Die Produktnorm für USV-Anlagen (EN 62040) definiert verschiedene USV-Typen, wobei der VFI-Typ (Online-USV, Doppelwandler) besonders hervorzuheben ist. Dieser Typ zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Ausgangswellenform für die Last erzeugt, deren Spannung und Frequenz unabhängig vom Primärnetz sind. Qualitativ bietet dieser USV-Typ die beste Leistung, da er die Last von allen Arten von Netzstörungen isoliert. Er erzeugt eine neue Wellenform, indem er zunächst die Primärquellenspannung in Gleichstrom umwandelt und anschließend eine völlig störungsfreie Wellenform für kritische Lasten regeneriert. Obwohl diese Topologie die höchste Qualität bietet, ist sie die ineffizienteste, da die Energie durch zwei in Reihe geschaltete Wandler mit voller Leistung fließt, was zu kumulierten Energieverlusten in beiden Wandlern führt.

Entwicklung von USV-Systemen des Typs „VFI“:
Da die Leistung die größte Schwäche dieser USV-Art darstellte, haben die Hersteller die Wandlerarchitektur weiterentwickelt, um sowohl Effizienz als auch Leistung zu verbessern. Dies führte von den anfänglichen 6- und 12-Puls-Thyristorgleichrichtern zu aktiven PWM-Gleichrichtern und von ferroresonanten oder PWM-Wechselrichtern mit Niederfrequenztransformatoren zu den heutigen transformatorlosen dreiphasigen Multilevel-Wechselrichtern. Dadurch konnte die Effizienz von etwa 88 % auf aktuell 96–97 % gesteigert werden. Obwohl die maximale Effizienz noch nicht erreicht ist, deuten bisherige Studien darauf hin, dass eine wesentliche Verbesserung der topologischen Leistung unwahrscheinlich ist. Verbesserungen ließen sich jedoch sicherlich durch den Einsatz neuer Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) oder neuer magnetischer Materialien erzielen. Derzeit sind die Kosten dieser Bauelemente jedoch noch sehr hoch.

N+1 Parallel-USV: Garantierte Stromversorgung für kritische Anwendungen.
Sobald die bisher maximal mögliche Leistung (96–97 % mit mehrstufigen Schalttechnologien) erreicht ist und während wir auf die Integration neuer Geräte warten, die diesen Wert verbessern, kann die Systemverfügbarkeit (A = MTBF / (MTTR + MTBF)) durch eine N+1 Parallel-USV-Konfiguration deutlich erhöht werden. Dabei steht „N“ für die Anzahl der USV-Einheiten, die zur Versorgung der gesamten Last benötigt werden, und „1“ für eine als redundante Backup-USV eingesetzte Einheit. Dies ermöglicht eine Verfügbarkeit von 99,9999 % (5 Neunen), was einer Ausfallzeit von 5 Minuten pro Jahr entspricht, oder 99,99999 % (6 Neunen), was einer Ausfallzeit von 30 Sekunden pro Jahr entspricht. Letztendlich verbessert dies die Zuverlässigkeit des Rechenzentrums und senkt die Gesamtbetriebskosten (TCO) hinsichtlich des Energieverbrauchs.
Ebenso kann mit Paralleltechnologie eine hohe Tier-Einstufung (Tier III oder Tier IV) erreicht werden. Diese Klassifizierung wurde vom Uptime Institute unter dem Titel „Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology“ veröffentlicht. Laut dieser Klassifizierung garantiert eine Ausrüstung, die sowohl Tier III als auch Tier IV erfüllt, ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Dies ist nicht nur auf die strengen Spezifikationen der verwendeten USV zurückzuführen, sondern auch auf die gesamte Auslegung der DC-Umgebung, des Kühlsystems und der elektrischen Verteilung zu kritischen Lasten.

