USV-Gerät: Zweck und Besonderheiten der Arbeit einer Haushalts-USV

Um die Funktionsfähigkeit von Geräten bei Netzstörungen zu erhalten, wird eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) verwendet. Je nach Art der versorgten Verbraucher und den Parametern der elektrischen Energie müssen unterschiedliche Modelle ausgewählt werden. Diese Geräte sind gefragt, daher ist es nicht schwer, ein Exemplar mit den gewünschten Eigenschaften zu erwerben.

Vor dem Kauf sollten Sie sich jedoch selbst mit den Besonderheiten des Geräts vertraut machen und diese Frage nicht den an Verkäufen interessierten Managern überlassen.

In diesem Material betrachten wir den Aufbau und die Funktionsweise einer USV und informieren über die Nutzungsregeln.

USV-Schaltungen für Wechselstrom

Für den Hausgebrauch werden USV-Geräte verwendet, die an ein einphasiges 220-V-Netz angeschlossen werden und bei Stromausfall für eine gewisse Zeit Verbraucher versorgen können, die dieselbe Spannung benötigen.

Es gibt auch USV-Geräte, die am Eingang an ein dreiphasiges Netz angeschlossen sind und am Ausgang entweder 380 V oder 220 V liefern. Diese sind jedoch teuer und werden verwendet, wenn eine autonome Leistung ab 10 kVA erforderlich ist, was für den Hausgebrauch nicht notwendig ist.

Haushalts-USV für Wechselstrom werden nach ihrer Funktionsweise in folgende Typen unterteilt:

• Offline-USV (Standby);
• Line-Interactive-USV;
• Online-USV (Doppelwandlung);

Sie unterscheiden sich in der Qualität der Ausgangsspannung und im Preis. Die günstigsten sind die Offline-USV, die teuersten die Online-USV.

Die einfachste Ausführung einer Offline-USV-Schaltung umfasst ein Umschaltrelais und eine passive Filterung zur Unterdrückung von Störungen.

Zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird im Ladegerät ein Gleichrichter verwendet. Die Rückumwandlung erfolgt mit einem Wechselrichter.

In USV-Geräten werden zum Umschalten des Stromkreises vom Netz auf die Batterie in der Regel einfache elektromechanische Relais eingebaut. Wenn dieses Bauteil von hoher Qualität ist, reicht seine Lebensdauer für die gesamte Betriebsdauer der USV aus. In den meisten Fällen liegt die Ursache für einen Defekt jedoch genau in diesem Konstruktionselement.

Die interaktive Schaltung unterscheidet sich von der Standby-Schaltung durch den eingebauten Spannungsstabilisator. Dieser ist als typischer Spartransformator mit direkt verbundenen Wicklungen ausgeführt.

Spannungsstabilisierung ist auch in vielen Haushaltsgeräten vorhanden. Wenn die Abweichungen gering sind, ist es daher nicht sinnvoll, ein teureres Line-Interactive-Modell zu kaufen.

Das Vorhandensein des Transformators zwingt den Hersteller oft zu einer Zwangskühlung, daher werden solche USV mit Lüftern ausgestattet. Diese verursachen Geräusche, die in ihrer Intensität mit dem Betrieb eines Computer-Systemblocks vergleichbar sind.

Bei der Online-Schaltung erfolgt die Stromversorgung des Wechselrichters dauerhaft über die Akkus. Daher ist die Umschaltzeit auf die Notstromversorgung bei Netzstörungen gleich null.

Die komplexesten und teuersten Geräte mit Doppelwandlung haben zudem den geringsten Wirkungsgrad. Die elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, die das Gerät abstrahlt. Daher muss ihre Verwendung gerechtfertigt sein.

Der bedeutendste Vorteil dieser Art von USV liegt in der sofortigen Reaktion auf einen Stromausfall. Für die meisten Haushaltsgeräte ist dies jedoch nicht so wichtig. Computer werden in der Regel mit USV vom Standby- oder interaktiven Typ ausgestattet.

Wichtigste Parameter

Derzeit gibt es viele Angebote für den Kauf von unterbrechungsfreien Stromversorgungen für Haushalte. Um ihre Zweckbestimmung richtig zu bestimmen und bei der Auswahl keinen Fehler zu machen, muss man verstehen, auf welche Parameter man zuerst achten sollte.

Wichtigste technische Merkmale

Die Ausgangsleistung des Geräts bestimmt den maximal zulässigen Wert, den das Gerät dem Verbraucher garantieren kann. Sie wird in Voltampere (VA) gemessen. Zur Vereinfachung für den Benutzer wird dieser Wert oft auch in Watt angegeben.

