Ich möchte eine Rack-USV kaufen, die die gesamte IT-bezogene Elektronik in einem SOHO-Raum unterstützt. Dazu gehören Switches, Router, PCs, Server und NAS. Während meiner Recherche habe ich herausgefunden, dass es verschiedene Arten von USVs gibt und diejenigen, die reine Sinuswellen erzeugen, die besten sind. Sie sind jedoch auch viel teurer als beispielsweise modifizierte Sinuswellen-USVs.
Was ist die Anwendung einer reinen Sinuswellen-USV? Wird es in meinem Anwendungsfall irgendwelche Vorteile bieten oder ist es ein Overkill?
Antworten:
Eine saubere Wechselstromversorgung ist allgegenwärtig, daher sind einige elektrische Geräte so konzipiert, dass sie als Startannahme dienen.
Geräte, bei denen die Netzstromqualität im Vordergrund steht
Ein klassisches Beispiel für ein Gerät, das mit einer solchen Annahme beginnt, ist ein analoger Audio-Leistungsverstärker, der in den oder vor den frühen 1970er-Jahren entwickelt wurde, oder ein moderneres Gerät, das nach den gleichen Grundsätzen entwickelt wurde. Die lineare Regelung gibt zu viel Wärme ab, als dass sie in einem solchen Gerät praktikabel wäre. Zu dieser Zeit war die rauscharme Schaltreglertechnologie nicht wirklich verfügbar, und daher wurden die damaligen Verstärker mit einer im Grunde ungeregelten Leistung ausgelegt, die die Verstärkerstufen direkt ansteuert. Schmutzige Leistung wird als Teil des Ausgangssignals angezeigt, je nachdem, wie viel Rückkopplung der Verstärker hat.¹ Dies ist eine der beiden Hauptursachen für Leitungsbrummen in alten Verstärkern.²
Ein weiteres Beispiel für eine Schaltung, bei der die Stromqualität den Betrieb des Geräts beeinträchtigen kann, ist ein Wechselstrommotor, z. B. eine Kabelbohrmaschine , bei der die Motordrehzahl direkt von der anliegenden Spannung abhängt. Eine Spannung, die nicht gleichmäßig ansteigt und abfällt, führt zu Geschwindigkeitsschwankungen. Die Schritte am Ausgang einer modifizierten Sinuswelle liegen im Bereich von Hunderten von Hz, sodass eine USV mit modifiziertem Sinus wahrscheinlich eine Änderung in der Art und Weise verursacht, in der der Motor läuft, die Sie tatsächlich hören können.
Ich würde mir zwar nicht allzu viele Sorgen darüber machen, was eine schlechte Stromqualität für eine Bohrmaschine bedeuten würde, aber es gibt motorbetriebene Geräte, die ich nicht mit einer minderwertigen USV betreiben möchte, wie z. B. einem CPAP-Gerät .
Die Frage, ob sich ein Gerät in Ihrem SOHO-Rack um die Qualität der USV-Leistung kümmert, hängt vom Design der Stromversorgung der einzelnen Komponenten ab.
Netzteiltypen
Geräte mit starker Filterung und Regulierung der Stromversorgung kümmern sich im Allgemeinen nicht um die Nichtidealitäten einer modifizierten Sinuswelle. Für ein solches Gerät kommt es nur darauf an, dass es eine ausreichende RMS-Leistung erhält und dass die Leistung innerhalb der Eingangsspannungsgrenzen des Geräts liegt.³
Die häufigste Art der Stromversorgung, die für moderne elektronische Geräte verwendet wird, ist das Schaltnetzteil . Umschalter wirken sich viel schlimmer auf die Leistung aus, als die Sinuswelle am Eingang zu stören. Daher müssen sie bereits viel gefiltert werden, wenn der Lastkreis sauberen Strom benötigt
Der andere Haupttyp der Spannungsversorgungsregelung ist der Linearregler , der typischerweise niederfrequente Eingangsgeräusche und Welligkeiten um 80-100 dB unterdrückt. Das bedeutet, dass die Filter- und Regelungsphase ein wenig holprig wird und nur ein bisschen unscharf ist. Ich habe versucht, ein Beispiel für ein Gerät zu finden, das aufgrund dieser Unschärfe schlecht funktioniert, aber mir fällt nichts ein. Wenn Sie das Rauschen so weit nach unten drücken, wird es für die meisten Schaltkreise unwichtig, weshalb Linearregler trotz ihrer Ineffizienz immer noch verwendet werden.