Das Konzept der USV-Modularität lässt sich nicht eindeutig definieren. Man kann sie auf verschiedene Weise beschreiben: Leistungsmodularität : Diese bezieht sich auf eine USV-Architektur mit gemeinsamen Komponenten und weiteren Komponenten (Leistungsmodulen), die sich beliebig oft wiederholen lassen, bis die benötigte Anzahl an Modulen den Leistungsbedarf der Anwendung deckt. Zu den gemeinsamen Komponenten gehören typischerweise solche, die keine Leistung übertragen, wie z. B. die Steuer- und Managementelektronik für den USV-Betrieb, die Hardware für Kommunikationsschnittstellen externer Geräte (seriell, parallel, CAN, USB, TCP/IP, Relais, digitale Ein-/Ausgabeschnittstellen usw.), ein gemeinsamer Akku (mit oder ohne Ladegerät), EMI-Filter für Ein- und Ausgänge, Ein-/Ausgangs-/Akkuanschlüsse oder das Gehäuse (Schrank oder Box, abhängig von der maximalen Leistung) zur Aufnahme der maximalen Anzahl an Modulen. Die individuellen Leistungsmodule ermöglichen die Konfiguration der Geräte mit der gewünschten Leistung und Redundanz. Die verschiedenen Module mit einer bestimmten Nennleistung werden parallel geschaltet, sodass die Gesamtleistung des Systems der Summe der Nennleistungen aller parallel geschalteten Module entspricht. Wie aus dieser Struktur ersichtlich, gibt es nicht-redundante Elemente, deren Ausfall einen Systemausfall zur Folge hätte. Die Leistungsmodule sind jedoch redundant, sodass das System auch bei Ausfall eines Moduls mit den verbleibenden Modulen weiterarbeiten kann, die dann allerdings weniger Leistung als ursprünglich liefern. Durch eine entsprechende Überdimensionierung kann das System den Ausfall eines oder mehrerer Leistungsmodule tolerieren.

Funktionale Leistungsmodularität:
Diese Struktur ähnelt der vorherigen, da sie weiterhin sowohl gemeinsame als auch nicht gemeinsame Komponenten aufweist. Betrachtet man die nicht gemeinsamen Komponenten, so besteht der Leistungsblock einer Doppelwandler-USV (VFI) typischerweise aus einer Reihe von Leistungswandlern, die wir im Folgenden auflisten:
- PFC-Gleichrichter - Wechselrichter - Batterieladegerät - Statisches Schaltmodul.
In der im vorherigen Abschnitt beschriebenen „Leistungsmodularität“ wurden diese Leistungswandler als ein einziges Leistungsmodul betrachtet. Man kann eine andere Art der Modularität verstehen, indem man jeden Wandler als parallelisierbares Modul betrachtet. Dies bietet ein noch flexibleres System als das vorherige, da die Leistung und Redundanz jedes Wandlers unabhängig dimensioniert werden können. Beispielsweise könnte man eine USV mit mehr Gleichrichtern und Ladegeräten ausstatten, um die Batterieladekapazität zu erhöhen, oder mit mehr Wechselrichtern, um eine höhere Spitzenleistung am Ausgang zu gewährleisten.

Die vollständige Modularität
basiert darauf, jedes Modul als komplette USV zu betrachten. Die einzigen gemeinsamen Komponenten sind das Gehäuse, die Anschlüsse für den USV-Eingang und den USV-Ausgang, die Batterieanschlüsse, die Kommunikationsschnittstelle zur Außenwelt und das Überwachungssystem.
Dennoch existieren zwei Varianten dieser Systeme mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen:
Modulares System mit verteiltem statischem Bypass: Jedes Modul verfügt über ein eigenes statisches Schaltsystem, um seinen Wechselrichterausgang an das Netz anzuschließen. Da es sich um ein verteiltes System handelt, ist eine perfekte Synchronisierung zwischen den Modulen unerlässlich, um sicherzustellen, dass alle Module gleichzeitig schalten.
Modulares System mit zentralem statischem Bypass: In diesem Fall ist das statische Wechselrichter-Netz-Umschaltsystem einheitlich und somit ein gemeinsames Element der USV.
Derzeit wird diskutiert, welche der beiden Optionen eine höhere Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bietet. Systeme mit verteiltem Bypass haben den Vorteil, dass der Bypass redundant ist und somit keinen kritischen Punkt mehr darstellt. Darüber hinaus sind die Auslegungskriterien für die maximale Leistung und den Strom des Bypasses in der Regel deutlich großzügiger als die für die Wechselrichter. Dies verbessert die Verfügbarkeit im Falle des Ausfalls eines Bypass-Moduls. Ein Nachteil besteht darin, dass die Bypass-Leistung ebenso verteilt ist wie ihre Steuerung. Dadurch wird die Entscheidung, wann zwischen Wechselrichter und Bypass umgeschaltet werden soll, erschwert. Die Entscheidung muss für alle parallelgeschalteten Module synchron erfolgen, was die Verwaltung des verteilten Bypasses kompliziert.
In Systemen mit zentralem Bypass ist die Umschaltung zwischen Wechselrichter und Bypass aufgrund des Vorhandenseins eines einzigen Bypass-Leistungsmoduls deutlich einfacher. Allerdings stellt dieses Modul dadurch auch einen nicht redundanten kritischen Punkt dar.
Eine dritte Kompromisslösung zwischen den beiden Systemen ist ein zentraler Bypass mit 1+1-Redundanz. Einige Hersteller haben diese dritte Option eingeführt, obwohl sie die Vor- und Nachteile der beiden vorherigen Optionen aufweist.

