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Troja. URL: http://www.feyrer.de/Texts/Troja/usv.html
Operation am offenen Herz
Wie schließt man eine USV im laufenden Betrieb an?
Hubert Feyrer, Marius Strobl
November 2001
Abschalten der Stromversorgung führt zur Unterbrechung des Betriebs. Mit
Hilfe einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) kann dies
verhindert werden, doch wie schließt man sie nachträglich an? Der
vorliegende Artikel zeigt eine Hardware-Schaltung, die es erlaubt einen
Rechner nachträglich, im laufenden Betrieb und ohne Betriebsausfall, mit
einer USV zu versorgen, und dokumentiert die Realisierung der Umsetzung an
der Fachhochschule Regensburg.
* Problem
Am Fachbereich der FH Regensburg wird ein Unix-Rechner betrieben, der Studenten via
Netzwerk 24x7 zur Verfügung steht. Er wird für Programmierübungen in
diversen Vorlesungen sowie für EMail, News und sonstige
Online-Kommunikation benutzt. Durch die hohe Verfügbarkeit der
Hardware, Software und nicht zuletzt der Stabilität des
Betriebssystems (Sun Solaris/x86) hat der Rechner momentan - Stand
18.11.2001 - eine Laufzeit von knapp 600 Tagen ohne Neustart!
Für die frühen Morgenstunden des 19.11.2001 ist eine Abschaltung des
Stromnetzes im gesamten Gebäude zwecks Messungen des TÜV
anberaumt. Diese Abschaltung ist ein Problem für das Vorhaben, die
Stabilität des Rechners anhand einer möglichst großen Uptime zu
demonstrieren, da der Rechner ohne Unterbrechungsfreier
Stromversorgung (USV) bzw. Notstromaggregat betrieben wird, wie in
Bild 1 gezeigt. Ein Herunterfahren/Neustarten des Systems würde die 600 Tage
Uptime zerstören, ist also keine Option!
Bild 1: (Klicken für Vergrößerung!)
Der Rechner wird ohne USV betrieben
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Leihweise ließ sich eine USV auftreiben, so daß der Betrieb des
Rechners auch während der Abschaltung des Stromnetzes gesichert werden
konnte, wie in Bild 2 gezeigt.
Bild 2: (Klicken für Vergrößerung!)
Der Rechner soll am Ende mit einer USV versorgt sein
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Daß die USV in der Stromversorgung des
Rechners zwischengeschaltet werden mußte war ein Problem, da
ein Öffnen des Stromkreises ebenfalls gleichbedeutend mit dem Verlust
der Laufzeit ist. Es galt eine Lösung zu finden, dies zu verhindern,
und dennoch die USV anzuschließen!
* Idee
Die ersonnene Lösung nutzt die Tatsache aus, dass man verlustfrei
eine Verbindung überbrücken kann, wie in Bild 3 gezeigt:
Bild 3: (Klicken für Vergrößerung!)
Verlustfreie überbrückung
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Bild 3a) zeigt die Ausgangslage: Die Verbindung zwischen zwei
Mehrfachsteckdosen ist durch das "normale" Kabel (blau) überbrückt.
Man kann problemlos ein zweites Kabel (magenta) einstecken, und dann
parallel zum ersten schalten, wie in Bild 3b) gezeigt. Anschließend
kann man die ursprüngliche Verbindung trennen (Bild 3c).
* Über USVs
Bei USVs wird zwischen zwei Typen unterschieden, "offline" und
"online". Für das Vorhaben eignen sich Geräte mit "offline"
Technologie besser, da man beim Einbau garantiert keine
Phasenverschiebung zwischen Netz und USV-Out hat. Im vorliegenden Fall
wurde eine "offline" USV vom Typ APC Smart-UPS verwendet.
