Die Abkürzung USV steht für unterbrechungsfreie Stromversorgung. Sie hat den Zweck, bei Störungen am Stromnetz die Stromversorgung weiterhin sicherzustellen. Der Einsatz von USVen verhindert zum Beispiel den Ausfall von lebenserhaltenden Maschinen in Krankenhäusern. Seltener findet die unterbrechungsfreie Stromversorgung Verwendung in Privathaushalten oder kleinen Büros. Dennoch schützt sie dort gleichermaßen vor Datenverlust, Hardwaredefekten und Ausfallzeiten, etwa bei NAS-Systemen, Routern, Smart-Home-Zentralen oder Arbeitsstationen. Moderne USV-Systeme verbessern zusätzlich die Netzqualität (Power Quality), filtern Störungen und stellen eine stabile, saubere Spannung zur Verfügung.

Auch wenn der Name eine unterbrechungsfreie Versorgung verspricht, kann diese für wenige Millisekunden unterbrochen werden. Dies bleibt für die Verbraucher aber ohne Funktionseinbußen, da diese in ihren Netzteilen ausreichend Energie speichern, um einige Millisekunden selbst überbrücken zu können. Die sogenannte Umschaltzeit (Transfer Time) hängt von der USV-Kategorie ab: Offline-/VFD-Modelle benötigen typischerweise 4–10 ms, netzinteraktive/VI-Systeme bewegen sich ähnlich oder schneller, während Online-/VFI-USVen praktisch ohne Umschaltzeit arbeiten, da sie die Verbraucher permanent über den Wechselrichter versorgen. Für sehr sensible Geräte mit engen Toleranzen empfiehlt sich daher häufig eine Online-Topologie.

Vor welchen Störungen schützt die USV?

Eine USV versorgt den Verbraucher nicht nur im Fall eines Stromausfalls. Je nach Aufbau können Unter- und Überspannungen ebenso wie Frequenzänderungen und Oberschwingungen abgefedert werden. Da immer wieder große Ströme ungewollte Auswirkungen auf das Stromnetz zur Folge haben, können empfindliche Geräte durchaus beschädigt werden. Zusätzlich filtert eine geeignete USV hochfrequentes Rauschen (EMI/RFI), glättet Spannungsverzerrungen und minimiert transiente Ereignisse, die etwa durch Schaltvorgänge, Blitzereignisse in der Umgebung oder das Ein- und Ausschalten großer Lasten entstehen.

• Blackout: vollständiger Netzausfall; die Batterie übernimmt die Versorgung.
• Brownout/Unterspannung: längere Spannungsabsenkung; AVR (Automatic Voltage Regulation) gleicht aus.
• Überspannung/Surge: erhöhte Netzspannung durch Schalthandlungen oder Rückspeisungen.
• Spikes/Transienten: sehr kurze, hohe Spannungsspitzen; Filterstufen und Ableiter schützen die Elektronik.
• Spannungseinbruch/Sag: kurzfristige Absenkung, z. B. beim Start großer Motoren.
• Frequenzänderungen: Abweichungen von 50 Hz; Online-USV stabilisiert die Ausgangsfrequenz.
• Oberschwingungen/THD: verzerrte Sinuskurve; doppelte Umwandlung reduziert die Verzerrung am Ausgang.
• Rauschen/EMI/RFI: Hochfrequenzstörungen; Filter sorgen für saubere Versorgung.

Beim Abschalten großer Lastabnehmer ist plötzlich viel mehr Spannung vorhanden, dies wird als Überspannung bezeichnet. Das Anschalten großer Abnehmer hingegen ruft Spannungsabsenkungen, die sogenannten Unterspannungen, hervor. Dies kann auch durch das ständige Nachregeln der Energieversorger nicht verhindert werden. Indem eine USV die angeschlossenen Geräte aus Akkumulatoren speist, die ihrerseits permanent aus dem Stromnetz nachgeladen werden, können Schwankungen und Ausfälle im Netz ausgeglichen werden. Zusätzlich schützen hochwertige USV-Systeme durch Überspannungsableiter und Filterstufen auch vor kurzzeitigen Spannungsspitzen und ableitbaren Stoßströmen.

Ausstattung einer USV

Die unterbrechungsfreie Stromversorgung besteht aus Stromrichtern, einer elektronischen Regelung und Akkumulatoren. USVen, die in Serie produziert werden, haben meistens eine Leistung von mindestens 300 Voltampere (VA). Die Belastbarkeit der verbauten Stromrichter ist ausschlaggebend für die USV-Leistung. Ein anderes sehr wichtiges Merkmal ist natürlich die Zeit, die mithilfe der unterbrechungsfreien Stromversorgung überbrückt werden. Diese ist abhängig von der Kapazität der verwendeten Akkus. Je nach Verwendungszweck reicht die Überbrückungszeit von wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden.