Modulare USV-Anlagen (vollständige Modularität):
Die oben beschriebenen modularen USV-Anlagen werden üblicherweise in einem Rack (horizontal) innerhalb eines Schranks mit einer bestimmten maximalen Leistungskapazität angeordnet. Die modulare Bauweise der USV bietet mehrere Vorteile, die insbesondere in Rechenzentren wichtig sind:
1) Geringer Platzbedarf: Die USV benötigt nur minimalen Stellplatz.

2) Hohe Zuverlässigkeit: Das System kann mit N+m Einheiten konfiguriert werden, sodass Sie je nach Kritikalität den gewünschten Redundanzgrad für jedes Rechenzentrum (oder jede andere Anwendung) wählen können.
3) Hohe Verfügbarkeit: Bei gleicher Zuverlässigkeit wie bei einer herkömmlichen USV-Anlage lassen sich Verfügbarkeitsgrade (A) von 99,9 ...

4) Die Systemeffizienz lässt sich auf zwei Arten optimieren: a. Verbesserte Energieeffizienz der Module. Die Entwicklung eines einzelnen Moduls (oder einer geringen Anzahl von Modultypen) ermöglicht die Optimierung der Leistungswandler, um maximale Leistung zu erzielen. Dies wird durch die Auswahl der effizientesten Topologie und der Komponenten mit den geringsten Energieverlusten für jedes Modul erreicht. b. Intelligentes Energiemanagement optimiert die Modulleistung. Zusätzlich können Zykluskriterien angewendet werden, um die Betriebszeit aller Module im System anzugleichen und so deren Zuverlässigkeit sowie die des Gesamtsystems zu optimieren. Alternativ können „Standby“-Modulkriterien implementiert werden. Dabei sind Module funktional abgeschaltet und in Reserve, um bei Bedarf aktiviert zu werden und die Systemverfügbarkeit zu erhöhen.


5) Skalierbarkeit: Die Möglichkeit, die Systemleistung an die zukünftige Entwicklung und das Wachstum 

des Rechenzentrums anzupassen, ist zweifellos einer der größten Vorteile der Modularität gegenüber Lösungen mit fester Leistung.
6) Leistungsanpassung: Die modulare Lösung variiert je nach Leistungsbedarf. Der grundlegende Unterschied in der Konfiguration des modularen Systems liegt in der Leistung der einzelnen Module. So sprechen wir beispielsweise von Systemen mit 30-40-kVA-Modulen für USV-Anlagen mittlerer Leistung oder 50-100-200-kVA-Modulen für große USV-Anlagen.
7) Anpassung an Tier-Level in Rechenzentren: Die modulare Lösung ermöglicht Designs, die optimal an die anspruchsvollsten Tier-Klassifizierungsstufen des Uptime Institute angepasst sind.
8) Verbesserte Gesamtbetriebskosten (TCO): Dies wird durch die Senkung der Betriebskosten (Opex) erreicht, da modulare Systeme bei optimalem Management maximale Energieeffizienz sowohl für die einzelnen Module als auch für das Gesamtsystem erzielen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Reduzierung der Investitionsausgaben (CAPEX), vor allem weil die Herstellung einer großen Anzahl identischer Module die Entwicklung von Skaleneffekten ermöglicht, was die Herstellungskosten von USV-Systemen senkt.