In aller Kürze:
- "Online" USV:
-
Permantente Wandlung, keine Umschaltzeit, bei Netzversorgung wesentlich
höhere Verlustleistung, teurer (höhere Qualitätsanforderungen)
- "Offline" USV:
-
Wandlung nur im Bedarfsfall, Umschaltzeit, praktisch keine
Verlustleistung bei Netzversorgung, billiger (Wandler-Hardware braucht
keiner Dauerbelastung standhalten), keine
Phasenverschiebung bei Netzversorgung
* Realisierung
Die Realisierung dieser Idee umfasst nicht ein Überbrückungskabel,
sondern zwei: Das erste das die bestehende Verbindung "normal"
überbrückt wie oben gezeigt, und das zweite daß die USV
zwischengeschaltet hat. Um später nicht mehrere Verbindungen parallel zu
haben und einfach und schnell von einer Überbrückung auf die andere
Umschalten zu können wurde ein Schalter (2 x UM) benutzt, der jeweils
Nulleiter und Phase umschaltet. Die drei Schutzleiter wurden direkt
miteinander verbunden. Diese beiden Überbrückungen sind im
Schaltplan (Bild 4) vereinfacht dargestellt: die magentafarbene Brücke stellt
die Verbindung zwischen den beiden Mehrfachsteckleisten ohne USV dar,
der Umschalter in der Mitte ist dabei in der Stellung "N"
(Netzversorgung). Die Versorgung über die USV ist grün eingezeichnet,
die Schalterstellung dazu ist mit "U" (USV) gekennzeichnet. Wichtig
dabei ist, dass die USV dabei weiterhin aus dem Netz gespeist wird,
und sich automatisch einschaltet wenn die Spannung am Eingang (grüne
Leitung ganz rechts im Bild 4) abfällt.
Bild 4 zeigt den gesamten Aufbau:
Bild 4: (Klicken für Vergrößerung!)
Die für das Zwischenschalten der USV benutzte Schaltung
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Achtung!
Die gezeigten Verbindungen laufen allesamt mit 230 Volt Wechselspannung!
Neben den üblichen Sicherheitsmaßnahmen ist hier darauf zu achten,
dass jede Leitung aus Nulleiter, Phase (-> Strom!) und Schutzleiter besteht.
Beim Aufbau der Schaltung, d.h. sowohl beim Einstecken der SchuKo-Stecker in
die Steckerleiste als auch beim Einstecken der Kaltgeräte-Anschlüsse
an der USV ist darauf zu achten, dass immer Phase auf Phase, und
Nulleiter auf Nulleiter gesteckt wird! Kurzschlußgefahr!
Neben der Gefahr von Kabelbrand können dabei sowohl Rechner als auch
USV Schaden nehmen. Ein Phasenprüfer ist hier hilfreich, im
Optimalfall wird ein Multimeter zum bestimmen der Potentialdifferenz
benutzt.
Bild 5 zeigt eine Detailansicht des Umschalters mitsamt der Kabel:
Bild 5: (Klicken für Vergrößerung!)
Vergrößerung des Schalters
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Das grün/magentafarbene Kabel #1 geht hierbei zur linken
Verteilerdose, die auch den abzusichernden Rechner speist. Es leitet
Strom je nach Schalterstellung aus dem Netz- oder dem USV-Schaltkreis
an die linke Steckerleiste. Das magentafarbene Kabel #2 liefert direkt
Strom aus der Netzversorgung der rechten Steckerleiste, ohne USV. Die
Schalterstellung ist mit "N" bezeichnet. Das dritte, grüne Kabel #3
geht zur USV, und anschließend ebenfalls zur rechten
Steckerleiste. Evtl. müssen hier Phase und Nulleiter im Kabel
vertauscht werden (vergleichbar einem Crossover-Twisted-Pair Kabel
:-), um die Phase des Kabels an den Phasen-Ausgang der USV zu
koppeln. (NIEMALS Phase auf Nulleiter - Kurzschluß!). Die rechte
Hälfte von Bild 5 zeigt auch die beiden SchuKo-Stecker an Kabel #1 und
#2, die jeweils an die Mehrfachsteckdosen angeschlossen werden, sowie
den Kaltgerätestecker der an die USV angeschlossen wird. Das
Kaltgerätekabel das die USV dann an die rechte Steckdose anschließt
ist hier nicht gezeigt.
