Unterbrechungsfreie Stromversorgung (VFD, VI, VFI Dauerwandler), Autonomiezeitberechnung, Scheinleistung (VA) vs. Wirkleistung (W) und PUE-Kennzahl im Rechenzentrum.
📖 Fachtheorie & KMK-Prüfungswissen
1. USV-Klassifizierung nach IEC 62040-3
Zur Vermeidung von Datenverlust und Hardwaredefekten bei Netzstörungen (Blackout, Brownout, Überspannung) werden unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen eingesetzt:
| Klasse | Bezeichnung | Umschaltzeit | Schutz vor Störungen | Einsatzbereich |
|---|
| Klasse 3: VFD (Offline / Standby) | Voltage & Frequency Dependent | 4 – 10 ms | Netzausfall, Spannungseinbruch | Einzelne Büro-PCs, Peripheriegeräte |
| Klasse 2: VI (Line-Interactive) | Voltage Independent (mit AVR-Spannungsregler) | 2 – 4 ms | Netzausfall, Unter-/Überspannung | Abteilungs-Switches, NAS, kleine Server |
| Klasse 1: VFI (Online / Dauerwandler) | Voltage & Frequency Independent (Doppelwandler) | 0 ms (keine Unterbrechung!) | Schützt vor allen 9 Stromstörungen (auch Frequenzschwankungen und Oberschwingungen) | Kritische Serverräume, Rechenzentren, Medizintechnik |
2. Elektrische Leistung: Watt vs. Voltampere
- Wirkleistung $P$ (Watt - W): Tatsächlich in Wärme/Arbeit umgesetzte elektrische Leistung.
- Scheinleistung $S$ (Voltampere - VA): Geometrische Summe aus Wirk- und Blindleistung: $S = U \cdot I$.
- Leistungsfaktor $\cos \varphi$: Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung: $P = S \cdot \cos \varphi$. Bei IT-Schaltnetzteilen meist zwischen 0,7 und 0,9.
3. Green IT & PUE-Wert (Power Usage Effectiveness)
Der PUE-Wert ist die international genormte Kennzahl für die Energieeffizienz eines Rechenzentrums:
$$\text{PUE} = \frac{\text{Gesamte zugeführte Energie des Rechenzentrums (Gesamtverbrauch)}}{\text{Energieverbrauch der reinen IT-Infrastruktur (Server, Storage, Netze)}}$$
- Ein PUE von 1,0 wäre das theoretische Ideal (100 % der Energie fließen in die Rechenleistung, 0 % in Kühlung/Verluste).
- Klassische Rechenzentren: PUE ~ 1,6 bis 2,0 (viel Energie für Kälteanlagen vergeudet).
- Moderne energieeffiziente Rechenzentren (mit Freikühlung, Kaltgangeinhausung): PUE ≤ 1,15 bis 1,25.
✍️ Authentische IHK-Prüfungsaufgaben mit Erwartungshorizont
PUE-Berechnung & USV-Auswahl für Serverschrank
8 Punkte
Ein Serverschrank enthält 8 Server mit je 450 W Wirkleistung und 2 Switches mit je 120 W. Der Leistungsfaktor beträgt cos φ = 0,85. Für den Schutz wird eine USV gesucht, die bei Stromausfall einen unterbrechungsfreien Betrieb von mindestens 15 Minuten garantiert.
1. Berechnen Sie die gesamte Scheinleistung (in VA) der IT-Hardware.
2. Begründen Sie, warum für diese Server zwingend eine USV der Klasse VFI (Online-Dauerwandler) gewählt werden muss.
3. Das Rechenzentrum verbraucht pro Jahr insgesamt 850.000 kWh Energie, wovon 500.000 kWh auf die IT-Komponenten entfallen. Berechnen Sie den PUE-Wert.
💡 Didaktischer Erwartungshorizont & Punkteverteilung (nach KMK-Kriterien)
1. Berechnung der Scheinleistung:
Gesamte Wirkleistung P = (8 * 450 W) + (2 * 120 W) = 3.600 W + 240 W = 3.840 W.
Scheinleistung S = P / cos φ = 3.840 W / 0,85 ≈ 4.517,65 VA. (3 Pkt.)
2. Begründung für VFI-USV:
- Servernetzteile reagieren empfindlich auf Spannungssprünge und Umschaltlücken.
- Nur eine VFI-USV (Doppelwandler) arbeitet mit einer Umschaltzeit von 0 ms (unterbrechungsfrei), da der Inverter permanent aus dem Zwischenkreis gespeist wird. (2 Pkt.)
3. PUE-Berechnung:
PUE = Gesamte Energie / IT-Energie = 850.000 kWh / 500.000 kWh = 1,70. (3 Pkt.)