Vergleich der USV-Topologien: Line-Interaktiv vs. Online vs. Offline

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ist ein Stromversorgungssystem, das eine Last mit Notstrom versorgt, wenn die Eingangsstromquelle oder das Stromnetz ausfällt, und das einen nahezu sofortigen Schutz gegen Unterbrechungen der Eingangsstromversorgung bietet. Die drei allgemeinen Kategorien moderner USV-Systeme sind Line-Interaktive USV, Online-USV und Offline-USV, die im Folgenden ausführlich erläutert werden.

Line-Interaktive-USV vs. Online-USV vs. Offline-USV: Funktionsweisen

Offline-USV – Schutz der Stromversorgung der Einstiegsklasse

Bei einer Offline-USV („Standby“) wird die Last direkt von der Eingangsleistung gespeist, und der Notstromkreis wird nur dann aktiviert, wenn der Strom ausfällt.

Genauer gesagt, wird die Last direkt vom Netzstrom und nicht vom Wechselrichterausgang gespeist. Die Energiespeicherkomponenten – Akku-Ladegerät, Akku und Wechselrichter – sind in Bezug auf die Last außer Betrieb, obwohl das Ladegerät und der Akku weiterhin an das Stromnetz angeschlossen bleiben, um sicherzustellen, dass der Akku immer vollständig geladen ist. Wenn die Netzspannung ausfällt oder die Grenzwerte überschreitet, verbindet der Schalter den Wechselrichterausgang sofort mit der betreffenden Last.

Line-Interaktive USV – Schutz der Stromversorgung der mittleren Klasse

Eine Line-Interaktive USV hält den Wechselrichter am Netz und leitet den Gleichstrom des Akkus vom normalen Lademodus auf die Stromversorgung um, wenn die Stromversorgung ausfällt.

Bei dieser intelligenten Ausführung ist der Akku-Wechselrichter immer mit dem Ausgang der USV verbunden. Wenn die Eingangswechselspannung normal ist, arbeitet der Wechselrichter der USV in umgekehrter Richtung und lädt den Akku. Sobald die Eingangsstromversorgung ausfällt, wird der Transferschalter aktiviert und der Strom fließt vom Akku zum USV-Ausgang. Diese Bauweise bietet zusätzliche Filterung und führt zu geringeren Umschalttransienten, da der Wechselrichter immer eingeschaltet und mit dem Ausgang verbunden ist.

Online-USV – Der perfekte Schutz der Stromversorgung

Eine Online-USV verwendet eine „doppelte Umwandlungsmethode“, bei der sie Wechselstrom aufnimmt, diesen in Gleichstrom umwandelt, um ihn durch den wiederaufladbaren Akku (oder durch die Akkustränge) zu leiten, und ihn dann wieder in 120 V/230 V Wechselstrom umwandelt, um die jeweiligen Geräte zu versorgen.

Bei einer Online-USV (auch bekannt als Doppelwandler-USV) lädt der Eingangswechselstrom den Backup-Akku, die den Ausgangswechselrichter mit Strom versorgt, sodass ein Ausfall des Eingangswechselstroms nicht zur Aktivierung des Umschalters führt. Das heißt, dass bei einem Stromausfall der Gleichrichter einfach aus dem Stromkreis ausscheidet und die Akkus die Leistung konstant und unverändert halten. Während des Ausfalls gibt es keine Umschaltzeit. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, übernimmt der Gleichrichter wieder den größten Teil der Last und beginnt mit dem Laden der Akkus, wobei hier der Ladestrom teilweise begrenzt ist, um zu verhindern, dass der Hochleistungs-Gleichrichter die Akkus überhitzt und den darin enthaltenden Elektrolyt kocht.

Line-Interaktive USV vs. Online-USV vs. Offline-USV: Funktionen

Alle drei oben genannten Kategorien wurden entwickelt, um Hardware und elektrische Geräte zu schützen, bei denen eine unerwartete Stromunterbrechung auftreten kann. Aufgrund der verschiedenen Funktionsweisen unterscheiden sich jedoch ihre Fähigkeiten.