Zur Messung der Gerätelast kann man entweder ein Amperemeter verwenden oder sie mit den Angaben des in der Wohnung installierten Stromzählers berechnen.

Den Stromverbrauch kann man mit einem Haushalts-Amperemeter (Wattmeter) mit Steckdose messen. Das anzuschließende Gerät muss auf den maximalen Verbrauchsmodus eingestellt werden.

Bei der Bestimmung der tatsächlichen Leistung des Computers sollte man sich nicht nach der Nennleistung des Netzteils richten, da dieses immer mit Reserve gekauft wird.

Falls kein Amperemeter vorhanden ist, sind folgende Schritte durchzuführen:

1. Alle Stromkreise im Sicherungskasten außer dem, von dem der Computer versorgt wird, abschalten.
2. Alle Geräte in diesem Stromkreis ausschalten.
3. Den Computer einschalten und ein für ihn typisches Programm starten (z. B. ein Video von YouTube).
4. Warten, bis sich der Wert der Zehntel-Kilowattstunde am Zähler ändert.
5. Die Zeit bis zur nächsten Änderung messen.

Die durchschnittliche Leistungsaufnahme (P, Watt) für diesen Zeitraum (t, Minuten) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

P = 100 * (60 / t)

Die nächste wichtige Eigenschaft ist die Autonomiezeit. Dieser Wert hängt von der Last ab, die die USV in diesem Moment erfährt. Bei maximal zulässiger Leistung arbeiten die Akkus eines Haushaltsgeräts 1-3 Minuten. Bei halber Last ist die Zeit deutlich länger (bis zu 10 Minuten).

Aus dem Diagramm der Abhängigkeit der Autonomiezeit der Akkus von der Durchschnittslast ist ersichtlich, dass diese Abhängigkeit nichtlinear ist. Dies ist auf die Art der Batterieentladung zurückzuführen.

Daraus ergeben sich zwei Schlussfolgerungen:

• Bei einem Stromausfall muss die von den Geräten verbrauchte Last so weit wie möglich reduziert werden;
• Es ist empfehlenswert, eine USV mit einer Leistung zu erwerben, die die berechnete um mindestens 30 % übersteigt.

Der Eingangsspannungsbereich gibt die minimal und maximal zulässige Netzspannung an, bei der kein Umschalten auf die Akkus erfolgt. In der Regel halten alle USVs einen Bereich von 180-260 V aus.

Bei manchen Herstellern findet man sehr gute (Werbe-)Angaben, z. B. einen unteren Wert von 110 V. Hier muss man sicherstellen, dass diese Zahlen für die maximale Last und nicht für die halbe Last gelten.

Ein weiterer wichtiger technischer Wert ist der Geräuschpegel. USVs, die nach der Line-Interactive- oder Online-Technologie arbeiten, erzeugen viel Wärme, daher installieren die Hersteller Lüfter. Wenn die Lüfter billig sind, werden sie mit der Zeit ein Brummen abgeben, was für Wohnräume unerwünscht ist.

Schnittstelle und Konfiguration

Das Erscheinungsbild der Geräte kann sehr vielfältig sein. Normalerweise haben sie eine klassische rechteckige Form, mit Anzeigen oder einem Display auf der Vorderseite und Stromanschlüssen auf der Rückseite. Deren Anzahl ist nicht so wichtig, da man am Ausgang ein Verlängerungskabel mit Mehrfachsteckdose anschließen kann. Dies widerspricht in keiner Weise dem USV-Konzept.

Das Modell kann ein LCD-Display haben, auf dem die Versorgungssituation der angeschlossenen Geräte angezeigt wird: Vorhandensein von Strom, Anzahl der Verbraucher, Akkuladung usw.

Das Anzeigesystem verbilligt die Kosten des Geräts. Außerdem ist es praktischer. Falls man bestimmte Parameter erfahren muss, ist bei vielen Modellen die Funktion zum Anschluss an einen Computer realisiert.

Um die Parameter der Stromversorgung, den Zustand der USV-Akkus und deren Arbeitsweise zu erfahren, kann man sie an einen Computer anschließen. Für viele Modelle ist diese Funktion realisiert und es wurde eine Software entwickelt.

Es gibt drei Haupttypen von Schnittstellen:

• USB. Die am weitesten verbreitete Verbindung zwischen Computer und USV.
• RS-232 (COM-Anschluss). Selten in Haushaltsmodellen vorhanden.
• Ethernet 10/100. Es wird zur Fernsteuerung der USV verwendet.

