Moderne Systeme sparen Strom

Benötigt werden energieeffiziente USVs, die die Kosten für Strom und Kühlung gering halten, jedoch zugleich ein Höchstmaß an Ausfallsicherheit gewährleisten. Hersteller arbeiten daran, USV-Systeme diesen Anforderungen anzupassen und die Energieeffizienz zu optimieren. Aufschluss darüber geben Leistungsfaktor und Wirkungsgrad der Systeme.

IT-Geräte und Netzwerkkomponenten sind auf eine kontinuierliche und saubere Stromversorgung angewiesen. Dafür sorgen Unterbrechungsfreie Stromversorgungen. USVs überbrücken Stromausfälle, filtern schädliche Spannungsstörungen und kompensieren Spannungs- und Frequenzschwankungen. Kennzeichen für die Energieeffizienz eines USV-Systems ist der Leistungsfaktor. Er definiert das Verhältnis der Wirkleistung einer Last (Watt) zur Scheinleistung (VA). Der Idealfall ist ein Leistungsfaktor von 1. Besitzt nun eine Last einen Eingangsleistungsfaktor von 1, so hat sie keine Blindleistungsverluste und verbraucht lediglich reine Wirkleistung. Strom und Spannung sind damit in gleicher Phase, und es ergeben sich nur geringe Übertragungsverluste.

Wichtig ist bei USVs die Unterscheidung zwischen Eingangs- und Ausgangsleistungsfaktor. Der Eingangsleistungsfaktor bezieht sich auf das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung - also Watt zu VA -, den die USV an ihrem Eingang aufweist. Solche Versorger sind in der Regel das Stromversorgungsnetz oder ein Generator. Bei USV-Anlagen sollte der Eingangsleistungsfaktor möglichst nahe 1 sein, um Blindleistungsverluste zu vermeiden und die Netzrückwirkung gering zu halten.

Der Ausgangsleistungsfaktor ist ein Wert, der das Verhältnis von Ausgangswirkleistung zu Ausgangsscheinleistung des Systems beschreibt. Die Größe einer USV wird oft nur mit der Größe Scheinleistung (VA) und dem Ausgangsleistungsfaktor (PF) angegeben. Den Wert für die Scheinleistung zu bemessen, ist sinnvoll, da neben dem Strom für die Erbringung der Wirkleistung auch der Strom für die Blindleistung aufgebracht werden muss. Die maximale Wirkleistung, die eine USV absichern kann, erhält man, wenn man diese beiden Werte - also Scheinleistung und Ausgangsleistungsfaktor - multipliziert.

Ein Beispiel: Eine USV mit 60 kVA und einem Ausgangsleistungsfaktor von 0,9 kann Lasten bis zu 54 kW absichern. Dagegen ist eine USV mit 65 kVA und einem Leistungsfaktor von 0,8 nur auf Lasten bis maximal 52 kW ausgelegt. Muss eine USV hohe Lasten mit höherem Eingangsleistungsfaktor als ihrem eigenen Leistungsfaktor absichern, dann erreicht sie die maximale Wirkleistung unter Umständen, bevor sie ihre Scheinleistung erreicht - sie muss dann überdimensioniert werden und verbraucht unnötig viel Energie. Je besser dagegen der Ausgangsleistungsfaktor einer USV an den Eingangsleistungsfaktor des Verbrauchers angepasst ist, umso höher ist ihr Wirkungsgrad, also die Effizienz der Energieübertragung. Und das heißt: weniger Stromkosten.

Der Leistungsfaktor moderner IT-Geräte

IT-Geräte mit älterer Technologie haben einen Leistungsfaktor am Eingang von 0,7. Inzwischen erreichen die meisten Komponenten jedoch durch den Einsatz einer aktiven Leistungsfaktorkorrektur einen Eingangsleistungsfaktor von 0,9. Als Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction - PFC) bezeichnet man spezielle Filter, die den Anteil an störenden Komponenten wie Oberschwingungen minimieren und so den Leistungsfaktor möglichst nahe bringen.

