Belangrijke factoren in UPS-installaties

Belangrijke factoren in UPS-installaties

Inhoudsopgave Inleiding ........................................................................... 2 Deze gids gebruiken ....................................................... 3 Overzicht van beveiligingsoplossingen ........................ 4 Oplossingen voor stroombeveiliging .....................................................4 Bijbehorende software en services.......................................................5

UPS’en in elektrische installaties .................................. 6 Functie van elke component in de installatie ........................................6 Essentiële installatieparameters ...........................................................7 Informatiebronnen bij het opstellen van installatiespecificaties ............8

Basisbeginselen van installaties met UPS’en .............. 9 De behoefte aan stroom van goede kwaliteit en hoge beschikbaarheid 9 Systemen voorzien van UPS’en ...........................................................10 Stroomkwaliteit van UPS ......................................................................11 Beschikbaarheid van stroom voor UPS ................................................13 Selectie van de configuratie .................................................................17

Vermogensberekeningen ............................................... 18 Elementen die nodig zijn voor vermogensberekeningen ......................19 Vermogen van configuraties met één UPS ..........................................20 Vermogen van configuraties met parallelle UPS’en .............................24

Controle over harmonischen stroomopwaarts............. 26 UPS’en en harmonische stromen stroomopwaarts ..............................26 Filteren van stroomopwaartse harmonischen voor Graetz-bruggelijkrichters ......................................................................27 Selectie van een filter ...........................................................................29

Systeemaardingsmethoden ........................................... 33 Achtergrondinformatie over aardingssysteemen ..................................33 Toepassingen in UPS-installaties .........................................................36

Bescherming ................................................................... 40 Bescherming door middel van stroomschakelaars ...............................40 Selectie van stroomonderbrekers .........................................................43

Kabels ............................................................................. 48 Selectie van kabelmaten ......................................................................48 Voorbeeld van een installatie ...............................................................49

Energieopslag ................................................................ 50 Opslagtechnologieën ............................................................................50 Selectie van een batterij .......................................................................51 Batterijencontrole .................................................................................52

HMI (Human-machine interface) en communicatie ..... 54 HMI (Human-machine interface) ..........................................................54 Communicatie ......................................................................................54

Voorbereidend werk ....................................................... 55 Overwegingen bij installatie ..................................................................55 Batterijruimte ........................................................................................56

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 1

Inleiding

Een groeiende behoefte aan stroom van goede kwaliteit en hoge beschikbaarheid Problemen met betrekking tot de kwaliteit en beschikbaarheid van elektrische stroom zijn steeds nijpender geworden vanwege de belangrijke rol die computers en elektronica spelen in de ontwikkeling van veel kritieke toepassingen. Storingen in distributiesystemen (stroomonderbreking, stroomuitval, spanningsvallen, enz.) kunnen leiden tot grote verliezen of veiligheidsrisico's bij een aantal activiteiten, zoals: • gevoelige procesindustrieën, waar een storing in de controle-/monitorsystemen kan leiden tot productieverliezen. • luchthavens en ziekenhuizen waar defecte apparatuur een ernstig gevaar voor mensenlevens kan opleveren. • informatie- en communicatietechnologieën waar het vereiste niveau van beschikbaarheid en betrouwbaarheid nog hoger ligt. Datacenters vereisen 24/365 hoogwaardige stroom zonder onderbrekingen, jaar in jaar uit, zonder onderbrekingen voor onderhoud. Beveiligingssystemen met UPS’en maken nu een integraal deel uit van de waardeketen van veel bedrijven. Hun beschikbaarheid en stroomkwaliteit hebben een direct effect op de continuïteit van bedrijfsactiviteiten. De productiviteit, de kwaliteit van producten en services, de concurrentiepositie van het bedrijf en de beveiliging van de locatie hangen af van een goede werking van de UPS. Voor falen is geen plaats.

Schneider Electric - een complete oplossing die voldoet aan alle behoeften Schneider Electric biedt een compleet assortiment stroombeveiligingsoplossingen die aansluiten op de behoeften van alle gevoelige toepassingen. Deze oplossingen implementeren communicatiesoftware en producten die state-ofthe-art technologie bevatten en bieden daardoor de hoogste mate van betrouwbaarheid. Ze worden ondersteund door een complete service op basis van unieke expertise, wereldwijde aanwezigheid en gebruik van de meest geavanceerde TM technieken en technologieën. Global Services , met 40 jaar ervaring op klantlocaties, zorgt voor de begeleiding tijdens de levensduur van uw installatie, van ontwerp en ingebruikname tot werking en upgrades, waar ook ter wereld. Uninterruptible power supplies (UPS’en) vormen natuurlijk een centraal onderdeel van deze oplossingen. Zij bieden continue stroom van hoge kwaliteit en hoge beschikbaarheid, met ingebouwde, geavanceerde communicatie-interfaces die compatibel zijn met zowel elektrische als computeromgevingen Ze worden vaak gebruikt samen met andere communicatieproducten zoals actieve harmonische spanningsregelaars, omschakelautomaten, verdeelkasten, monitorsystemen voor batterijen en software voor toezicht. Als geheel biedt dit pakket een complete en effectieve oplossing voor de beveiligingsproblemen die zich voor kunnen doen in gevoelige installaties. Voor datacenters bieden on-demand-oplossingen integratie van de fysieke infrastructuur, waaronder racks, UPS’en, elektrische distributie, koeling en beveiliging, samen met de bijbehorende software.

Een gids die technici kan helpen bij elektrische installaties voor kritieke toepassingen Schneider Electric heeft een groot deel van zijn expertise beschikbaar gesteld in deze ontwerpgids. De gids is bedoeld als hulpmiddel bij het ontwerpen en installeren van complete, geoptimaliseerde oplossingen voor stroombeveiliging, van de netvoedingsleiding tot aan de uiteindelijke belasting, die aansluiten bij de kwaliteits- en beschikbaarheidsvereisten van uw kritieke toepassingen. De gids is bedoeld voor alle technici die te maken krijgen met dit soort installaties, zoals: • Onafhankelijke ontwerpbedrijven en ingenieursbureaus, • Ontwerpafdelingen bij de eindgebruiker, • Installateurs, • Projectmanagers, • Vestigingsmanagers, • Computersysteemmanagers, • Financieel managers of inkoopmanagers. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 2

Deze gids gebruiken

Structuur van dit document ) Informatie vinden Informatie kan op een aantal manieren worden gevonden: • De algemene inhoudsopgave vooraan in de gids, • Het overzicht op de pagina's 4 en 5 van hoofdstuk "Belangrijke factoren in UPS-installaties", waarin de producten, communicatiesystemen, software en services worden beschreven die alle deel uitmaken van beveiligingsoplossingen. ) Hoofdstukken • In het hoofdstuk "Belangrijke factoren in UPS-installaties" op pagina's 6 en 7 wordt de rol van UPS’en in elektrische installaties beschreven en worden de belangrijkste parameters genoemd waarmee rekening moet worden gehouden. De rest van het hoofdstuk beschrijft voor u het selectieproces voor een oplossing door vast te stellen wat de hoofdelementen zijn van een installatie met een UPS. • In het hoofdstuk "Selectie van de UPS-configuratie" wordt een aantal praktische voorbeelden gegeven voor het selecteren van een configuratie, van een eenvoudige eenheid met één UPS tot aan installaties die een uitzonderlijk hoge beschikbaarheid bieden. • In het hoofdstuk "elimineren van harmonische stromen" worden oplossingen aangeboden voor het elimineren van harmonische stromen in installaties. • In het hoofdstuk "Technische samenvatting" wordt technische achtergrondinformatie geboden voor apparaten en begrippen die elders in deze gids worden genoemd. Ten slotte, om de voorbereiding van projecten te vergemakkelijken: ) Verwijzingen De verschillende hoofdstukken bevatten verwijzingen (aangeduid door het symbool Î) naar andere delen van de ontwerpgids die meer gedetailleerde informatie bieden over specifieke onderwerpen. Verwijzingen naar technische artikelen (White papers - WP) worden aangeduid door het volgende symbool samen met het nummer van het desbetreffende white paper.