Zuverlässigkeit (MTBF) und Verfügbarkeit (A) verschiedener USV-Systeme.
Hauptziel bei der Implementierung eines USV-Systems ist die Verbesserung der Stromversorgungssicherheit im Rahmen der aktuellen technischen Möglichkeiten. Das übergeordnete Ziel ist die Isolation des Systems von Störungen im Hauptstromnetz.
Die ersten USV-Systeme (1960er Jahre) bestanden aus einem Gleichrichter, einer Batterie und einem Wechselrichter und waren darauf ausgelegt, die Ausgangsleistung zu stabilisieren und die Last bei einem Ausfall des Hauptstromnetzes unterbrechungsfrei zu versorgen. Die Zuverlässigkeit dieser einfachen USV-Kette hing von der Zuverlässigkeit zweier der drei in Reihe geschalteten kritischen Elemente ab: dem Wechselrichter und dem DC-Zwischenkreis der Batterien. Ein Ausfall eines dieser Elemente führte zu einem sofortigen Lastabfall.
Anfang der 1970er Jahre wurde der statische Bypass-Schalter eingeführt, um bei einem Ausfall oder einer Überlastung des Wechselrichters eine unterbrechungsfreie Lastumschaltung auf das Notstromnetz zu ermöglichen. Diese Notstromversorgung ist zwar wesentlich weniger zuverlässig als USV-Systeme, dient aber als Notstromquelle im Falle eines Ausfalls des Wechselrichters oder des Gleichstromzwischenkreises (Batterie) und ermöglicht die kontinuierliche Stromversorgung der Last, während der Fehler behoben wird.

Diese neue Architektur verbessert die Gesamtzuverlässigkeit erheblich, da diese nicht mehr primär von der Zuverlässigkeit der Wechselrichter-DC-Bus-Kette abhing. Die Verfügbarkeit der neuen USV-Anlagen mit statischem Bypass war abhängig von der Qualität des Stromnetzes (MTBF_NETWORK), der USV-Reparaturzeit (MTTR_SAI) und der Zuverlässigkeit des statischen Leistungsschalters (MTBF_BYP).
In den letzten Jahren hat jedoch der zunehmende Einsatz von Cloud-Speichern und die Notwendigkeit, große Datenmengen in großen Serverinfrastrukturen (Rechenzentren) zu sichern, zu einem deutlich höheren Bedarf an Zuverlässigkeit in Sicherheitssystemen, einschließlich USV-Anlagen, geführt. Kritische Lasten können sich nicht auf eine einzelne USV-Konfiguration mit statischem Bypass verlassen. Der Bedarf an USV-Anlagen mit redundanter Parallelschaltung (n+1) wird daher immer wichtiger. Das Hauptargument für die Wahl eines bestimmten USV-Typs sollte der bestmögliche Schutz der Integrität dieser großen Menge globaler Informationen sein. Daher ist eine vergleichende Studie der Zuverlässigkeit (MTBF) und Verfügbarkeit (A) verschiedener USV-Typen notwendig, um die richtige Entscheidung zu treffen. Ein Zuverlässigkeitsvergleich verschiedener USV-Konfigurationen sollte auf Zuverlässigkeitskennzahlen gemäß MIL-HDBK-217 F (Nr. 2, 1995) basieren.
Die Ausfallrate eines Umrichters ist definiert als: λ_[conv] = 1 / MTBF[conv]. Die Verfügbarkeit (A) ist definiert als: A = MTBF[UPS] / (
MTBF[UPS] + MTTR[UPS])
. Einzelne USV ohne statischen Bypass-Schalter (BYP).

Die Zuverlässigkeit einer einzelnen USV ohne Bypass hängt von der Zuverlässigkeit des Gleichrichters, der Batterie und des Wechselrichters ab (siehe Abbildung 1). In diesem System würde bei einem längeren Ausfall des Wechselrichters, des Zwischenkreises (Batterien) oder des Gleichrichters (über die Autonomie des Systems hinaus) am Ausgang eine Nullspannung anliegen.

Berechnung der mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF_[SAI])
Dabei gilt: MTBF_[SAI]: Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen einer Einheit ohne statischen Bypass;
λ_[SAI]: Ausfallrate einer einzelnen Einheit ohne statischen Bypass-Schalter; λ_[RECT]: Ausfallrate des Gleichrichters; λ_[BAT]: Ausfallrate des DC-Busses einschließlich der Verbindung zur Batterie; λ_[INV]: Ausfallrate des Wechselrichters.
MTBF_[SAI] = 1 / λ_[SAI] λ_[SAI] = λ_[RECT] + λ_[BAT] + λ_[INV] Unter Annahme folgender Richtwerte:
λ_[RECT] = 20 pro Million Stunden; λ_[BAT] = 10 pro Million Stunden; λ_[INV] = 20 pro Million Stunden.
Die MTBF_[SAI] für ein USV-System ohne statischen Bypass-Schalter beträgt ungefähr 20.000 Stunden.

Einzel-USV-Anlagen mit statischen Bypass-Schaltern : Die Zuverlässigkeit einer einzelnen USV lässt sich deutlich erhöhen, indem ein redundantes Stromversorgungsnetz eingeführt und über einen statischen Bypass-Umschalter (Abbildung 2) an die Hauptstromquelle der USV angeschlossen wird. Beispielsweise wird im Falle eines Wechselrichterausfalls die Last nicht abgeschaltet, sondern unterbrechungsfrei vom Wechselrichter auf das Stromnetz umgeschaltet.