Ein Großteil der modernen IT-Komponenten verfügt zu diesem Zweck über PFC-Schaltnetzteile, die den aufgenommenen Strom dem zeitlichen Verlauf der sinusförmig verlaufenden Netzspannung nachsteuern und Spannungsschwankungen aus dem Netz ausgleichen. Wichtig ist, dass der Ausgangsleistungsfaktor der USV auf die PFC-Netzteile der Server und sonstigen IT-Geräte abgestimmt ist. Idealerweise sollte sie über einen Ausgangsleistungsfaktor von 0,9 verfügen. Ist dies nicht der Fall, muss das USV-System möglicherweise überdimensioniert werden und verbraucht damit unnötig Strom.

Blade-Server effizient absichern

In besonders anspruchsvollen IT-Umgebungen kommen zunehmend "High-Power"-Blade-Server zum Einsatz. Diese modernen Hochleistungsserver verschieben den Leistungsfaktor gegenüber herkömmlichen Servern in einen noch höheren kapazitiven Bereich - hier eingesetzte USVs müssen entsprechend ausgelegt sein. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Lasten: kapazitive und induktive. Bei kapazitiven Lasten eilt der Strom der Spannung voraus (negativer Eingangsleistungsfaktor), bei induktiven eilt der Strom der Spannung nach (positiver Eingangsleistungsfaktor).

Herkömmliche IT-Geräte wie Server sind in der Regel induktive Lasten und haben, wie bereits erläutert, einen Eingangsleistungsfaktor zwischen 0,7 und 0,9. Kapazitive Lasten wie Blade-Server besitzen einen Leistungsfaktor von -0,95 bis -0,9. Zum Teil kommen beide Technologien in Datenzentren gemischt zum Einsatz. Das stellt hohe Ansprüche an die Wirkleistung der installierten USVs: Ältere USV-Systeme mit niedrigem Ausgangsleistungsfaktor werden diesen nicht gerecht und müssten somit deutlich überdimensioniert werden. Die Alternative: eine spezielle USV für den Einsatz in Hochleistungs-Racks, deren Technologie und Leistungsfaktor auf die Absicherung hoher kapazitiver Lasten ausgerichtet ist. Diese USV-Systeme erreichen einen Ausgangsleistungsfaktor von nahezu 1 und können so alle Arten von Lasten abdecken, ohne dass es zu Energieverlusten kommt.

IGBT-Gleichrichter erhöhen den Wirkungsgrad

Einige USV-Systeme auf dem Markt arbeiten mit modernen High-Speed-IGBT-Gleichrichtern. Dieser trafolose Aufbau hat mehrere Vorteile: Die USV kann leichter und kleiner ausfallen, und die IGBT-Technologie erzeugt weniger Verlustleistung und weniger Abwärme. Diese Systeme sind somit besonders platzsparend und energieeffizient. Durch aktive, geregelte Front-End-IGBT-Eingangsleistungsfaktorkorrektur erreichen sie einen Eingangsleistungsfaktor von 0,99 - und dies unabhängig vom Eingangsleistungsfaktor der Last.

Eine USV stellt sich damit fast als reine Wirklast dar und verbraucht nur minimale Blindleistung. Mit einem Ausgangsleistungsfaktor von 0,9 sind die Systeme ideal an den Eingangsleistungsfaktor des IT-Equipments angepasst. Das bedeutet, bei der Stromübertragung geht kaum Energie für die Blindleistung verloren. Einige Systeme erreichen so einen Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent. Ein weiterer Vorteil des transformatorlosen Systems: IGBT-Gleichrichter verursachen äußerst geringe Netzrückwirkungen von nur drei bis fünf Prozent und minimieren damit deutlich den Anteil der störenden Komponenten wie harmonische Oberwellen des Eingangsstromes. Gerade in Kombination mit einem Dieselgenerator ist dies von Vorteil: Da die USV wenig Einfluss auf das Oberschwingungsspektrum des Stromnetzes nimmt, erzeugt sie nur sehr geringe Erwärmungen in den Wicklungen des Generators. Dadurch kann der Generator kleiner und somit kostengünstiger ausfallen.

Bodo Mainz ist Geschäftsführer Eaton Power Quality GmbH.