* Ablauf Aufbau
Bevor im Folgenden stichpunktartig der zeitliche Ablauf erläutert
wird, in dem die einzelnen Kontakte herzustellen bzw. zu lösen
sind folgen hier nochmals die allgemeinen Regeln:
- Immer Phase auf Phase, Nulleiter auf Nulleiter!
- Stecker #1 und #2 nicht vertauschen!
- Die üblichen Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit Strom
beachten!
Hier nun der Ablauf:
- USV einschalten und Selbsttest abwarten
- USV-Eingang an rechte Mehrfachdose anschließen
- Schalter auf "U" stellen
- Stecker #1 in linke Mehrfachdose einstecken. Vorsicht, es liegt
nun Spannung an Kabel(stecker) #3 an!
- Phase des USV-Ausgangs bestimmen (ist Phase links oder rechts?)
- Phase von Kabel #3 messen
- Schalter auf "N" stellen. Vorsicht, es liegt nun Spannung am
Kabel(stecker) #2 an!
- Kabel #3 an USV-Ausgang anschließen, darauf achten dass Phase auf
Phase geschlossen wird. Ggf. "gekreuztes" Verlängerungskabel
verwenden.
Mit diesem Schritt ist der "grüne" Stromkreis geschlossen, es
fließt jedoch momentan noch kein Strom!
- Phase von Kabel #2 bestimmen
- Phase der rechten Steckdosenleiste bestimmen
- Kabel #2 so anschließen, dass die Phasenleitung des Kabels in die
Phasen-Buchse der Dose kommt
Ab dieser Stelle fließt parallel Strom über den "magentafarbenen"
und den ursprünglichen Stromkreis (blau)!
- Die ursprüngliche Verbindung zwischen den beiden
Mehrfachsteckdosen (blau) kann nun entfernt (ausgesteckt)
werden. Vorsicht, das Kabel steht unter Strom und muß gegen
Berührung gesichert werden, z.B. mit einer "leeren" SchuKo-Buchse!
- Nun kann der Schalter von "N" auf "U" umgelegt werden, um den
Stromfluß vom "magentafarbenen" auf den "grünen" Stromkreis
(parallel zum immer noch bestehenden, ursprünglichen blauen
Kreis!) umzuschalten.
- Die Verbindung der beiden Mehrfachsteckdosen läuft nun über die
USV, und das gesteckte Ziel ist erreicht
* Ablauf Abbau
Um die gemachten Schritte rückgängig zu machen ist folgendes Vorgehen
anzuwenden:
- Schalter auf "N" legen
- Anschluß der "linken" Steckdosenleiste PHASENGLEICH in "rechte"
Steckdosenleiste stecke.
- Rest in beliebiger Reihenfolge abbauen
* Photosession
| Zusammenlöten des Umschalters an die beiden SchuKo- und
einen Kaltgeräteanschluß. Materialbedarf: 1
Schalter 2 x UM ohne Mittelstellung, 2 Kaltgerätekabel
mit SchuKo Stecker (zu den Mehrfachsteckdosen, 1
Kaltgerätekabel mit Kaltgerätestecker (zur USV),
Isolierband
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| Der Test-Setup, Ausgangszustand. Die linke
Dreifachsteckdose ist mit einem Test-Rechner, die rechte mit
dem Stromnetz verbunden. Momentan sind rechts ein
Lötkolben und die USV eingesteckt.
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| Der fertige Umschalter
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| Testen der Schaltung - an den Steckdosen werden Phase
und Nulleiter angeschrieben, damit nichts verdreht
wird.
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| Der Phasen-Ausgang der USV passt nicht zur Phase die
über die linke Verteilerdose und den Schalter kommt. Ein
Kaltgeräte-Verlängerungskabel mit gekreuzter Phase und
Nulleiter schafft hier Abhilfe.