• Leistungsangaben (VA und Watt): Neben VA ist die Watt-Leistung entscheidend. Der Leistungsfaktor (PF) moderner Geräte liegt häufig bei 0,9–1,0, wodurch mehr wirksame Leistung zur Verfügung steht.
• Ausgangswelle: Reine Sinusausgänge sind für Server, NAS und Motorlasten vorteilhaft. Günstige Systeme liefern teils eine approximierte Sinuskurve.
• Akkutechnologien: Geläufig sind wartungsarme VRLA-/AGM-Batterien; neuere Modelle setzen zunehmend auf Lithium-Ionen für längere Lebensdauer, geringeres Gewicht und schnelle Rückladung.
• Bypass/Static Switch: Ermöglicht die Versorgung der Last direkt aus dem Netz bei Überlast oder Störung, ohne die Verbraucher abzuschalten.
• AVR/Boost & Trim: Automatische Spannungsregelung gleicht moderate Netzschwankungen ohne Batterienutzung aus.
• Kommunikation & Monitoring: USB/seriell oder SNMP für Status, Alarmierung, Tests und geordnetes Herunterfahren angeschlossener Systeme.
• Umgebungsbedingungen: Temperatur, Belüftung und Feuchtigkeit beeinflussen die Batterielebensdauer erheblich; ideal sind 20–25 °C.

In Fällen, in denen ein großer Bedarf an Überbrückungszeit und Leistung besteht, kommen mitunter sogenannte Stromerzeugungsaggregate zum Einsatz. Mit diesen werden dann die Akkus der USV nachgeladen. In kleineren Rechenzentren kommuniziert die USV mit den Servern. Auf diese Art wird gewährleistet, dass die Computer vor Ablauf der zur Verfügung stehenden Überbrückungszeit automatisch heruntergefahren werden. Dabei werden geöffnete Dateien kontrolliert geschlossen, um einen möglichen Datenverlust zu verhindern. Größere Rechenzentren hingegen nutzen Notstromgeneratoren. Die USV wird in diesem Fall nur benötigt, um die Zeit zu überbrücken, welche die Generatoren zum Anlaufen benötigen.

• Generator-Kompatibilität: Online-/VFI-USV-Systeme tolerieren Frequenz- und Spannungsschwankungen von Aggregaten besser und entkoppeln Lasten zuverlässig.
• Dimensionierung der Autonomiezeit: Überbrückungszeiten werden praxisnah anhand Lastprofil, Spitzenströmen und gewünschter Reserve (z. B. 20–30 %) kalkuliert.
• Wartung: Regelmäßige Batterietests (Self-Test), Kapazitätsprüfungen und rechtzeitiger Tausch (typisch VRLA 3–5 Jahre) sichern die Verfügbarkeit.
• Redundanz: Für kritische Anwendungen N+1-Design mit parallelen USVen oder separaten Versorgungswegen einsetzen.

USV Kategorien

Es gibt drei Kategorien für USVen. Die Offline USV leitet im Normalbetrieb den Strom vom Eingang zum Ausgang und somit an den Verbraucher weiter. Ein vom Eingang versorgter Gleichrichter lädt die Akkumulatoren. Wenn die Versorgung aus dem Stromnetz abbricht, schaltet der Ausgang auf einen Wechselrichter um, den die Akkus speisen. Eine USV dieser Kategorie wird als passiv bezeichnet. Die netzinteraktive USV nutzt einen Umrichter als zentrales Bauteil. Dieser erzeugt, abhängig vom Bedarf, aus der eingehenden Wechselspannung die zum Laden der Akkumulatoren benötigte Gleichspannung oder aus der Gleichspannung, die die Akkus liefern, die Wechselspannung, die von den Verbrauchern am Ausgang abgenommen wird.

Der Umrichter begrenzt außerdem die Spannung am Ausgang der USV. USVen aus dieser Kategorie schützen also vor den Folgen von Stromausfällen und vor denen die durch Unter- oder Überspannung entstehen. Eine Online USV speist durch einen Gleichrichter am Eingang direkt die Akkus. Am Ausgang bezieht ein Wechselrichter die Energie über den Gleichrichter, bei Netzausfall dann über die Batterieanlage. Diese unterbrechungsfreie Stromversorgung schützt somit vor allen Störungen, die im Stromnetz auftreten können.

• Offline/VFD: Einfach, kostengünstig, kurze Umschaltzeit, geeignet für weniger kritische Lasten mit toleranten Netzteilen.
• Netzinteraktiv/VI: Mit AVR (Boost/Trim), verbessert die Spannungsqualität und reduziert Batterienutzung; gute Wahl für Arbeitsplatz-IT und kleine Server.
• Online/VFI (Double Conversion): Permanente Doppelwandlung, praktisch unterbrechungsfrei, stabiler Sinus, niedrige THD – empfohlen für Rechenzentren, Medizin- und Industrieanwendungen.
• Moderne Ergänzungen: ECO-/High-Efficiency-Modi für bessere Gesamtwirkungsgrade, Hot-Swap-Batteriemodule, Lithium-Ionen-Optionen und erweiterbare Batteriepakete für längere Laufzeiten.

Häufige Fragen und Antworten