Berechnung der MTBF (MTBF_[SAI + BYP])
Dabei gilt:
MTBF_[SAI + BYP]: Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen der USV mit statischem Bypass-Schalter;
MTBF_[M]: Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen des Netzstromnetzes;
λ_[SAI]: Ausfallrate einer einzelnen Einheit ohne statischen Bypass-Schalter;
λ_[SAI + BYP]: Ausfallrate einer einzelnen USV mit statischem Bypass-Schalter;
λ_[M]: Ausfallrate des Netzstromnetzes;
λ_[SAI]//λ_[M]: Ausfallrate einer einzelnen Einheit ohne statischen Bypass-Schalter parallel zur Ausfallrate des Netzstromnetzes;
λ_[BYP]: Ausfallrate des statischen Bypass-, Leistungs- oder Steuerschalters; MTTR_[BYP]: Mittlere Reparaturzeit des statischen Bypass-Schalters; MTTR_[M]: Mittlere Reparaturzeit des Netzstromnetzes; MTTR_[SAI]: Mittlere Reparaturzeit einer einzelnen USV mit statischem Bypass-Schalter ein statischer Bypass-Schalter statischer Bypass

Abbildung 3 zeigt, wie in einem System mit zwei parallelgeschalteten Spannungsquellen (SCR#1 und SCR#2) die Ausfallrate des Parallelsystems berechnet wird: 

λ_[parallel] = λ_[SRC#1]//λ_[SRC#2] = = λ_[SRC#1] x λ_[SRC#2] x (MTTR_[ SRC#1]+ MTTR_[ SRC#2]) (1)
Anwendung von Ausdruck (1) im Fall der USV mit statischem Bypass: λ_[SAI+BYP] = λ_[SAI]//λ_[M] + λ_[BYP] =
= ( λ_SAI x λ_M x (MTTR[SAI] + MTTR_[M])) + λ_BYP (2) MTBF_[SAI+BYP] = 1/λ_[SAI+BYP] (3) Mit den oben verwendeten statistischen Kennzahlen der Ausfallanalyse:
λ _[RECT] = 20 pro Million Stunden λ_[BATT] = 10 pro Million Stunden λ_[INV] = 20 pro Million Stunden
. Daraus ergibt sich: MTBF_[SAI] = 20.000 Stunden. Weitere statistische Daten sind beispielsweise:
λ_[BYP] = 2/1.000.000 = 0,000002 Stunden, MTBF_[M] = 50 Stunden (dieser Wert steht für ein qualitativ hochwertiges Netzwerk), MTTR_[SAI] = 6 Stunden (MTTR einer Standalone-USV, nicht modular), MTTR_[M] = 0,1 Stunden.
Unter Verwendung dieser Daten in Gleichung (2): λ_[SAI + BYP] = ((1/20.000) x (1/50) x (6 + 0,1)) + (2/1.000.000) =
(0,00005 x 0,02 x 6,1) + 0,000002 = 0,0000081 MTBF_[SAI + BYP] = 1/( λ_[SAI + BYP]) = 1/0,0000081 = 123,456 h
Unter Berücksichtigung der Gleichungen (2) und (3) lässt sich feststellen, dass die Zuverlässigkeit einer USV mit statischem Bypass-Schalter (MTBF_[SAI + BYP]) von folgenden Parametern abhängt: den Zuverlässigkeiten der USV und des Netzes ( λ_SAI, λ_M ), der MTTR der USV und des Netzes sowie der Zuverlässigkeit des statischen Bypass-Schalters ( λ_BYP).

Redundante USV-Anlagen parallel mit statischem Bypass-Schalter
Die Zuverlässigkeit einer einzelnen USV kann durch die Einführung einer redundanten Parallelkonfiguration deutlich erhöht werden (Abbildung 4).