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| Das Zielobjekt, Ausgangssituation
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| tabaluga.fh-regensburg.de
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| Die "linke" Steckdosenleiste, an der der Rechner (und
momentan noch ein Monitor) angeschlossen ist.
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| Die "rechte" Steckdosenleiste, hier bereits mit
umgesteckten Monitor (grau) und v.a. dem Kabel #2
(schwarz) zum Umschalter. Der graue Stecker links speist
die USV.
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| Der Große Moment: Umschaltung von Netzversorgung
(Schalterstellung "N", magentafarbene Leitung) auf
USV-Versorgung ("U", grüne Leitung).
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| Nach erfolgreicher Umschaltung: Die Position des
Schalters wir mit Hilfe eines Bleistifts und Klebeband
gesichert.
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| Das mittlerweile abgesteckte Verbindungskabel zwischen
den beiden Mehrfachsteckdosen (Schaltbild: blaues Kabel
in der Mitte) wird vor Berührung der Kontakte
geschützt.
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| Geschafft - das Tabaluga-Rettungs-Team nach
erfolgreicher Arbeit. Von links nach rechts: Daniel
Ettle, Christian Krauss, Hubert Feyrer, Marius Strobl.
Zeitaufwand insgesamt: ca. 2 Stunden.
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* Mögliche Optimierung
Der zweite "magentafarbene" Stromkreis ist relativ überflüssig und
wurde nur zu Testzwecken eingebaut, und weil durch den Schalter ein
schnelleres, rausch/wackelfreies Umschalten möglich ist.
Da außerdem damit zu keinem Zeitpunkt der Ausgang der USV mit der
Netzversorgung verbunden ist ist diese Lösung etwas sicherer.
Bei offline USV's, bei denen im Netz-Betrieb der Eingang direkt auf
den Ausgang durchgeschleift wird (messen!) ist das Vorhaben auch ohne
Schalter realisierbar, was zudem den Vorteil hat, dass die
Umschaltzeit nicht vom Computer-Netzteil überbrückt werden
muss. Vorsicht: USV's mittlerer bis guter Qualität, z.B. APC
Smart-UPS, schalten sich bereits bei Spannungsschwankungen ein, die
meistens Netzversorger-bedingten Stromausfällen vorausgehen. Tritt
dieser Fall während des zwischenschaltens der USV ein, so liegt Spannung
aus dem Versorgungs-Netz am USV-Ausgang an, was mit hoher
Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung der USV führt!
Die Möglichkeit, die USV direkt parallel zu schalten (siehe Bild 6)
ist für künftige Vorhaben dieser Art zu eruieren. Bei der Durchführung
ist darauf zu achten, daß der Eingang der USV (im Bild 6: rechts)
zuerst angeschlossen wird, damit die USV hochfahren und den Selbsttest
durchführen kann, bevor der Ausgang verbunden wird. (Achtung: Wenn man erst
"links" einsteckt liegt nach dem Einstecken "rechts" Netzspannung am
Ausgang der USV an, was zu deren Zerstörung führen kann!)
Möglicher Ablauf:
- Eingang der USV mit "rechter" Leiste verbinden
- USV einschalten, Selbsttest abwarten
- Ausgang der USV Phasengleich mit "linker" Leiste verbinden
- "Linke" Leiste aus "rechter" Leiste ausstecken
- Stecker der "linken" Leiste vor Berührung der Kontakte sichern!
Bild 6: (Klicken für Vergrößerung!)
Die für das Zwischenschalten der USV benutzte Schaltung
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* Disclaimer
Wer nicht GENAU weiss was er beim Experimentieren mit Strom macht
sollte dabei besser die Finger lassen (oder einen Experten
hinzuziehen)!
Die Folgen können von Stromausfall mit verbundener Downtime und
Betriebsausfall über Hardware-Schäden bis hin zu tödlichen
Stromschlägen führen. You have been warned!
Weder der Autor dieser Webseite noch sonst irgend jemand
übernehmen irgendeine Haftung für die gemachten Angaben!
* Links
Hier zum Abschluß noch ein paar interessante Links zum Thema USVs:
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