Zie WP-nr. Î

Hfst. 1: Belangrijke factoren in UPS-installaties Hfst. 2 : Selectie van de UPS-configuratie Hfst. 3 : Elimineren van harmonische stromen Hfst. 5 : Technische samenvatting

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 3

Overzicht van beveiligingsoplossingen

Oplossingen voor stroombeveiliging

Fig. 1.1. Schneider Electric-producten.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 4

Overzicht van beveiligingsoplossingen

Bijbehorende software en services

Fig. 1.2. Schneider Electric software en services.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 5

UPS’en in elektrische installaties

Functie van elke component in de installatie

Fig. 1.3. Functies van de componenten in installaties met UPS’en.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 6

UPSs in electrical installations (cont.)

Essentiële installatieparameters

Fig. 1.4. Belangrijkste parameters voor de componenten in installaties met UPS’en

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 7

UPS’en in elektrische installaties (vervolg)

Informatiebronnen bij het opstellen van installatiespecificaties De diagrammen op de vorige pagina's bieden een algemeen overzicht van de componenten en verschillende parameters in installaties met UPS’en. We gaan dit nu in meer detail bekijken. Onderstaande tabel toont: ● de volgorde waarin de onderwerpen in dit hoofdstuk worden behandeld ● de keuzen die moeten worden gemaakt ● het doel van elke beslissing met aanduiding van de pagina's die gaan over de relevante elementen in dit hoofdstuk ● waar u aanvullende informatie over elk onderwerp kunt vinden in de andere hoofdstukken van deze ontwerpgids. Keuzen Architectuur met één of meer bronnen en configuratie van UPS-bronnen

Doel Zie Selectie van de Bepalen van de architectuur van de installatie en de UPS-configuratie die het UPS-configuratie beste aansluit bij uw behoeften wat betreft beschikbaarheid van energie, upgrades, werking en budget.

Aanvullende informatie Voorbeelden en vergelijking van 13 veelvoorkomende installaties, van eenheden met één UPS tot architecturen met hoge beschikbaarheid. Voeden van gevoelige belastingen. UPS-configuraties. Sets motorgeneratoren.

Nominaal Bepalen van het vereiste nominale vermogen van UPS vermogen van de UPS-eenheid of parallelle eenheden (voor redundantie of capaciteit), waarbij rekening wordt gehouden met het distributiesysteem en de kenmerken van de belasting. Controle over Reduceren van spanningsvervorming op harmonischen de busbars stroomopwaarts tot stroomopwaarts acceptabele niveaus, afhankelijk van de voedingsbronnen die het UPS-systeem van stroom zullen gaan voorzien.

Indeling en werking van UPS. Belangrijke factoren in UPSinstallaties p. 17

Systeemaardingsm Zorgen voor naleving van de geldende ethoden standaarden voor de bescherming van levens en eigendommen en de correcte werking van apparaten. Welke systeemaardingsmethoden zijn vereist voor welke toepassingen? Vaststellen van het Beveiliging stroomopwaarts en onderbrekingsvermogen en het nominale stroomafwaarts met vermogen van de stroomonderbrekers stroomopwaarts en stroomafwaarts van de behulp van stroomonderbreker UPS, oplossen van selectiviteitsproblemen. s Aansluitingen Beperken van spanningsvallen en temperatuurstijging in de kabels alsmede harmonische vervorming bij de belastingsingangen. Batterij Werking op batterijvoeding (back-uptijd) moet lang genoeg duren om te voldoen aan de behoeften van gebruikers.

Belangrijke factoren in UPSinstallaties p. 30

Eliminatie van harmonischen in Belangrijke factoren in UPS- installaties. installaties p. 24 Harmonischen

Technische samenvatting p. 2 Technische samenvatting p. 23 Technische samenvatting p. 35 Technische samenvatting p. 14

Elimineren van harmonische stromen Technische samenvatting p. 38

Belangrijke factoren in UPSinstallaties p. 35

Belangrijke factoren in UPSinstallaties p. 43 Oplossingen en batterijen voor Belangrijke factoren in UPS- energieopslag. installaties p. 45 Communicatie Definiëren van de communicatie van UPS Belangrijke met de elektrische en computeromgeving. factoren in UPSinstallaties p. 49 Voorbereidend Er moet constructiewerk en ventilatie Technische werk (indien nodig) worden gepland, vooral als er een speciale samenvatting batterijruimte is. p. 51 Elektromagnetische compatibiliteit Standaarden Op de hoogte zijn van de belangrijkste Technische geldende standaarden voor UPS. samenvatting p. 33

Schneider Electric

Zie Selectie van de UPSconfiguratie p. 5

Editie 09/2015

Technische samenvatting p. 31

Technische samenvatting p. 26

p. 8

Basisbeginselen van installaties met UPS’en De behoefte aan stroom van goede kwaliteit en hoge beschikbaarheid

Stroomstoringen in distributiesystemen Overheids- en en particuliere nutsbedrijven leveren stroom waarvan de kwaliteit kan afnemen door een aantal storingen. Deze storingen zijn onvermijdelijk gezien de afstanden waar men mee te maken heeft en de uiteenlopende belastingen die zijn aangesloten. Deze storingen kunnen worden veroorzaakt door: • het distributiesysteem zelf (atmosferische omstandigheden, ongevallen, omschakelen van beveiligings- of controleapparatuur, enz.), • gebruikersapparatuur (motoren, storende apparaten zoals vlamboogovens, soldeerapparaten, systemen met vermogenselektronica, enz.). Deze storingen kunnen stroomonderbrekingen, spanningsvallen, overspanning, frequentievariaties, harmonischen, HF-ruis, flikkeringen, enz. omvatten, tot en met langdurige stroomuitval. Î Stroomstoringen in distributiesystemen, zie Hfst. 5 p. 3.