Überspannungs-/Rauschschutz

Alle drei oben genannten Kategorien wurden entwickelt, um Hardware und elektrische Geräte zu schützen, bei denen eine unerwartete Stromunterbrechung auftreten kann. Aufgrund der verschiedenen Funktionsweisen unterscheiden sich jedoch ihre Fähigkeiten.

Umschaltzeit des Akkus

Bei einem Stromausfall variiert die Umschaltzeit der USV:

Bei einem Offline-USV-System ist eine Unterbrechung der Stromversorgung der Last von typischerweise

2 bis 10 Millisekunden

unvermeidlich.

Line-Interaktive USV-Systeme schalten in der Regel innerhalb von

2 bis 4 Millisekunden

von Netzstrom auf Akkustrom um, was schnell genug ist, um auch die stromempfindlichsten Geräte ohne Unterbrechung in Betrieb zu halten.

Bei Online-USV-Systemen gibt es

keine Umschaltzeit

, da bei einem Stromausfall der Wechselrichter die angeschlossenen Geräte bereits mit Strom versorgt.

Spannungsregelung

Die Spannungsregelung ist von entscheidender Bedeutung, vor allem bei niedrigen Spannungen:

Line-Interaktive USV-Systeme

nutzen die automatische Spannungsregelung (AVR), um Spannungsabweichungen zu korrigieren

, ohne auf den Akku umzuschalten. Wenn die Spannung einen voreingestellten Niedrig- oder Hochschwellenwert überschreitet, erkennt diese Art von USV dies und verwendet Transformatoren, um die Spannung um einen bestimmten Betrag zu erhöhen oder zu senken, damit sie wieder in einem akzeptablen Bereich liegt.

Online-USV-Systeme verwenden eine präzisere Methode der Spannungsregelung: einen

kontinuierlichen „Doppelwandler“-Betrieb

, der die angeschlossenen Geräte von Störungen auf der Wechselstromleitung isoliert, einschließlich Stromausfällen, Spannungsabfällen, Überspannungen, Oberschwingungsverzerrung, elektrischen Impulsen und Frequenzschwankungen.

Wenn sie nicht über den Akku betrieben werden, regeln Line-Interaktive USV-Systeme ihre Leistung normalerweise innerhalb von ±8–15 % der Nennspannung (z. B. 120, 208, 230 oder 240 Volt), während Online-USV-Systeme die Spannung normalerweise innerhalb von ±2–3 % regeln.

Tatsächlich gibt es einige häufige Stromprobleme, die im täglichen Betrieb auftreten können. Die folgende Tabelle zeigt, ob das oben erwähnte USV-System vor diesen Störungen schützen kann:

	Offline	Line-Interaktiv	Online
Stromausfall	✔	✔	✔
Spannungseinbruch	✔	✔	✔
Stromstoß	✔	✔	✔
Unterspannung		✔	✔
Überspannung		✔	✔
Stromrauschen			✔
Frequenzschwankungen			✔
Umschalttransient			✔
Oberschwingungsverzerrung			✔

Line-Interaktive USV vs. Online-USV vs. Offline-USV: Vor- und Nachteile

Offline-USV

Vorteile	Nachteile
Hohe Effizienz (Das Ladegerät ist nicht ständig eingeschaltet).Benutzerfreundlich in der Bedienung.Kostengünstig	Verwendet den Akku bei Stromausfällen und bietet nur begrenzten oder gar keinen Schutz gegen StromunregelmäßigkeitenDie Last ist ständig Spannungsspitzen, Überspannungen und anderen Störungen der Stromleitung ausgesetzt, was zu einem Verlust oder einer Beschädigung von empfindlichen Geräten und Daten führen kannGewisse Umschaltzeit vom Netz zum Wechselrichter bei Ausfall der Netzstromversorgung

Line-Interaktive USV

Vorteile	Nachteile
Hohe VerlässlichkeitHohe EffizienzAngemessene SpannungsaufbereitungGeringerer StromverbrauchGeringere Anzahl von KomponentenNiedrigere Betriebstemperaturen	Unpraktisch bei über 5 kVAKein Schutz vor allen Formen von StromunregelmäßigkeitenBietet keinen Leistungsfaktorkorrekturfilter und keine FrequenzregelungHäufiger Akkueinsatz in Umgebungen mit extremen Spannungsverzerrungen