Das lässt ungeregelte Netzteile übrig. Dies ähnelt den obigen Fällen für Wechselstrommotoren, mit der Ausnahme, dass ein Transformator die Wechselspannung verringert, die dann typischerweise gleichgerichtet und gefiltert wird , um eine holprige Gleichspannung zu erzeugen. Dieser dreistufige Prozess reduziert das Rauschen auf der AC-Seite erheblich. ⁵ Es kann daher vorkommen, dass Geräte gebaut werden, bei denen davon ausgegangen wird, dass das resultierende Rauschen und die Welligkeit am Ausgang eines solchen Netzteils ziemlich sauber sind und durch das ärgerlich werden Hundert-Hz-Hash kommt aus einer USV mit modifiziertem Sinus.
Oszillogramme
Nach fixer1234 Bilder seiner Antwort hinzugefügt , dachte ich, modifizierte Sinus nicht wirklich sein könnte , dass schlecht, nicht wahr? Ich meine, sie werden mehr als vier Schritte pro Zyklus machen, oder? Richtig?
Ich habe mich entschlossen, Oszillogramme aller UPSes zu erstellen, die ich hier für die Wissenschaft habe! Sie werden alle von derselben Firma hergestellt, stammen jedoch aus verschiedenen Bereichen der Produktlinie dieser Firma.
Als Referenz sieht die ungefilterte Netzwechselspannung am Testort so aus, mit Spannung gegen Zeit links und einem Spektraldiagramm der gleichen Wellenform rechts:
Der große Peak am linken Rand des Spektrumsplots ist die 60-Hz- Grundwelle . Die großen harmonischen Spitzen, die Sie sehen, zeigen, dass meine Wandkraft hier nicht besonders sauber ist. Die größte Harmonische ist die 2. Harmonische bei 120 Hz in der Mitte des Diagramms, 30 dB niedriger als die Grundwelle, gefolgt von der 3. Harmonischen bei 180 Hz am rechten Rand des Diagramms. Dann gibt es diesen mysteriösen Peak bei 85 Hz, für den ich keine Erklärung habe.
Dies ist genug Verzerrung, um im Oszillogramm auf der linken Seite angezeigt zu werden: Beachten Sie die etwas abgeflachten Spitzen.
Ich habe ein paar verschiedene True-Sine-USVs getestet, die beide ziemlich teuer waren. Ihre Ausgabe sieht folgendermaßen aus:
Ihre Augen täuschen Sie nicht: Die Batterieleistung dieser speziellen USV ist sauberer als meine Steckdose! Mit dieser USV können alle elektronischen Geräte innerhalb ihrer Belastungsgrenzen betrieben werden, da die Batterieleistung nahezu der idealen Wandleistung entspricht, was praktisch keinen Unterschied macht.
Wenn eine USV lange genug hält, übersteigen die Kosten für Ersatzbatterien die ursprünglichen Kosten. Wenn Sie hochwertige USV-Geräte kaufen, sollten Sie daher die laufenden Kosten der USV stärker berücksichtigen als den anfänglichen Kaufpreis
Eine Midrange-USV desselben Herstellers kostet ungefähr ⅓ derjenigen einer True-Sine-USV mit denselben technischen Daten. Es wird wahrscheinlich auch kleiner und leichter sein. Der Fang? Diese:
Das ist zwar viel besser als die Ausgabe, die wir von fixer1234s Post erwarten, aber nicht hübsch. Diese USV weist nicht nur ein hohes Maß an Breitbandrauschen und -verzerrungen auf. Diese beiden Rückstöße in jedem Zyklus können Stromkreise stören, bei denen angenommen wird, dass die Eingangswechselspannung immer stetig zunimmt oder abnimmt.