Die Software zum Abrufen der Eigenschaften der USV und zu deren Steuerung wurde nicht nur für verschiedene Windows-Versionen entwickelt. So gibt es beispielsweise beim bekannten Hersteller Powercom eine Android-Version der Software, mit der Sie den Stromzustand aus der Ferne überwachen und bei Bedarf die Arbeit der USV anpassen können.

Mit der Software können die wesentlichen Eigenschaften des Stromnetzes wie Eingangs- und Ausgangsspannung, Frequenz überwacht werden. Auch der Akkuladestand und die Temperatur des Geräts können abgerufen werden.

USV-Geräte werden in unmittelbarer Nähe der zu schützenden Stromverbraucher platziert. In der Regel stellt man sie auf den Boden oder auf Regale. Einige Modelle sind mit Halterungen ausgestattet, die eine Montage an der Wand ermöglichen.

Qualität des Ausgangsstroms

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen müssen einen Strom von angemessener Qualität liefern. Beim Betrieb über die Batterien ist der Wechselrichter dafür zuständig, bei Netzbetrieb sollen die Filter und der Stabilisator problematische Momente glätten. Die in der elektrischen Schaltung auftretenden Störungen haben unterschiedliche Ursachen und Auswirkungen auf die Elektronik. Daher sollte man sich auch mit diesem Thema gründlich auseinandersetzen.

Netzstörungen und Schutz

Alle modernen USV sind mit einem Schutz vor Problemen seitens der angeschlossenen Geräte ausgestattet. Wenn die Gesamtlast die maximal zulässige übersteigt oder ein Kurzschluss auftritt, schaltet die USV sofort die Stromversorgung ab.

Netzstörungen lassen sich grob in Frequenz- und Impulsstörungen unterteilen. Erstere sind nicht so gefährlich, insbesondere für Netzteile von Computern oder Fernsehern, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Letztere können bei jeder Elektronik Probleme verursachen.

Daher sind die meisten USV mit einem Schutz gegen Impulse und Oberschwingungen mittels Varistoren und Hochfrequenzfiltern ausgestattet.

Die Beseitigung von Störungen auf der Leitung erfolgt in zwei Schritten. Zuerst schneiden die Varistoren die hochfrequenten Impulse ab, dann glättet der Filter kleine Spitzen.

Das Problem des Auftretens von Hochspannungsimpulsen betrifft nicht nur Stromkabel, sondern auch Datennetzwerke – Computer- oder Telefonnetze. Sie können durch atmosphärische Elektrizität, Überschläge in der Nähe befindlicher Leitungen, auftretende elektrische Einstreuungen und andere Ursachen entstehen.

Viele Hersteller bieten Modelle mit der Möglichkeit zum Schutz des lokalen Netzwerks an. Zu diesem Zweck verfügt die USV über zwei RJ-45-Anschlüsse – einen für den Eingang und einen für den Ausgang. Das Signal durchläuft einen Filter, der Spannungsspitzen unterdrückt. Für Telefonleitungen ist das System dasselbe, nur die Anschlüsse haben das Format RJ-11.

Niedrige und hohe Spannung

Die Spannungsregelung erfolgt mithilfe eines automatischen Spannungsreglers (AVR), dessen Hauptelement ein Spartransformator ist. Sein Funktionsprinzip beruht auf der Änderung der Windungszahl einer der Wicklungen, wodurch die Spannung entweder erhöht oder verringert wird.

Das Vorhandensein eines AVR in der USV ermöglicht es, den autonomen Modus nicht jedes Mal zu aktivieren, wenn die Spannung geringfügig von den Normwerten abweicht. Dies verlängert die Lebensdauer der Batterien erheblich.

Professionelle Multimeter wie das CEM DT 9909 können über einen längeren Zeitraum Spannungswerte aufzeichnen. Der Einsatz eines solchen Geräts kann bei der Auswahl eines Stabilisators oder einer USV helfen.

Gemäß GOST 29322-2014 ist eine Spannungsabweichung von 10 % vom Referenzwert für höchstens eine Stunde zulässig. Alle modernen USV mit Reglern kommen mit solchen Schwankungen zurecht.

Reinheit des Ausgangssignals

Die Art des Ausgangssignals hängt vom im Gerät verbauten Wechselrichtermodell ab. Im Idealfall sollte die Spannungskurve des Wechselstroms eine Sinuswelle sein. Nach der Umwandlung durch den Wechselrichter nimmt sie jedoch eine gestufte Form an.