MTBF-Berechnung für ein redundantes paralleles USV-System (n+1) (MTBF_[(n+1)SAI+BYP])
Ausfallrate: λ _[(n+1)SAI+BYP] = (λ_[SAI1]//λ_[SAI2]........//λ_SAI[(n+1)]) + +
(n+1) x λ_[PBUS] + (λ_[BYP1]//λ_[BYP2].......//λ_[BYP(n+1)])
~_ (n+1) x λ_[PBUS]
Zuverlässigkeit: MTBF_[(n+1)SAI+BYP] = 1/λ_[(n+1)SAI+BYP] Verfügbarkeit:
A[(n+1)SAI+BYP] = MTBF [(n+1)UPS+BYP] MTBF_[(n+1)SAI+BYP] + MTTR_[SAI]

Die Zuverlässigkeit einer redundanten (n+1)-Parallel-USV hängt maßgeblich von der Ausfallrate des Parallelbusses ab, der den kritischsten Ausfallpunkt darstellt. Die parallel-redundanten USV-Stränge, die statischen Bypass-Schalter und deren Steuerelektronik sowie die Netzspannung sind redundante Elemente und haben daher einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Gesamtzuverlässigkeit.

In der obigen Tabelle wurden folgende Werte angenommen: MTBF_[M] = 50 Stunden, dieser Wert entspricht einem Netzwerk guter Qualität; λ_[PBUS] = 0,4 pro Million Stunden. Die Berechnungen für n=1, n=2 und n=3 ergeben Folgendes:

+
​λ_[PBUS]
Ausfallrate und MTBF Warum der Term (λ_[SAI1]//λ_[SAI2]........//λ_[SAI(n+1)]) bei n=2 → = (λ_[SAI1] x λ_[SAI2] x λ_[SAI3]) x (MTTR_[SAI1] + MTTR_[SAI2] + MTTR_[SAI3]) = = (1/20.000) x (1/20.000) x (1/20.000) x (3x6) = 0,00005 x 0,00005 x 0,00005 x 18 = 2,25 exp -12 Für n=3 → 1,5 exp -16 Für n=4 → 9,38 exp -21 Sehr kleine Ausfallratenwerte Und der Term (λ_[BYP1]//λ_[BYP2]........//λ_[BYP(n+1)]) angenommen n=2 → =(λ_[BYP1] x λ_[BYP2] x λ_[BYP3]) x (MTTR_[BYP1] + MTTR_[BYP2] + MTTR_[BYP3]) = = ((2/1.000.000) x (2/1.000.000) x (2/1.000.000)) x (3x6) = 1,4 exp -16 Noch kleinere Zahl. Die Formel lautet daher: λ(n+1)[SAI+BYP] = (n+1) × λ_[PBUS] = (n+1) × 0,4/1,000000. Für n=1 → λ(1+1)[SAI+BYP] = (1+1) × λ_[PBUS] = (1+1) × 0,4/1,000000 = 0,8/1.000.000. MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(1+1)[SAI+BYP] = 1.250.000 h. Für n=2 → λ(2+1)[SAI+BYP] = (2+1) × λ_[PBUS] = (2+1) × 0,4/1.000.000 = 1,2/1.000.000. MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(2+1)[SAI+BYP] = 833.333 h Für n=3→ λ(3+1)[SAI+BYP] = (3+1) x λ_[PBUS] = (3+1) x 0,4/1.000000 = 1,6/1.000.000 MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(3+1)[SAI+BYP] = 625.000 h

Verfügbarkeit:
A_[(n+1)SAI+BYP] = MTBF_[(n+1)SAI+BYP] MTBF_[(n+1)SAI+BYP] + MTTR_[(n+1)SAI+BYP]
Für n=1 A(1+1) = 1.250.000 / (1.250.000 + 12) = 0,9999904 (fünf Neunen) Für n=2 A(2+1) = 833.333 / (833.333 + 18) = 0,9999978 (fünf Neunen) Für n=3 A(3+1) = 625.000 / (625.000 + 24) = 0,9999616 (vier Neunen)
MTBF-Berechnung für ein redundantes paralleles USV-System (n+m) (MTBF(n+m)SAI+BYP)
Ausfall Rate: λ _[(n+m)SAI+BYP] = (λ_[SAI1]//λ_[SAI2]...//λ_[SAI(n+1)]
//λ_[SAI(n+2)]...//λ_[SAI(n+m))] + + (n+m) x λ_[PBUS] + + (λ_[BYP1]//λ_[BYP2].......//λ_[BYP(n+1)]
// λ_[BYP(n+2)]...//λ_[BYP(n+m))] _~ (n+1)λPBUS
Zuverlässigkeit: MTBF(n+m)[SAI+BYP ]= 1/λ(n+m)[SAI+BYP] Verfügbarkeit: A_[(n+m)SAI+BYP] = MTBF_[(n+m)SAI+BYP]
MTBF_[(n+m)SAI+BYP] + MTTR_[(n+1)SAI+BYP]