Vereisten van gevoelige belastingen Digitale apparaten (computers, telecomsystemen, instrumenten, enz.) gebruiken microprocessors die op frequenties werken van meerdere mega- of zelfs gigaHertz, dat wil zeggen dat ze miljoenen of zelfs miljarden bewerkingen per seconde uitvoeren. Een storing in de stroomtoevoer van slechts een paar milliseconden kan duizenden of miljoenen basisbewerkingen nadelig beïnvloeden. Het resultaat kan storingen en gegevensverlies zijn met gevaarlijke (bijvoorbeeld bij luchthavens, ziekenhuizen) of kostbare gevolgen (bijvoorbeeld productieverlies). Daarom vereisen veel belastingen, de zogenaamde gevoelige of kritieke belastingen, een stroomtoevoer die beveiligd is tegen distributiesysteemstoringen. Voorbeelden. • industriële processen en hun controle/monitorsystemen - risico op productieverlies. • luchthavens en ziekenhuizen - risico's voor de veiligheid van mensen. • informatie- en communicatietechnologieën - risico's van onderbrekingen in gegevensverwerking met zeer hoge kosten per uur. Veel fabrikanten van gevoelige apparatuur specificeren zeer strenge toleranties (veel strenger dan bij het distributiesysteem) voor de voeding van hun apparaten. Een voorbeeld hiervan is CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturer’s Association) voor computerapparatuur. Î Gevoelige belastingen, zie Technische samenvatting p. 2 "Voeding van gevoelige belastingen".

Kosten van de kwaliteit van elektrische stroom Meer dan 50% van storingen voor kritieke belastingen zijn te wijten aan de stroomtoevoer en de kosten per uur van downtime voor de getroffen toepassingen zijn over het algemeen erg hoog (fig. 1.5). Het is daarom van het grootste belang voor de moderne economie, die steeds afhankelijker wordt van digitale technologieën, dat de problemen met de kwaliteit en beschikbaarheid van stroom die door het distributiesysteem wordt geleverd, worden opgelost wanneer deze stroom wordt geleverd voor gevoelige belastingen.

15 %

45 %

Human error

20 %

Supply problems

Equipment failure

20 %

Voorbeelden van kosten per uur voor storingen ● mobiele telefoons - 40.000 euro. ● reserveringssystemen luchtvaart 90.000 euro. ● creditcardtransacties - 2,5 miljoen euro. ● lopende band autoindustrie - 6 miljoen euro ● beurstransacties - 6,5 miljoen euro.

Nuisance tripping (circuit breaker, etc.)

Fig. 1.5. Oorzaak en kosten van systeemstoringen vanwege de stroomtoevoer. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 9


Systemen voorzien van UPS’en

Doel van UPS’en UPS’en (uninterruptible power supply) zijn ontworpen om aan bovenstaande vereisten te voldoen. Ze werden voor het eerst gelanceerd in de 70-er jaren van de vorige eeuw en hun belang nam toe in gelijke tred met de ontwikkeling van digitale technologieën. UPS’en zijn elektrische apparaten die worden opgesteld tussen het distributiesysteem en gevoelige belastingen. Ze leveren stroom die veel betrouwbaarder is dan het distributiesysteem en die aansluit op de behoeften van gevoelige belastingen wat betreft kwaliteit en beschikbaarheid. Î UPS’en, zie Technische samenvatting p. 4 "De UPS-oplossing".

Soorten UPS’en De term UPS wordt gebruikt voor producten met een schijnbaar vermogen van een paar honderd VA tot meerdere MVA, waarbij verschillende technologieën worden geïmplementeerd. Daarom definiëren de standaard IEC 62040-3 en zijn Europese equivalent ENV 62040-3 drie standaardtypen (topologieën) UPS’en. UPS-technologieën omvatten: • Passieve stand-by, • Interactie met het distributiesysteem, • Dubbele conversie. Voor de lagere vermogens (< 2 kVA), bestaan de drie technologieën naast elkaar. Voor hogere vermogens implementeren bijna alle statische UPS’en (die halfgeleidercomponenten implementeren, zoals IGBT's) de dubbeleconversietechnologie. Roterende UPS’en (met roterende mechanische onderdelen zoals vliegwielen) zijn niet opgenomen in de standaarden en blijven een nichemarkt. Î Soorten UPS’en, zie Technische samenvatting p. 9 "Soorten statische UPS’en".

Statische UPS’en met dubbele conversie Dit is praktisch het enige type UPS dat in installaties met hoog vermogen wordt gebruikt, vanwege de unieke voordelen die zij bieden vergeleken met de andere typen: • volledige regeneratie van de voeding bij de uitgang, • totale isolatie van de belasting ten opzichte van het distributiesysteem en de storingen daarvan, • overschakeling zonder onderbreking (waar van toepassing) naar een bypassleiding. • Het werkingsprincipe (fig. 1.6) wordt hieronder beschreven. • gedurende normaal gebruik zet een gelijkrichter/oplader de wisselstroomvoeding om in gelijkstroomvoeding om een inverter van stroom te voorzien en een batterij 'float' te laden. • de inverter regenereert een sinusvormig signaal volledig en zet de gelijkstroom daarbij weer om in wisselstroom die vrij van storingen is en binnen strenge amplitude- en frequentietoleranties blijft. • als er storing is van de wisselstroomvoeding, levert de batterij de stroom die nodig is voor de inverter gedurende een opgegeven back-uptijd. • een statische bypass kan de belasting omschakelen naar een bypassleiding zonder onderbreking in de stroomtoevoer, om de belasting van stroom te kunnen blijven voorzien indien nodig (interne fout, kortsluiting stroomafwaarts, onderhoud). Dit 'fouttolerante' ontwerp maakt het mogelijk stroom aan de belasting te kunnen blijven leveren in 'downgrade modus' (de stroom gaat niet door de inverter) gedurende de tijd die nodig is voor het herstellen van de normale toestand. Î UPS’en met dubbele conversie, zie Technische samenvatting p. 14 "Componenten en werking".

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 10


Fig. 1.6. Statische UPS’en met dubbele conversie

Stroomkwaliteit van UPS’en

Stroomkwaliteit van UPS’en met dubbele conversie Halfgeleider-UPS’en met dubbele conversie leveren, conform specificaties, een sinusvormig signaal aan de aangesloten belastingen met de volgende kenmerken: • hoge kwaliteit omdat het voortdurend geregenereerd en gereguleerd wordt (amplitude ± 1%, frequentie ± 0,5%), • vrij van storingen van het distributiesysteem (vanwege de dubbele conversie) en met name van stroomonderbrekingen en stroomuitval (vanwege de batterij). Dit kwaliteitsniveau moet worden gegarandeerd, ongeacht het type belasting.

Spanningskwaliteit voor lineaire belastingen Wat is een lineaire belasting? Een lineaire belasting die wordt voorzien van een sinusvormige spanning neemt een sinusvormige stroom op met dezelfde frequentie als de spanning. De stroom kan een faseverschuiving vertonen (hoek ϕ) ten opzichte van de spanning (fig. 1.7).

Voorbeelden van lineaire belastingen Veel belastingen zijn lineair, zoals standaardgloeilampen, kachels, weerstandsbelastingen, motoren, transformators, enz. Zij bevatten geen actieve elektronische componenten, alleen weerstanden (R), inductors (L) en condensators (C).

UPS’en en lineaire belastingen Voor dit type belasting is het uitgangssignaal van de UPS van zeer hoge kwaliteit, dat wil zeggen dat de spanning en de stroom perfect sinusvormig zijn, 50 of 60 Hz.

Belasting met inductor en/of condensator Geheel resistieve belasting Fig. 1.7. Spanning en stroom voor lineaire belastingen.