Trotzdem wird eine gut gefilterte und regulierte Stromversorgung all dies beseitigen, so dass solche Geräte problemlos mit dieser USV betrieben werden können. Ich hatte noch nie Probleme mit den an diese USV angeschlossenen Geräten. Da es die USV ist, die die Kernkomponenten meines Heimnetzwerks am Laufen hält, würde ich feststellen, dass sie bei jedem Stromausfall neu gestartet werden.
Einer der Gründe, warum ich hier keine Marken- und Modellnamen gebe, ist, dass dies kein guter Hinweis auf die Qualität der Batterieausgabe ist. Ich habe einen nahen Verwandten der vorherigen USV getestet und ein ganz anderes Testergebnis erhalten:
Dies ist im Grunde die reale Version der idealisierten Wellenform, die in der Antwort von fixer1234 gezeigt wird. Die Antwort auf meine Frage oben lautet dann: "Ja, sie machen USVs mit einer so schlechten Ausgabequalität wirklich."
Und ja, das kann in der Praxis von Bedeutung sein. Tatsächlich habe ich mich dazu entschlossen, die Ausgabe dieser bestimmten USV auf diese Antwort hin zu testen, da dies in der Vergangenheit zu Problemen geführt hat.
Wir hatten einen High-End-Marken-PC an diese USV angeschlossen, und bei jedem Stromausfall wurde der PC - und nur der PC - spontan neu gestartet. Alles andere, was an die "Batterie" -Ausgänge angeschlossen ist, würde aufbleiben. Es war so seltsam, dass ich tatsächlich ein Arduino- Programm geschrieben habe, um über mehrere Wochen hinweg "Live-Ness" zu protokollieren und Stromausfälle zu erkennen. Das kleine Board lief die ganze Zeit, auch wenn der PC neu gestartet wurde. Wir haben diese USV schließlich auf einen großen alten Server verlegt, in der Erwartung, dass die schwerere Last auch dasselbe Symptom hervorruft, aber nein: Die USV hat diesen Server nun mehrere Stromausfälle überstanden.
Die Ausgabequalität dieser USV ist nicht der unterste Punkt. Sitzen Sie? Hier ist eine Low-End-USV von derselben Firma, die alle drei oben genannten USVs hergestellt hat:
Au!
Jetzt sehen Sie, warum diese Low-End-Serie von USVs ungefähr die Hälfte der Mittelklasse-USVs kostet.
Trotzdem habe ich noch nie gesehen, dass eines der an diese USV angeschlossenen Geräte einen Stromausfall nicht übersteht.
Schlussfolgerungen
Vielen Geräten ist die Qualität der Wechselstromversorgung einfach egal. Ein extremes Beispiel ist eine Schreibtischlampe, aber jedes Gerät mit einem gut regulierten und gut gefilterten Netzteil sollte mit hässlichen Wechselstromeingängen fertig werden.
Wie wir oben und in anderen Antworten gesehen haben, gibt es Geräte, die mit schlechter Eingangsleistung nicht zurechtkommen. In diesen Fällen benötigen Sie eine sinusgetreue USV.
Exkursionen:
Einige Verstärkerkonstruktionen haben nur eine sehr geringe Gegenkopplung . In audiophilen Kreisen ist dies eine religiöse Angelegenheit, da die reaktionären Extremisten der Meinung sind, dass die besten Verstärker kaum oder gar kein Feedback haben.
Die andere Hauptursache für das Brummen des Verstärkers ist die Erdschleife .
Aus diesem Grund sehen Sie häufig Netzteile, die mit 90-260 VAC oder Ähnlichem gekennzeichnet sind. Wenn ein solches Netzteil 200 V Wechselstrom aufnimmt, nimmt es einfach die Hälfte des Stroms auf, als ob es 100 V Wechselstrom aufnimmt, so dass es die gleiche Leistung an den Stromkreis liefert. P = VI
Selbst Geräte, die nicht viel Wert auf sauberen Strom legen, müssen häufig über eine Netzeingangsfilterung verfügen , um die EMV- Vorschriften zu erfüllen .