Die Zuverlässigkeit einer redundanten (n + m) parallelen USV hängt maßgeblich von der Ausfallrate des Parallelbusses ab, der den einzigen potenziellen Fehlerpunkt darstellt. Die parallel redundanten USV-Stränge, die statischen Bypass-Schalter und deren Steuerelektronik sowie die Netzspannung sind redundante Elemente und haben daher nur einen geringen oder gar vernachlässigbaren Einfluss auf die Gesamtzuverlässigkeit.
Für die Berechnungen werden folgende Konstanten verwendet: MTBFM = 50 Stunden (dieser Wert entspricht einem qualitativ hochwertigen Netz) und λPBUS = 0,4 pro Million Stunden.

λ(n+m)[SAI+BYP] = (λSAI1//λSAI2...//λSAI(n+1) //λSAI(n+2)...//λSAI(n+m)) + (n+m)λPBUS + (λBYP1// λBYP2........//λBYP(n+1)// λBYP(n+2)...//λBYP(n+m)) ~ (n+1)λPBUS
Warum ist der Term (λSAI1//λSAI2........//λSAI(n+m)) unter der Annahme n=2 und m=2→ = (λSAI1 x λSAI2 x λSAI3 x λSAI4) x (MTTR[SAI1] + MTTR[SAI2] + MTTR[SAI3] + MTTR[SAI3]) =
= (1/20.000) × (1/20.000) × (1/20.000) × (1/20.000) × (4 × 6) = 0,00005 × 0,00005 × 0,00005 × 0,00005 × 24 = 1,5 exp⁻¹⁶
Für n = 4 → 9,38 exp⁻²¹
Für n = 5 → 5,63 exp⁻²⁵

Sehr kleine Ausfallraten
UND der Term ........//λBYP(n+m)) unter der Annahme n=2 und m=2 →
=(λBYP1 x λBYP2 x λBYP3 x λBYP4) x (MTTR[BYP1] + MTTR[BYP2] + MTTR[BYP3] + MTTR[BYP4]) =
= ((2/1.000.000) x (2/1.000.000) x (2/1.000.000) x (2/1.000.000)) x (4x6) = 3,8 exp -22
Noch kleinere Zahl.
Daher lässt sich die Formel wie folgt zusammenfassen: λ(n+m)[SAI+BYP] = (n+m) × λPBUS = (n+m) × 0,4/1,000000.
Für n=2 und m=2 → λ(1+1)[SAI+BYP] = (2+2) × λPBUS = (2+2) × 0,4/1,000000 = 1,6/1.000.000 = 1,6 exp -5.
MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(2+2)[SAI+BYP] = 625.000 h.
Für n=3 und m=3 → λ(3+3)[SAI+BYP] = (3+3) × λPBUS = (3+3) × 0,4/1.000000 = 2,4/1.000.000 = 2,4 exp -5
MTBF[SAI+BYP] = 1/ λ(3+1)[SAI+BYP] = 416.666 h
Verfügbarkeit: Gemäß der Formel Für n=1 A(2+2) = 1.250.000/ (1.250.000 + 12) = 0,999971 (4 Neunen) Für n=2 A(3+3) = 416.666 / (416.666 + 18) = 0,999956 (4 Neunen)
Zusammenfassend lässt sich aus diesen Berechnungen schließen, dass eine n+m-Konfiguration die Verfügbarkeit des USV-Systems im Vergleich zur n+1-Lösung nicht unbedingt erhöht, hauptsächlich aufgrund der Kritikalität der Parallelschaltung.