Spanningskwaliteit voor niet-lineaire belastingen Wat is een niet-lineaire belasting? Een niet-lineaire (of vervormende) belasting die van sinusvormige spanning wordt voorzien, neemt een periodieke stroom op met dezelfde frequentie als de spanning, maar deze is niet sinusvormig. De stroom die wordt opgenomen door de belasting is in feite een combinatie (fig. 1.8) van: • een sinusvormige stroom (ook wel de basisfrequentie genoemd) met een frequentie van 50 of 60 Hz, • harmonischen. Dit zijn sinusvormige stromen met een kleinere amplitude dan die van de basisfrequentie, maar met een frequentie die een veelvoud is van de basisfrequentie en die de harmonische volgorde definieert (de derde harmonische heeft bijvoorbeeld een frequentie van 3 x 50 Hz (of 60 Hz) en de vijfde harmonische heeft een frequentie van 5 x 50 Hz (of 60 Hz)).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 11


De harmonische stromen worden veroorzaakt door de aanwezigheid van vermogenelektronicacomponenten (bijvoorbeeld dioden, SCR's, IGBT's) die de ingangsstroom omschakelen.

Voorbeelden van niet-lineaire belastingen Niet-lineaire belastingen zijn bijvoorbeeld al die belastingen die een omschakelende stroomvoeding bij de ingang hebben om de elektronica van stroom te voorzien (zoals computers, aandrijvingen met variabele snelheid, enz.).

Spanning en stroom opgenomen door een enkelfasige, omschakelende stroomvoeding (computers). Fig. 1.8. De stroom die wordt opgenomen door niet-lineaire belastingen, wordt vervormd door de harmonischen. Invloed van harmonischen (H3 en H5 in dit voorbeeld).

Harmonisch spectrum van de stroom die wordt opgenomen door een nietlineaire belasting De harmonische analyse van een niet-lineaire stroom bestaat uit het vaststellen (fig. 1.9): • van de harmonische volgorde in de stroom, • het relatieve belang van elke positie in de volgorde, gemeten als het percentage van de volgorde. rms value of harmonic k Hk% = vervorming van harmonische k = rms value of the fundamental

Vervorming van spannings- en stroomharmonische Niet-lineaire belastingen veroorzaken harmonischen in zowel spanning als stroom. Dit komt omdat voor elke stroomharmonische, er ook een spanningsharmonische is met dezelfde frequentie. De sinusvormige spanning van 50 Hz (of 60 Hz) van de UPS wordt daardoor vervormd door de harmonischen. De vervorming van een sinusgolf wordt uitgedrukt als een percentage: rms value of all the harmonic k THD* % = totale vervorming = rms value of the fundamental * Total Harmonic Distortion (totale harmonische vervorming). De volgende waarden zijn gedefinieerd: • TDHU % voor de spanning, op basis van de spanningsharmonischen, • TDHI % voor de stroom, op basis van de stroomharmonischen (fig. 1.9). Hoe groter de harmonische inhoud, des te groter de vervorming. Praktisch gezien is de vervorming in de stroom die door de belasting wordt opgenomen, veel hoger (THDI ongeveer 30%) dan die van de ingangsspanning (THDU ongeveer 5%). Harmonische vervormingsniveaus H5 = 33% H7 = 2,7% H11 = 7,3% H13 = 1,6% H17 = 2,6% H19 = 1,1% H23 = 1,5% H25 = 1,3% THDI = 35% (zie berekening hfst. 5, p. 41) Harmonisch spectrum en overeenkomstige THDI. Fig. 1.9. Voorbeeld van het harmonische spectrum van de stroom die wordt opgenomen door een niet-lineaire belasting. Ingangsstroom van een driefasige gelijkrichter.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 12


Î Niet-lineaire belastingen, zie "Eliminatie van harmonischen in installaties" en Technische samenvatting p. 38 "Harmonischen".

UPS’en en niet-lineaire belastingen Harmonischen beïnvloeden de sinusvormige spanning bij de UPS-uitgang. Buitensporige vervorming kan de lineaire belastingen die parallel zijn aangesloten, verstoren bij de uitgang, met name door een verhoging van de stroom die zij opnemen (temperatuurstijging). Om de kwaliteit van de uitgangsspanning van de UPS te waarborgen, is het nodig om de vervorming te beperken (THDU), dat wil zeggen de stroomharmonischen te beperken die de spanningsvervorming veroorzaken. Met name is het nodig dat de impedantie (bij de UPS-uitgang en in de kabels die de belasting voeden) laag blijft.

De vervorming van de uitgangsspanning beperken Vanwege de afsnijtechniek voor vrije frequentie die wordt gebruikt, is de impedantie bij de UPS-uitgang van Schneider Electric zeer laag, ongeacht de frequentie (met andere woorden: ongeacht de harmonische volgorde). Deze techniek elimineert praktisch alle vervorming in de uitgangsspanning bij de stroomvoorziening voor nietlineaire belastingen. De kwaliteit van de uitgangsspanning is dus constant, zelfs voor niet-lineaire belastingen. In praktische zin moeten ontwerpers van installaties het volgende doen: • UPS-uitgangswaarden voor niet-lineaire belastingen controleren en er vooral voor zorgen dat het aangekondigde niveau van vervorming, gemeten voor gestandaardiseerde niet-lineaire belastingen volgens de standaard IEC 62040-3, zeer laag is (THDU < 2 tot 3%), • de lengte (impedantie) van de uitgangskabels beperken die de belastingen voeden. Î Prestaties van UPS’en voor niet-lineaire belastingen, zie Technische samenvatting p. 43.

Beschikbaarheid van stroom voor UPS

Wat wordt bedoeld met beschikbaarheid? Beschikbaarheid van een elektrische installatie

Beschikbaarheid is de waarschijnlijkheid dat de installatie in staat zal zijn om energie te leveren met het kwaliteitsniveau dat vereist is voor de belastingen die worden gevoed. Het wordt uitgedrukt als een percentage. MTTR Beschikbaarheid (%) = (1− ) × 100 MTBF De MTTR is de gemiddelde tijd die nodig is om het voedingssysteem te repareren na een storing (inclusief de tijd voor het vaststellen van de oorzaak van de storing, het repareren van de storing en het opnieuw opstarten van het systeem). De MTBF is de gemiddelde tijd tussen storingen, met andere woorden, de tijd waarin het voedingssysteem in staat is te zorgen voor een correcte werking van de belastingen. • Voorbeeld. Een beschikbaarheid van 99,9% (de drie negens genoemd) komt overeen met een kans van 99,9% dat het systeem de vereiste functies op enig moment effectief uitvoert. Het verschil tussen deze waarschijnlijkheid en 1 (dus 1 - 0,999 = 0,001) geeft de mate van niet-beschikbaarheid aan (dus een kans van één op de duizend dat het systeem de vereiste functie op enig moment niet kan uitvoeren).