Je mehr Stufen die Kurve des momentanen Spannungsverlaufs über die Zeit aufweist, desto besser ist die Qualität des Wechselstroms. Für manche Geräte ist dies wichtig.

Für Geräte mit Asynchronmotoren (Kühlschrank, Klimaanlage), Transformatornetzteilen (hochwertige Audiogeräte) und APFC-Netzteilen (Server und leistungsstarke Rechner) wird eine saubere oder gut angenäherte Sinuswelle benötigt.

Kein Wechselrichter und damit auch keine USV gibt eine reine Sinuswelle aus, egal was Gerätehersteller in Werbebroschüren behaupten. Die Annäherung des Ausgangssignals an eine Sinuswelle wird durch den Klirrfaktor (THD) bewertet.

Das Ausgangssignal des Geräts kann bei einem THD<5% als sinusförmig angesehen werden. Bei einigen Modellen, wie dem IMV NetPro 2000, beträgt dieser Wert nur 2%.

Hinweise zur Verwendung der USV

Beim Kauf einer USV für die Notstromversorgung muss verstanden werden, mit welchen Geräten sie zusammen verwendet werden kann. Manchmal reicht eine USV allein nicht aus, und es müssen zusätzliche Maßnahmen zur Stromversorgung des Hauses ergriffen werden.

Anschluss von Haushaltsgeräten

Computer, Modems, Router, Video- und Audiogeräte sind typische Haushalts- oder Bürogeräte, an die USV angeschlossen werden. Wenn diese Geräte gewöhnliche Schaltnetzteile enthalten, reicht es aus, relativ preiswerte Modelle zu erwerben, die keine reine Sinuswelle ausgeben.

Moderne Modelle sind kompakt und haben ein ansprechendes Design, das sich harmonisch zusammen mit anderen Geräten in die Einrichtung eines Wohnraums einfügt.

Für die Beleuchtung brauchen Sie auch keine teuren Produkte zu kaufen. Hier kommt es vor allem darauf an, die maximale Leistung und die Betriebszeit im Batteriemodus richtig zu berechnen.

Bei häufigen Stromausfällen ist das Problem des ungeplanten Abtauens von Kühlschränken und des Verderbens von Lebensmitteln relevant. Beim Schutz solcher Geräte mit Asynchronmotoren werden USV-Geräte mit komplexerer Bauweise benötigt, da ein “reines” Sinussignal erforderlich ist.

Darüber hinaus müssen Sie das Vorhandensein von Anlaufströmen berücksichtigen, die beim Starten des Motors auftreten. Vereinfacht ausgedrückt können Sie deren Größe für Kühlgeräte ermitteln, indem Sie den Leistungswert mit 5 multiplizieren.

Wenn sich beispielsweise in der Küche ein Kühlschrank mit einer Gesamtleistung von 300 W (beim Start 1500 W) und eine Gefriertruhe mit 200 W (beim Start 1000 W) befinden, dann wird eine USV mit reiner Sinuswelle und einer maximalen Leistung von mindestens 1700 W benötigt. Dieser Wert ergibt sich für den Fall, dass die Gefriertruhe in Betrieb ist und gleichzeitig der Kühlschrank eingeschaltet wird. Ein gleichzeitiges Anlaufen beider Motoren ist unwahrscheinlich, und eine solche USV hält einen einsekündigen Spitzenwert von 2,7 kW aus.

Ein Online-USV-Gerät mit einer maximalen Leistung von 2000 W kann bei einem Gesamtverbrauch von 500 W etwa eine halbe Stunde lang arbeiten. Da der Kühlmodus etwa 5 Minuten dauert, reicht die USV garantiert für 6 Starts beider Geräte.

Auch in Privathäusern und Villen ist der Einsatz einer USV zur Unterstützung der Heizungsanlage mit Zwangsumwälzung sinnvoll. Auch die Pumpen benötigen einen reinen Sinus.

USV-Geräte werden auch häufig für den Betrieb von Gasheizkesseln eingesetzt. Angesichts der Kosten der anzuschließenden Geräte sollten Sie in diesem Fall nicht an der Qualität der USV sparen.

Notstrom- und Zusatzstromversorgung

Für viele Haushaltsgeräte können Sie keine günstige USV auswählen, da eine erhebliche maximale Leistung bei langer autonomer Betriebszeit erforderlich ist. Waschmaschinen, Elektrobacköfen und dezentrale Klimaanlagen verbrauchen viel Strom.