Zum Vergleich mit dem Fall der linearen Regelung könnte eine typische ungeregelte Versorgung das wechselstromseitige Rauschen um etwa 20 dB reduzieren.
Dezibel sind logarithmische Skalen, bei denen jede 6 dB Differenz zwischen zwei Spannungen eine Verdopplung oder Halbierung bedeutet. Daher ist die 80 dB-Rauschunterdrückung eines Linearreglers nicht viermal besser als die 20 dB, die Sie von einem typischen ungeregelten Netzteil erhalten, sondern etwa eintausendmal besser! Der Abfall von 20 dB auf 100 dB, den Sie von einem wirklich guten Linearregler erhalten, bedeutet, dass der Ausgang 10.000-mal leiser ist als der Eingang.
Angenommen, Sie entscheiden sich für 500 USD für eine USV mit echtem Sinus, obwohl Sie für 150 USD eine USV mit modifiziertem Sinus von guter Qualität mit denselben technischen Daten erhalten können. Eine typische USV-Batterie muss etwa alle 3 Jahre ausgetauscht werden, was für das Modell mit echtem Sinus zwischen 150 und 200 USD kosten kann. Dies entspricht 50-66 USD / Jahr × 12 Jahre ≈ 600-800 USD, sodass die Batteriekosten das dominierende Element bei der Kostenberechnung sind.
USVs der oberen Preisklasse haben in der Regel physisch größere Batterien für eine bestimmte VA-Stufe. Die Kosten für den Austausch der Batterien für eine USV-Batterie hängen zum Teil davon ab, wie viel Sie ursprünglich für die USV bezahlt haben. Sie könnten sich daher für eine USV der unteren Preisklasse entscheiden, als Sie dies in den obigen Diagrammen möchten, da die langfristigen Betriebskosten bei einer USV der oberen Preisklasse zu hoch wären.
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Die Anforderung für eine reine Sinuswelle bezieht sich hauptsächlich auf PFC-Netzteile (Active Power Factor Correction) im Computer. Bei diesen kann eine nicht sinusförmige Wellenform zu einer Abschaltung führen, was den gesamten Zweck einer USV zunichte macht.
Ich habe zwei Erklärungen für den Mechanismus gesehen:
In diesem Beitrag wird beschrieben , dass das PFC-Netzteil eine hohe Anfangslast für die USV verursachen kann, wodurch ein Überlastungsschutz ausgelöst wird, der die USV abschaltet.
Eine weitere Erklärung finden Sie in diesem Datenblatt des USV-Herstellers CyberPower:
Die beiden Erklärungen schließen sich nicht unbedingt gegenseitig aus. Jeder könnte unter bestimmten Umständen gelten. Bei beiden Erklärungen besteht jedoch Einigkeit über drei wichtige Punkte:
Eine bestimmte Kombination von Geräten und USV kann Probleme verursachen oder auch nicht. Unterschiedliche USV-Modelle erzeugen unterschiedliche Formen simulierter Wellenformen, unterschiedliche Stromversorgungen haben unterschiedliche Empfindlichkeiten für die Wellenform, unterschiedliche Gerätekonfigurationen haben unterschiedliche Belastungen gegenüber der USV-Kapazität usw.
Wenn die Computerhardware keine aktive PFC-Stromversorgung verwendet, ist die Verwendung einer modifizierten Sinuswellen-USV kein Problem (und implizit ist die Verwendung einer reinen Sinuswellen-USV kein Vorteil).