Fig. 1.10. MTTR en MTBF. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 13


Wat betekent beschikbaarheid in de praktijk? De kosten van downtime voor kritieke toepassingen is zeer hoog (zie fig. 1.5). Deze toepassingen moeten natuurlijk zo lang mogelijk blijven werken. Hetzelfde geldt voor hun elektrische voeding. De beschikbaarheid van de energie die door een elektrische installatie wordt geleverd, kan worden uitgedrukt in een statistische meting (in de vorm van een percentage) van de werkingstijd. De waarden voor MTBF en MTTR worden berekend of gemeten (op basis van observaties die lang genoeg zijn) voor de componenten. Vervolgens kunnen deze worden gebruikt om de beschikbaarheid van de installatie gedurende een bepaalde periode vast te stellen.

Welke factoren dragen bij aan de beschikbaarheid? Beschikbaarheid hangt af van de MTBF en de MTTR. • De beschikbaarheid zou gelijk zijn aan 100% als de MTTR gelijk is aan nul (onmiddellijk herstel) of als de MTBF oneindig is (storingsvrije werking). Dit is statistisch onmogelijk. • In de praktijk geldt dat hoe lager de MTTR en hoe hoger de MTBF is, hoe groter de beschikbaarheid is.

Van de '3 negens' naar de '6 negens' Door de kritieke aard van veel toepassingen is een veel hoger beschikbaarheidsniveau vereist van elektrische voeding. • De 'traditionele' economie gebruikt energie die afkomstig is van openbare nutsbedrijven. Een distributiesysteem van gemiddelde kwaliteit met HV back-up biedt een beschikbaarheid van 99,9% (3 negens), die overeenkomt met acht uren van niet-beschikbaarheid per jaar. • Gevoelige belastingen vereisen elektrische voeding met een beschikbaarheid van 99,99% (4 negens), hetgeen overeenkomt met 50 minuten van niet-beschikbaarheid per jaar. • De computer- en communicatieapparatuur in datacenters vereisen een beschikbaarheid van 99,9999% (6 negens), hetgeen overeenkomt met 30 seconden van niet-beschikbaarheid per jaar. Met dit niveau kan worden gewaarborgd, zonder risico op aanzienlijke financiële verliezen, dat infrastructuren 24/365 werken, zonder onderbrekingen voor onderhoud. Het is een stap in de richting van ononderbroken elektriciteitsvoorziening.

) De 'traditionele' economie gebruikt energie van openbare nutsbedrijven die een beschikbaarheid hebben van 99,99%, dus 3 negens. ) Gevoelige belastingen vereisen een beschikbaarheid van 99,99%, 4 negens. ) Datacenters vereisen 99,9999%, 6 negens.

Fig. 1.11. Ontwikkeling in het beschikbaarheidsniveau dat door toepassingen wordt vereist.

Hoe kan de beschikbaarheid worden verbeterd? Om de beschikbaarheid te verhogen, is het nodig om de MTTR te verlagen en de MTBF te verhogen.

De MTTR verlagen Real-time storingsdetectie, analyse door experts om een nauwkeurige diagnose te kunnen stellen en snelle reparaties dragen allemaal bij aan een verlaging van de MTTR. Deze inspanningen zijn afhankelijk van enkele belangrijke factoren, die hieronder worden genoemd. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 14


Kwaliteit van de service • Internationale aanwezigheid van de fabrikant. • Internationale beschikbaarheid van de services. • Het aantal, de kwalificaties en de ervaring van serviceteams. • De geïnstalleerde productbasis en de ervaring die hierbij is opgedaan. • Gemakkelijk te onderhouden, modulaire UPS’en • De middelen en nabijheid van de technische ondersteuning. • Plaatselijke beschikbaarheid van originele reserveonderdelen. • Kwaliteit van de methoden en hulpmiddelen van fabrikant. • Diagnosestelling op afstand. • Het geven van cursussen die zijn toegesneden op de behoeften van de klant. • Kwaliteit en beschikbaarheid van documentatie in de plaatselijke taal. TM Global Services biedt een volledig assortiment consulting services, training en controles waarmee gebruikers de kennis kunnen opdoen die nodig is voor het gebruik van het systeem, diagnosestellingen en onderhoud op niveau 1. Global ServicesTM

De MTTR verlagen Beschikbaarheid verhogen

Fig. 1.12. De kwaliteit van de service is een belangrijke factor in hoge beschikbaarheid.

Communicatievoorzieningen van UPS’en • Gebruikersvriendelijke interface biedt eenvoudige gebruiksdiagnose. • Communicatie met de elektrische en computeromgeving. Î Communicatie en toezicht op UPS’en door Schneider Electric, zie . UPScommunicatie.

De MTBF verhogen Dit doel hangt vooral af van de hieronder beschreven factoren. Selectie van componenten met beproefde betrouwbaarheid • Producten met gecertificeerde ontwerp-, ontwikkelings- en fabricageprocessen. • Prestaties die zijn gecertificeerd door erkende, onafhankelijke organisaties. • Naleving van internationale standaarden betreffende elektrische veiligheid, EMC (elektromagnetische compatibiliteit) en prestatiemeting. Met 40 jaar ervaring en gezien het feit dat al 350 GVA aan kritieke elektrische voeding is beveiligd, hebben oplossingen van Schneider hun waarde bewezen aan toonaangevende industriële organisaties. Alle producten voldoen aan de belangrijkste internationale standaarden en hun prestaties zijn gecertificeerd door erkende organisaties. Gecertificeerde kwaliteit en betrouwbaarheid

De MTBF verhogen Beschikbaarheid verhogen

Fig. 1.13. De bewezen betrouwbaarheid van producten verhogen de MTBF en de beschikbaarheid.

Ingebouwde fouttolerantie Fouttolerantie maakt gebruik in een gereduceerde modus mogelijk na fouten die zich kunnen voordoen op verschillende niveaus van de installatie (zie fig. 1.14). Gedurende de tijd die nodig is voor reparaties wordt de belasting gewoon van stroom voorzien en kan deze omzet genereren. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 15


Onmiddellijke activering: - detectie en alarmen - aanwijzen van oorzaken - corrigerende handeling

Fig. 1.14. Fouttolerantie verhoogt beschikbaarheid.

Onderhoudsgemak van installatie Dit is de mogelijkheid om onderdelen van de installatie te isoleren (stroom af te sluiten) voor onderhoud onder veilige omstandigheden, terwijl de belasting gewoon van stroom wordt voorzien. Dit zou mogelijk moeten zijn: • in de UPS, vanwege de statische bypass en onderhoudsbypass, • in andere onderdelen van de installatie, afhankelijk van de architectuur.

Directe stroomvoorziening aan de belasting tijdens onderhoud. Automatische, ononderbroken omschakeling van de belasting naar de bypass-leiding na een interne fout stroomafwaarts of overbelasting.

Fig. 1.15. Statische bypass en handmatige onderhoudsbypass.Oplossingen van Schneider

Electric zorgen voor fouttolerantie en onderhoudsgemak door implementatie van: • UPS’en met dubbele conversie die de belasting kunnen overschakelen naar de bypass-wisselstroomingang via de automatische bypass, en die zijn voorzien van een onderhoudsbypass, • redundante UPS-configuraties met meerdere bronnen, met STS-eenheden.

