" → VFI (Online-Doppelwandler), weil Umschaltzeit = 0 ms und vollständige Entkopplung vom Netz
Frage: „Kostengünstigste Lösung für Büro-PCs?" → VFD (Offline), akzeptable Schutzwirkung, günstig
Frage: „Schutz vor Spannungsschwankungen ohne hohe Kosten?" → VI (Line-Interactive)
Merkregel: Je höher der Schutzbedarf (Verfügbarkeit), desto höher die USV-Klasse (VFD < VI < VFI)

Batterietechnologien

Akku-Typen in USV-Anlagen

Typ	Vorteile	Nachteile	Einsatz
VRLA / AGM (Valve Regulated Lead-Acid)	Günstig, wartungsfrei, robust	Schwer, begrenzte Zyklenanzahl, temperatursensibel	Standard-USV bis ca. 10 kVA
Li-Ion	Leicht, lange Lebensdauer (8–10 Jahre), schnell ladbar	Teuer, Brandrisiko bei Fehlfunktion	Moderne RZ-USV, kompakte Systeme
NiCd	Temperaturstabil (–20°C bis +60°C)	Memory-Effekt, Cadmium = Sondermüll, teuer	Industrielle Sonderanwendungen

Wichtige Begriffe für die Prüfung

Überbrückungszeit: Zeitdauer, die die USV bei Netzausfall den Betrieb aufrechterhalten kann
Autonomiezeit: Synonym zu Überbrückungszeit
Tiefentladung: Kritischer Zustand – Batterie unter Mindestspannung entladen → irreparabler Schaden. USV schaltet daher vorher ab!
C10-Rate: Batteriekapazität bei 10-stündiger Entladung. Wird die Batterie schneller entladen, sinkt die effektive Kapazität (Peukert-Effekt).
Bypass: Schaltung, die Last direkt ans Netz legt (bei USV-Wartung oder -Defekt)
Redundanz (N+1): Eine USV mehr als nötig → erhöht Verfügbarkeit

1. Eine USV hat eine Scheinleistung von 1500 VA. Der Leistungsfaktor beträgt 0,6. Wie groß ist die maximale Wirkleistung?

✅ Richtig! P = S × cos(φ) = 1500 VA × 0,6 = 900 W. Die Wirkleistung ist immer kleiner als die Scheinleistung!

❌ Falsch. Die Formel lautet P = S × cos(φ). Also: 1500 VA × 0,6 = 900 W.

2. Was bedeutet die Abkürzung „VFI" laut IEC 62040-3?

✅ Korrekt! VFI = Voltage and Frequency Independent – das ist die Online-Doppelwandler-Topologie mit 0 ms Umschaltzeit.

❌ Falsch. VFI steht für „Voltage and Frequency Independent" – die Online-USV-Klasse.

3. Eine Batterie hat 12 Ah bei 24 V. Die angeschlossene Last beträgt 200 W. Der Wirkungsgrad der USV ist 100 % (vereinfacht). Wie lang ist die Überbrückungszeit in Minuten?

✅ Richtig! t = (C × U) / P = (12 Ah × 24 V) / 200 W = 288 Wh / 200 W = 1,44 h = 86,4 Minuten.

❌ Falsch. Rechnung: t = (12 Ah × 24 V) / 200 W = 288 / 200 = 1,44 h = 86,4 Minuten.

4. Welche USV-Topologie hat eine Umschaltzeit von 0 ms?

✅ Korrekt! VFI-USV (Online) lässt den Strom immer durch den Wechselrichter fließen – kein Umschalten nötig, daher 0 ms.

❌ Falsch. Nur VFI (Online-Doppelwandler) hat 0 ms, da die Last immer über den Wechselrichter versorgt wird.

5. Zu welchem Schutzziel der IT-Sicherheit trägt eine USV primär bei?

✅ Richtig! Eine USV sichert die Verfügbarkeit von IT-Systemen bei Stromausfall. Sie ist eine klassische infrastrukturelle Maßnahme.

❌ Falsch. Die USV schützt primär die Verfügbarkeit – Systeme bleiben trotz Stromausfall erreichbar und betriebsbereit.

6. Wie viele Ah Batteriekapazität werden benötigt, um 400 W Last für 15 Minuten bei 48 V und η = 0,9 zu überbrücken?

✅ Korrekt! P_eff = 400/0,9 = 444,4 W → I = 444,4/48 = 9,26 A → C = 9,26 × 0,25 h = 2,31 Ah.

❌ Falsch. Rechnung: P_eff = 400/0,9 = 444,4 W; I = 444,4/48 ≈ 9,26 A; t = 15min = 0,25h; C = 9,26 × 0,25 = 2,31 Ah.