Online-USV

Vorteile	Nachteile
Bessere SpannungsregelungDie Umwandlungszeit von Gleichstrom in Wechselstrom ist unerheblich und weist keine Lücken aufKeine Spannungsschwankungen, was auf eine stabile Spannungsqualität sorgtDie Qualität der Lastspannung ist frei von VerzerrungenNahezu ideale elektrische Leistung, höchster Schutz gegen alle Stromunregelmäßigkeiten	Komplexe Konstruktionen, die einen großen Kühlkörper erfordernHöhere VerlustleistungDer Gesamtwirkungsgrad der USV wird reduziert (der Wechselrichter ist immer eingeschaltet)Die Wattzahl des Gleichrichters wird erhöht (er muss sowohl den Wechselrichter mit Strom versorgen als auch den Akku laden)Kostspieliger als andere USV-Systeme

Line-Interaktive USV vs. Online-USV vs. Offline-USV: Anwendungsbereiche

Die Anwendungsbereiche dieser drei Topologien mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien reichen von kleinen Wohnhäusern bis hin zu großen Rechenzentren.

Aufgrund ihrer höheren Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit wird die Offline-USV am häufigsten in Haushalten, kleinen Büros mit geringem Budget für Stromversorgungskonzepte und in einigen Bereichen, die nur geringe Anforderungen an die Stromversorgungsqualität haben eingesetzt. Sie sind besten geeignet für PCs, aber auch für Drucker, Scanner, Notstromversorgungen und EPABX.

Eine der besten Optionen ist die Line-Interaktive USV, die die Anforderungen an eine hohe Stromversorgungssicherheit erfüllt und sich ideal für Abteilungsserver, Privathaushalte und für kleine bis mittelgroße Unternehmen eignet. In einigen infrastrukturell schwierigen Gebieten, in denen die Netzspannung instabil ist, stark schwankt oder stark verzerrt ist, muss eine Line-Interaktive USV den Akku möglicherweise ein- bis zweimal am Tag oder sogar noch häufiger aufladen.

Das intelligenteste Online-USV-System, das als Standardlösung für die Notstromversorgung und den Schutz von unternehmenskritischen Geräten und Servern in Rechenzentren gilt, kann auch in Bereichen wie Computer, Transport, Banken, Wertpapierhandel, Kommunikation und Medizin eingesetzt werden, da diese meist eine Langzeitstromversorgung erfordern. Insbesondere für einige Drehstrommaschinen, ähnliche andere Motorsteuerungsanwendungen, Intensivstationen, medizinische Geräte und empfindliche Elektrogeräte.

Line-Interaktive USV vs. Online-USV vs. Offline-USV: Was sollten Sie wählen?

Die folgende Tabelle fasst einige der wichtigsten Punkte der oben erläuterten Varianten zusammen.

	Offline	Line-Interaktiv	Online
Größe	Kompakt	Normalerweise groß und schwer	Normalerweise klein und leicht
Leistungsbereich (kVA)	0-0,5	0,5-5	5-5000
Spannungsaufbereitung	Gering	Abhängig der Bauweise	Hoch
Kosten pro VA	Gering	Mittel	Mittel
Effizienz	Hoch (normalerweise 95-98%)	Hoch (tnormalerweise 90-96%)	Gering – Mittel (normalerweise 80-90%)
Kosten	Gering	Mittel	Hoch
Typische Anwendungsbereiche	Zuhause, kleine Büros	Kleine und mittelgroße Unternehmen	Telekommunikation, Kommunikation, Bankwesen, Transportwesen, industrielle Bereiche

Wenn Sie eine USV-Lösung in Erwägung ziehen, achten Sie auf den USV-Typ und das entsprechende Schutzniveau. Die Hauptunterschiede zwischen Online-, Offline- und Line-Interaktiven-USV liegen in ihren Funktionsweisen, was sich in den unterschiedlichen Merkmalen, Funktionen, Vorteilen und Einschränkungen widerspiegelt. Darüber hinaus beeinflusst der interne Aufbau der USV-Topologie, die Funktionalität in den verschiedenen Anwendungsumgebungen.