Belangrijke factoren bij de beschikbaarheid van installaties met UPS’en Een paar jaar geleden bestonden de meeste installaties uit enkele UPS-eenheden en waren er weinig parallelle systemen. De toepassingen die dit type installatie nodig hebben, bestaan nog steeds. De verschuiving naar hoge beschikbaarheid die momenteel plaatsvindt, vereist echter het gebruik van configuraties die redundantie op een aantal niveaus bieden in de installatie (zie fig. 1.16).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 16


Redundantie bij de bron: beschikbaarheid zelfs tijdens langdurige uitval van elektriciteit. Redundantie bij UPS: betrouwbaarheid, eenvoudiger en veiliger onderhoud. Redundante distributie met STS-eenheden: maximale beschikbaarheid. Fig. 1.16. De vereiste niveaus van beschikbaarheid hebben het gebruik van redundantie op een aantal niveaus in de installatie tot gevolg gehad.

Deze trend heeft ertoe geleid dat ontwerpers, al naar gelang de meer of minder kritieke aard van belastingen en de werkingsvereisten, rekening zijn gaan houden met een aantal of alle belangrijke factoren die hieronder worden genoemd. Betrouwbaarheid en beschikbaarheid Een configuratie voorstellen die overeenkomt met het beschikbaarheidsniveau dat vereist is door de belasting, componenten bevat met bewezen betrouwbaarheid en wordt ondersteund door het benodigde kwaliteitsniveau van de service. Onderhoudsgemak Zorgen voor gemakkelijk onderhoud van de apparatuur, zonder onderbrekingen en onder veilige omstandigheden voor het personeel. Mogelijkheid voor upgrades Het moet mogelijk zijn om de installatie na verloop van tijd te upgraden, waarbij rekening moet worden gehouden met de behoefte aan een geleidelijke uitbreiding van de installatie en met gebruiksvereisten. Discriminatie en beperking van storingen Het moet mogelijk zijn om storingen te beperken tot een zo klein mogelijk gedeelte van de installatie, terwijl onderhoud en reparatie mogelijk moet zijn zonder onderbrekingen. Installatie, werking en beheer Het werken met de installatie vergemakkelijken door het mogelijk te maken dat er op gebeurtenissen kan worden geanticipeerd door middel van systemen voor toezicht op de installatie en beheersystemen.

Selectie van de configuratie

Schneider Electric

Vereiste stap voor het opstellen van installatiespecificaties De selectie van een configuratie bepaalt het beschikbaarheidsniveau dat voor de belasting wordt gemaakt. Het bepaalt ook de mogelijke oplossingen voor de meeste factoren die hierboven zijn genoemd. De configuratie kan één of meerdere bronnen bevatten, met één UPS of parallelle UPS-eenheden en met of zonder redundantie. Het selecteren van de configuratie is de eerste stap bij het opstellen van installatiespecificaties. Om u te helpen de juiste beslissingen te nemen, is hoofdstuk 2 geheel aan dit onderwerp gewijd. Dit hoofdstuk vergelijkt de verschillende configuraties wat betreft beschikbaarheid, beveiliging van de belastingen, onderhoudsgemak, mogelijkheden voor upgrades en kosten. Î Selectie van configuraties voor typische installaties die overeenkomen met verschillende niveaus van beschikbaarheid, zie Selectie van de UPS-configuratie.

Editie 09/2015

p. 17

Vermogensberekeningen (vervolg) Elementen die nodig zijn voor vermogensberekeningen

Overwegingen bij installatie Type belasting dat gevoed wordt

Lineaire belastingen (cos ϕ) of niet-lineaire belastingen (vermogensfactor). Deze kenmerken bepalen de vermogensfactor bij de UPS-uitgang.

Maximaal vermogen dat door de belasting wordt opgenomen bij stationaire toestanden Voor een belasting is dit het vermogen. Als er een aantal belastingen in parallel zijn aangesloten op de UPS-uitgang, is het nodig om de totale belasting te berekenen wanneer alle belastingen tegelijkertijd operationeel zijn. Anders moet er diversiteit worden gebruikt om de meest onvoordelige werking te berekenen wat betreft het opgenomen vermogen.

Startstromen bij overgangstoestanden of bij een kortsluiting stroomafwaarts De overbelastingscapaciteit van een UPS-systeem is afhankelijk van de duur van de overbelasting. Als deze tijdslimiet wordt overschreden, schakelt de UPS de belasting over naar de Bypass AC-ingang, mits de spanningskenmerken binnen toleranties liggen. In dit geval is de belasting niet meer beveiligd tegen storingen in het distributiesysteem. Afhankelijk van de kwaliteit van Bypass AC-voeding, is het mogelijk om: • de Bypass AC-ingang te gebruiken om stroompieken op te vangen vanwege het omschakelen van apparaten of vanwege kortsluitingen stroomafwaarts. Dit voorkomt te grote afmetingen van het systeem, • uitschakelen van automatische omschakeling (behalve voor interne fouten), terwijl de mogelijkheid van handmatige omschakelingen behouden blijft (bijvoorbeeld voor onderhoud). UPS’en van Schneider Electric werken in stroombegrenzingsmodus. Door het schakelen van apparaten geleidelijk te doen, is het meestal mogelijk om met startstromen om te gaan zonder dat er moet worden omgeschakeld naar de Bypass AC-voeding. Als de startstroom voor een paar tijdsperioden de drempelwaarde overschrijdt (bijvoorbeeld 2,33 In voor Galaxy 9000 UPS’en) (maar minder dan een seconde), wordt de UPS-stroom zo lang als nodig is begrensd. Deze gereduceerde werkingsmodus kan acceptabel zijn, bijvoorbeeld bij een koude start (op batterijvoeding, geen voeding van het lichtnet).

Voeding van een UPS Nominaal vermogen van een UPS Dit vermogen, aangegeven in de catalogi, is in de uitgangsvoeding. Het wordt aangeduid als een schijnbaar vermogen Sn in kVA, met het overeenkomstige actieve vermogen Pn in kW, voor een: • lineaire belasting, • belasting met een cos ϕ = 0,8. De meest recente UPS’en van Schneider Electric kunnen echter belastingen voeden met een cos ϕ = 0,9 voorijlend.

Berekening van het vermogen Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA). actief vermogen Deze berekening is afhankelijk van de uitgangsspanning van de UPS en de stroom die wordt opgenomen door de belasting, waarbij: Sn (kVA) = UnIn

3

in driefasige systemen

Sn (kVA) = VnIn in enkelfasige systemen Voor een driefasige UPS zijn U en I rms-lijnwaarden; voor een enkelfasige UPS is V een fase-naar-nulleider-spanning, waarbij: Un = fase-naar-fase-spanning Vn = fase-naar-nulleider-spanning Un = Vn 3 Als bijvoorbeeld Un = 400 volt, Vn = 230 volt.

Vermogen en type belasting De twee tabellen hieronder tonen de vergelijkingen die het vermogen, de spanning en de stroom verbinden, afhankelijk van het type belasting (lineair of niet-lineair). Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 18

Vermogensberekeningen (vervolg) De volgende symbolen worden gebruikt: • waarden voor momentele spanning u(t) en stroom i(t), • de overeenkomstige rms-waarden U en I, • ω = hoekfrequentie = 2 π f waarbij f de frequentie is (50 of 60 Hz), • ϕ = verschuiving tussen de spanning en de stroom onder sinusvormige omstandigheden.