Sie können natürlich während eines Stromausfalls auf diese Geräte verzichten. Dies ist sinnvoll, wenn solche Unterbrechungen selten und kurzzeitig auftreten. Falls jedoch die Entscheidung getroffen wird, leistungsstarke Verbraucher mit autonomer Stromversorgung zu versorgen, ist es besser, einen Benzin- oder Dieselgenerator zu verwenden. Für deren schnellen Start bei Spannungsausfall wird eine automatische Reserveeinschaltung (ARE) verwendet.

Wenn eine zusätzliche Stromquelle vorhanden ist, sollten Sie dennoch eine USV verwenden, zumindest für Computer. Eine sofortige Inbetriebnahme des Generators und Wiederherstellung der Stromversorgung ist nicht möglich.

Stabilisierung von Unterspannung

Das Problem der Unterspannung betrifft Objekte, die an alte oder schwache Stromnetze angeschlossen sind. Wenn diese Situation ständig auftritt, ist es besser, einen Eingangsstabilisator zu verwenden.

Bei Vorhandensein eines Spannungsstabilisators wird die Spannung des Hausnetzes auf die Normwerte gebracht. Dies betrifft auch Geräte, die nicht an die USV angeschlossen sind.

Bei Unterspannung steigt die Stromstärke, die durch das Hausnetz fließt. Nehmen wir an, die Gesamtleistung der an die USV angeschlossenen Verbraucher beträgt 1,5 kW und die zugeführte Spannung beträgt 190 V.

Dann nach dem Ohmschen Gesetz:

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – Stromstärke im Stromkreis vor der USV ohne Stabilisator;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – Stromstärke im Stromkreis vor der USV mit Stabilisator.

Somit wird das Hausnetz ohne Stabilisator einer erhöhten Belastung ausgesetzt, was bei der Wahl des Leitungsquerschnitts möglicherweise nicht berücksichtigt wurde.

Daher ist es bei ständiger Unterspannung besser, einen Stabilisator zu installieren. In diesem Fall wird auch die Belastung des Spartransformators der USV geringer, was seine Lebensdauer verlängert. Außerdem können unter Berücksichtigung der Spannungsstabilisierung günstigere USV-Geräte erworben werden.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung von Gleichstromverbrauchern

Für einige Geräte muss eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit Gleichstrom von 12, 24 oder 48 V gewährleistet werden. USV dieser Art sind ebenfalls im Handel erhältlich. In ihrer Kennzeichnung ist die Abkürzung “DC” enthalten. Blöcke mit Spannungen von 60, 110 oder 220 V gibt es ebenfalls, sie werden jedoch in der Industrie oder Energietechnik eingesetzt.

Der Unterschied von Gleichstrom-USV in der inneren Bauweise zu klassischen Modellen besteht im fehlenden Wechselrichter. Die Akkumulatoren werden direkt über einen Schütz mit strombegrenzendem Messshunt an den Ausgang angeschlossen, um eine unzulässig tiefe Entladung der Batterien zu verhindern.

Manchmal kann am Ausgang ein stabilisierender Konverter vorhanden sein, wenn die von der USV gespeisten Geräte empfindlich auf kleine Spannungsschwankungen reagieren.

Zusammen mit Spannungswandlern kann eine Gleichstrom-USV mit 48 W ein Videoüberwachungssystem mit einem Umfang von bis zu 1 km versorgen.

Solche Notstromversorgungen werden für den Schutz der folgenden, mit Gleichstrom betriebenen Haushaltsgeräte verwendet:

• Videoüberwachungssysteme und Sicherheitssysteme;
• verschiedene Sensoren (Leckage, Rauch, Feuer, Bewegung usw.);
• Beleuchtungssysteme;
• Telekommunikationsgeräte;
• Kommunikationssysteme;
• Komponenten des Systems zur Steuerung des “Smart Home”.

Viele Gleichstrom-USV verfügen über die Option zum Anschluss externer Akkumulatoren. In diesem Fall kann der autonome Betrieb der von ihnen versorgten Geräte sehr lang sein.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Kurze Übersicht über die wichtigsten Merkmale von USV-Geräten für den Haushalt:

Die Vielfalt der USV-Typen und ihrer Merkmale ergibt sich aus den unterschiedlichen Einsatzbedingungen: der Leistung und Art der angeschlossenen Geräte, den Parametern und typischen Problemen des jeweiligen Stromnetzes. Eine USV ist in der Regel nicht das teuerste Element im System, aber die Stabilität des Systems hängt von ihr ab. Daher sollten Sie die Betriebsbedingungen ermitteln und die Auswahl des Modells sorgfältig angehen.

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