Die Verwendung einer modifizierten Sinuswellen-USV mit einem PFC-Netzteil führt weder zu einer physischen Beschädigung der USV noch des Netzteils, lediglich zu einem möglichen Ausfall der USV, um das Gerät eingeschaltet zu halten, wenn dies beabsichtigt ist. ** (siehe Warnung unten)
Vorsichtsmaßnahme: Diese Antwort konzentriert sich auf die Computerhardware und nicht auf andere Geräte, die möglicherweise ebenfalls von der USV mit Strom versorgt werden. Ich habe gelegentlich Berichte darüber gesehen, dass Nicht-Sinuswellenleistung mit bestimmten anderen Geräten nicht kompatibel ist. In der Antwort von Kinokijuf wird beispielsweise die fluoreszierende Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Monitors erwähnt, bei der Probleme aufgrund einer simulierten Sinuswellen-USV vermutet werden. Mein letzter Punkt zur Gerätesicherheit ist nicht für andere angeschlossene Geräte gedacht.
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Die Schaltnetzteile der meisten Computer haben eine hohe Toleranz gegenüber Störungen im Wechselstrom. Dies bedeutet, dass die USV mit „modifiziertem Sinus“ einwandfrei funktionieren sollte, sie können jedoch überhitzen.
Bei komplexeren Geräten, die direkt mit Wechselstrom betrieben werden und von der Netzspannung abhängen , kann dies jedoch zu Schäden führen , z.
Als Faustregel gilt: Wenn Ihr Gerät über ein separates Netzteil mit einer Spannung von 100 bis 240 V verfügt, sollte es für eine USV mit modifiziertem Sinus geeignet sein.
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Dies ist etwas ungewöhnlich, aber einige Server-Netzteile lassen sich nicht starten, wenn sie mit einem modifizierten Rechtecknetzteil betrieben werden .
Der Ort, an dem ich arbeite, verfügt über einige Server-Geräte, die in einem LKW montiert sind und mit einem modifizierten Rechteckwellen-Wechselrichter betrieben werden. Die Server-Netzteile mussten speziell getestet werden, um sicherzugehen, dass sie mit einer modifizierten Rechteck-Wechselstromversorgung gestartet werden können. Einige Off-the-Shell-Systeme (einige Dell-Boxen) werden nicht gestartet, wenn sie vom Wechselrichter ausgeführt werden.
Beachten Sie, dass sie laufen auf einem modifizierten Rechteck Eingang, aber nicht starten . Mit anderen Worten, wenn der Server während des Betriebs auf den Wechselrichterausgang geschaltet wird, ist dies in Ordnung, aber Sie können ihn nicht über den Wechselrichter- / USV-Ausgang starten.
Dies kann ein Problem sein oder auch nicht, je nachdem, welchen Anwendungsfall Sie erwarten.
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Wenn Sie die USV-Stromversorgung mit Netzkabeln über einen großen Raum verteilen, kann alles andere als eine reine Sinuswelle aufgrund von Impedanzeffekten entlang des Netzkabels schlimmer verzerren. Ich habe diesen Effekt in einer Fabrik kennengelernt, in der wir bei langen Kabeln im Wesentlichen reine Sinus-Frequenz-Motorsteuerungen verwendeten, da zu starke Verzerrungen bei langen Kabeln einen Motor verbrennen könnten. Alle USVs, die ich gesehen habe, scheinen reine Sinuswellen zu sein.
Überspannungsableiter oder in Geräte eingebauter Überspannungsschutz können ein Problem für eine USV sein, die nicht mindestens einer reinen Sinuswelle nahe kommt. Da ich Ersatzstrom für Computer, Fernseher, Sicherheitskameras usw. im selben Raum haben wollte, war es eher ein Sicherheitsproblem, dass ich mehr für ein reines Sinuswellengerät bezahlte. Ich brauche mir keine Sorgen zu machen, wenn sich etwas überhitzen könnte. Tatsächlich hatte ich ein Nachtlicht mit eingebauter Glühbirne, das überhitzte und schmolz, wenn ich es an die billigste USV anschloss, die ich je bekommen hatte. Schmelzte einen Sprung in den UPS-Koffer und war vor dem Abbrennen um ein Vielfaches heller gewesen. Ich glaube, es wurde ein Kondensator verwendet, um einen eingestellten Widerstand bei 60 Hz bereitzustellen, aber die USV-Oberwellen verursachten weniger offensichtlichen Widerstand, so dass zu viel Leistung durch den Kondensator geleitet wurde.
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