Lineaire belastingen Driefasig Sinusvormige spanning

u(t) = U

Enkelfasig

2 sin ωt

v(t) = V

tussen fasen

2 sin ωt

fase naar nulleider

U=V 3 Verschoven sinusvormige stroom

i(t) = I

2 sin (ωt - ϕ)

fasestroom

Topfactor van stroom

2

Schijnbaar vermogen

S (kVA) = UI

Actief vermogen

P (kW) = UI 3 cos ϕ = S (kVA) cos ϕ

P (kW) = VI cos ϕ = S (kVA) cos ϕ

Reactief vermogen

Q (kvar) = UI 3 sin ϕ = S (kVA) sin ϕ

Q (kvar) = VI sin ϕ = S (kVA) sin ϕ

S (kVA) = VI

3 cos ϕ

P 2 +Q

S=

2

Niet-lineaire belastingen Sinusvormige spanning De gereguleerde UPS-spanning blijft sinusvormig (lage THDU), ongeacht het type belasting.

u(t) = U

2 sin ωt

v(t) = V

tussen fasen

2 sin ωt

fase naar nulleider

U=V 3 i(t) = i1(t) + Σihk(t)

Stroom met harmonischen

i1(t) = I1 ik(t) = Ihk

2 sin (ωt - ϕ1) 2 sin (kωt - ϕk)

I12 + I22 + I32 + I4 2 + ....

I=

totale fasestroom fundamentele stroom k-volgorde harmonische

rms-waarde van de totale stroom

C = waarde piekstroom / rms-waarde THDI =

I12

2

2

+ I2 + I3 + I4 + ....

Totale harmonische vervorming van stroom

I1

Schijnbaar vermogen

S (kVA) = UI

Actief vermogen

P (kW) = λ UI 3 = λ S (kVA)

S (kVA) = VI

3

Vermogensfactor

Topfactor van stroom

2

P (kW) = λ VI = λ S (kVA) λ=

P(kW ) S(kVA)

Percentage belasting UPS Dit is het percentage van het nominale vermogen dat effectief wordt opgenomen door de belasting. Belasting (%) = Sload (kVA ) Sn (kVA )

) Aanbeveling: houd rekening met groei in belastingen Geadviseerd wordt een marge over te laten (overtollig vermogen) bij het opstellen van het vermogen, vooral wanneer een uitbreiding van de site is gepland. Zorg er in een dergelijk geval voor dat het percentage belasting op de UPS ook acceptabel is na de uitbreiding.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 19

Vermogensberekeningen (vervolg) Efficiency van de UPS Deze factor bepaalt het vermogen dat wordt opgenomen door de UPS op het distributiesysteem stroomopwaarts, dat wil dus zeggen, het verbruik. Het kan worden berekend als: PUPSoutput (kW ) η (%) = PUPSinput (kW ) Voor een gegeven vermogen verlaagt een hoog niveau van efficiency: • de energierekening, • warmteverlies en daardoor de noodzaak voor ventilatie. Het is mogelijk om de efficiency te berekenen bij een belasting op volledig vermogen, een belasting van 100% dus. Pn (kW ) ηn (%) = PUPSinput (kW ) Het actieve vermogen van de UPS wordt verkregen door het schijnbare vermogen Sn (kVA) te vermenigvuldigen met 0,8 (indien λ > 0,8) of met λ (indien λ< 0,8). De efficiency kan aanzienlijk uiteenlopen, afhankelijk van het percentage en type belasting. De ontwerper van de installatie moet daarom aandacht schenken aan twee aspecten van efficiency. ) Aanbeveling 1: controleer de efficiency voor niet-lineaire belastingen De aanwezigheid van niet-lineaire belastingen vermindert de vermogensfactor meestal tot waarden onder de 0,8. Daarom is het nodig om de efficiencywaarde te controleren voor gestandaardiseerde niet-lineaire belastingen. Deze controle wordt aanbevolen door de standaarden IEC 62040-3 / EN 62040-3. ) Aanbeveling 2: controleer de efficiency bij het geplande percentage

belasting Fabrikanten geven meestal de efficiency op bij een volledige belasting. De waarde hiervan kan echter afnemen als het percentage belasting lager is (1). Daarom moet er aandacht worden geschonken aan UPS’en die in een actieve-redundante configuratie zijn opgesteld, waarbij de eenheden de totale belasting delen en vaak op 50% of minder van hun volledige belasting werken. (1) Een UPS werkt optimaal op een volledige belasting. Hoewel verliezen het hoogst zijn bij een volledige belasting, is de efficiency ook optimaal. In een standaard UPS zijn verliezen niet proportioneel aan het percentage belasting en neemt de efficiency scherp af wanneer het percentage belasting afneemt. Dit komt omdat een deel van de verliezen constant is en het relatieve percentage van dit deel toeneemt wanneer de belasting afneemt. Om hoge efficiency te bereiken op lage belastingsniveaus, moeten de constante verliezen zeer laag zijn. Door hun ontwerp hebben UPS’en van Schneider Electric zeer lage constante verliezen en daarom is hun efficiency nagenoeg stabiel voor belastingen van 30 tot 100%. Î Efficiency van de UPS, zie Technische samenvatting p. 20.

Vermogen van configuraties met één UPS

Schneider Electric

Configuraties met één UPS Deze configuraties bestaan uit één UPS-eenheid met dubbele conversie (zie fig. 1.17). De overbelastingscapaciteit bij de UPS-uitgang wordt aangegeven door een diagram (het voorbeeld hieronder is voor de Galaxy 9000-serie). In het geval van een interne fout of een overbelasting die de capaciteit van de UPS te boven gaat, schakelt het systeem automatisch om naar de Bypass AC-ingang. Als omschakeling niet mogelijk is, beperken UPS’en van Schneider Electric de stroom voor overbelastingen die groter zijn dan de maximumwaarde (bijvoorbeeld 2,33 In piek voor één seconde voor Galaxy 9000, hetgeen overeenkomt met een maximale sinusgolf met een rms-waarde van 2,33 / 2 = 1,65 In). Als het langer dan één seconde duurt, wordt de UPS uitgeschakeld. Er is een set met uitschakelingsschakelaars beschikbaar om de UPS te isoleren voor onderhoud in totale veiligheid.

Editie 09/2015

p. 20

Vermogensberekeningen (vervolg)

Fig. 1.17. Eén statische UPS-eenheid met dubbele conversie en voorbeeld van een overbelastingscurve.

Vermogensniveau bij stationaire toestanden De omvang van een UPS wordt vastgesteld met behulp van het schijnbare vermogen Sn (kVA) en een uitgangsvermogenfactor van 0,8. Deze omstandigheden komen overeen met een actief vermogen van Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA). In de realiteit voedt een UPS een aantal belastingen met een totale vermogensfactor λ die vaak niet 0,8 is, door de aanwezigheid van niet-lineaire belastingen en middelen om de vermogensfactor te kunnen verbeteren; • Als λ ≥ 0,8, is de UPS toch beperkt tot Pn (kW), • Als λ < 0,8, is de UPS beperkt tot λ Sn (kW) < Pn (kW). Daarom moet bij het selecteren van het vermogen in kVA rekening worden gehouden met het actieve vermogen dat aan de belastingen wordt geleverd. Het actieve vermogen wordt vastgesteld door de vier stappen hieronder te volgen.