Vergleich von USV-Konfigurationen:
Bei einer einzelnen USV-String-Anlage (Gleichrichter, Batterie und Wechselrichter) hängt die Zuverlässigkeit der USV von der Zuverlässigkeit des Gleichrichters, des DC-Zwischenkreises (Batterien) und, in noch größerem Maße, des Wechselrichters ab.
Der Einsatz eines statischen Bypass-Schalters, der eine Notstromversorgung aus dem Netz bereitstellt, erhöht die Zuverlässigkeit um das Sechsfache, sofern die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) des Netzes 50 Stunden (bei guter Qualität) beträgt und die mittlere Reparaturzeit der USV sechs Stunden. Dieses Zuverlässigkeitsniveau ist jedoch leider unzureichend, da es weiterhin maßgeblich von der Zuverlässigkeit des Stromnetzes und der Qualität des USV-Kundendienstes (Reaktionszeit, Anfahrtszeit, Reparaturzeit usw.) abhängt. Moderne kritische Lasten können sich nicht auf eine unzuverlässige Netzqualität und lange Reparaturzeiten verlassen.
Um die Netzabhängigkeit zu überwinden, werden redundante parallele USV-Konfigurationen mit n+1 empfohlen. Der Nachteil der klassischen Standalone-USV in einer redundanten parallelen n+1-Konfiguration ist die relativ lange Reparaturzeit der USV (typischerweise 6 bis 12 Stunden).
Durch den Einsatz von im laufenden Betrieb austauschbaren, modularen redundanten Parallelsystemen auf Basis modularer (n+1)-Technologie wird die kritische Last vollständig netzunabhängig. Ein defektes USV-Modul kann ausgetauscht werden, ohne dass die in Betrieb befindlichen USV-Module in den Bypass-Betrieb geschaltet werden müssen. Darüber hinaus dauert der Modulaustausch maximal 0,5 Stunden, wodurch die Reparaturzeit im Vergleich zu herkömmlichen Parallelsystemen drastisch reduziert wird.
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit einer herkömmlichen USV in einer redundanten Parallelkonfiguration (1+1) im Vergleich zu einem modularen System in einer redundanten Parallelkonfiguration (4+1).
Vergleich von Standalone- und modularen (n+1)-USV-Konfigurationen

Abbildung 5 zeigt ein Blockdiagramm zweier redundanter USV-Konfigurationen. Das System links stellt ein redundantes, paralleles Standalone-System (1+1) dar, das System rechts ein redundantes, paralleles modulares System (n+1) mit im laufenden Betrieb austauschbaren Modulen.

)
ist die Verfügbarkeit der redundanten (1+1)-Konfiguration höher als die der redundanten (4+1)-Konfiguration, sofern die mittlere Reparaturzeit (MTTR) für beide Konfigurationen gleich ist. Dies liegt daran, dass die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) der redundanten (1+1)-Konfiguration höher ist als die der redundanten (4+1)-Konfiguration.
In Fall 2) ist die Verfügbarkeit der redundanten (1+1)-Konfiguration mit höherer MTTR aufgrund ihrer deutlich kürzeren MTTR geringer als die der redundanten (4+1)-Konfiguration.

Zusammenfassung:
Dieser Artikel analysierte verschiedene USV-Systeme und stellte Konzepte vor, die eine quantitative Bewertung ihrer Eignung für kritische Anwendungen ermöglichen. Dabei wurden Konzepte wie Ausfallrate und MTBF (Zuverlässigkeit), MTTR (mittlere Reparaturzeit) und deren Einfluss auf den wichtigsten Parameter für kritische Anwendungen – die Verfügbarkeit – erläutert.
Fallstudien belegen die Bedeutung der MTTR für eine hohe Verfügbarkeit. Fällt in einer redundanten Konfiguration eine USV-Einheit aus, sinkt die Verfügbarkeit, und das defekte Gerät bzw. Modul muss schnellstmöglich repariert oder ausgetauscht werden, um die Redundanz (hohe Verfügbarkeit) wiederherzustellen. Modulare USV-Systeme ermöglichen kürzere MTTRs und somit eine höhere Verfügbarkeit, selbst bei einer größeren Anzahl parallel geschalteter Module.
Aus Sicht von Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ist ein redundantes paralleles modulares System (n+1) die beste Option. Überraschenderweise verbessert die (n+m)-Konfiguration (m>1) laut den durchgeführten Berechnungen die Zuverlässigkeit der (n+1)-Konfiguration nicht, da in dieser Studie die Ausfallrate des Parallelbusses als die bedeutendste Komponente des Systems betrachtet wird.
Natürlich besteht noch erhebliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Gesamtleistung und der Steigerung sowohl der elektrischen Effizienz der einzelnen Module als auch der Effizienz des Managements des gesamten modularen Systems. Die Entwicklung zukünftiger USV-Systeme wird sich jedoch zweifellos auf modulare Systeme konzentrieren.
Um die Frage „Sind sie wirklich zuverlässiger?“ ​​zu beantworten, lässt sich daher schlussfolgern, dass modulare Systeme das neueste Glied in der Evolutionskette von unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen für kritische Anwendungen darstellen. Sie verbessern die Stromverfügbarkeit und erhalten oder steigern in vielen Fällen sogar die Zuverlässigkeit herkömmlicher Systeme.

Autor: Von Ramon Ciurans, F&E-USV-Projektleiter bei SALICRU