1 - Schijnbaar en actief vermogen dat door de belastingen wordt opgenomen De eerste stap is het evalueren van het benodigde vermogen van de belasting. Onderstaande tabel moet worden opgesteld zodat de k-belastingen kunnen worden gevoed. Belasting Belasting 1 Belasting 2 … Belasting i … Belasting k Totaal

Schijnbaar vermogen (kVA) S1 S2

Ingangsvermogensfa Actief vermogen (kW) ctor λ (of cos ϕ) λ1 P1 = λ1 S1 λ2 P2 = λ2 S2

Si

λi

Pi = λi S i

Sk S (1) S is niet de som van Si.

λk λ

Pk = λk S k P = λS (3) P = λ S = Σ λi S i

(2) λ moet worden gemeten of berekend.

(1) S is niet de som van Si omdat: - het nodig zou zijn om de vectoriële som te berekenen als alle belastingen lineair waren, met behulp van de hoeken van de verschillende cos ϕ, - sommige belastingen niet lineair zijn. (2) λ moet ter plekke worden gemeten of geëvalueerd op basis van eerdere ervaring. (3) P = λ S = Σ λi S i omdat het actieve vermogen wordt toegevoegd (geen verschuiving).

2 - Schijnbaar vermogen van de UPS (Sn) De tweede stap is het selecteren van een UPS met een schijnbaar vermogen dat voldoende is voor de belastingvereisten (in kVA). Onder de gegeven omstandigheden is het geschikte schijnbare vermogen voor de UPS: Sn(kVA) > S. waarbij S = P / λ. Selecteer in het UPS-bereik de UPS met een vermogen Sn (kVA) net boven S. Als er reservevermogen nodig is en het geselecteerde vermogen te dicht bij S ligt, selecteert u het daaropvolgende hogere vermogen.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 21

Vermogensberekeningen (vervolg) 3 - Controleer het actieve vermogen De derde stap is een controle dat het geselecteerde vermogen voldoende is voor de belastingsvereisten in kW onder de geldende werkingsomstandigheden. Voor het geselecteerde vermogen zal de UPS het actieve vermogen leveren Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA) • Als λ ≥ 0,8, zorgt u ervoor dat Pn (kW) > P, dat wil zeggen dat de UPS het aanvullende vereiste vermogen kan leveren. Anders selecteert u het daaropvolgende hogere vermogen. • Als λ < 0,8, is het vermogen dat door de UPS wordt geleverd, voldoende omdat Pn (kW) > λ Sn (kVA), dat wil zeggen dat de selectie correct is.

4. - Percentage belasting De vierde stap is een controle dat het percentage belasting acceptabel is, zowel nu als in de toekomst, gezien de gewenste werkingsomstandigheden. Het percentage belasting is: Belasting = S / Sn(kVA) . Het moet voldoende zijn om een toename van de belasting te kunnen verwerken of als er plannen zijn om het systeem uit te breiden zodat er redundantie is.

Vermogensniveaus bij overgangstoestanden Startstromen van belastingen Het is belangrijk om de startstroom van elke belasting te kennen en de duur van de overgangstoestand. Als er een risico is dat een aantal belastingen tegelijk wordt ingeschakeld, is het nodig om de startstromen op te tellen.

Benodigde controles Het is vervolgens nodig om te controleren dat het geplande UPS-vermogen de startstromen kan verwerken. Op te merken valt dat de UPS gedurende een bepaalde tijd in stroombegrenzingsmodus kan werken (bijvoorbeeld 2,33 In gedurende één seconde voor een Galaxy 9000). Als de UPS de startstromen niet kan verwerken, moet u beslissen of het acceptabel is om te schakelen naar de Bypass AC-ingang wanneer de overgangstoestand zich voordoet. Als omschakeling niet acceptabel is, is het nodig om het vermogen te verhogen. Î Samenvatting van startstromen, zie Technische samenvatting p. 37.

Voorbeeld Onderstaand voorbeeld dient ter illustratie van het onderwerp en weerspiegelt geen werkelijke situatie. Het doel is de benodigde stappen aan te geven. De installatie bestaat uit drie driefasige belastingen van 400 V die parallel zijn aangesloten: • Computersysteem - S1 = 4 x 10 kVA (4 identiek aan belastingen van 10 kVA ), λ = 0,6 voor alle belastingen, startstroom 8 In over vier perioden 50 Hz (80 ms) voor elke belasting, • Aandrijving met variabele snelheid - S2 = 20 kVA, λ = 0,7, startstroom 4 In over vijf perioden (100 ms), • Isolatietransformator - S3 = 20 kVA, λ = cos ϕ = 0,8, startstroom 10 In over zes perioden (120 ms).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 22

Vermogensberekeningen (vervolg)

Schijnbaar nominaal uitgangsvermogen Sn(kVA) Actief vermogen Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA) Vermogensfactor λ bij UPS-uitgang voor alle belastingen

Totaal vermogen dat door 4 x 10 kVA de belastingen wordt λ1 = 0,6 verbruikt P (kW) = 54 kW

20 kVA

λ2 = 0,7

Maximaal actief 20 kVA cos ϕ = 0,8 uitgangsvermogen (dat de UPS aan de belastingen kan leveren) λ Sn (kVA)

Fig. 1.18. Voorbeeld van een installatie.

Vermogensniveaus bij stationaire toestanden 1 - Schijnbaar en actief vermogen dat door de belastingen wordt opgenomen Hieronder staat de tabel die moet worden opgesteld. Belasting Computersysteem Aandrijving met variabele snelheid LV/LV transformator Totaal

Schijnbaar vermogen (kVA) 40 20

Ingangsvermogensfa ctor 0.8* 0.7

Actief vermogen (kW) 32* 14

20 S

0.8 λ = 0.68 gemeten of geschat

16 P = 54 kW

* gemiddelde van nieuwe topsystemen met vermogensfactor 0,9 en oudere apparatuur met vermogensfactor tussen de 0,7 en 0,8. 2 - Schijnbaar vermogen van de UPS S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA Er moet een Galaxy PW UPS met voldoende vermogen worden geselecteerd. Het vermogen van 80 kVA zou niet voldoende zijn, dat wil zeggen het vermogen van 100 kVA of hoger zou moet worden geselecteerd als er een uitbreiding op de locatie is gepland. 3 - Controleer het actieve vermogen • De UPS kan de belastingen voeden 100 x 0,68 = 68 kW > 54 kW. 4 - Controles op het percentage belasting en nominale stroom • Het percentage belasting is daarom 79,4 / 100 = 79,4%. • Nominale stroom van de UPS - Sn (kVA) = UI 3 , d.w.z. I = 100 / (400 x 1,732) = 144 A.

Startstromen bij overgangstoestanden De belastingen moeten achter elkaar worden ingeschakeld om een combinatie van de startstromen te voorkomen. Het is nodig om te controleren dat de UPS de startstromen kan verwerken. De nominale stromen zijn berekend als S (kVA) = UI 3 , d.w.z.: • Computersysteem - In = 10 / (400 x 1,732) = 14,4 A, dat wil zeggen 8 In ≈ 115 A voor 80 ms • Aandrijving met variabele snelheid - In = 20/(400 x 1,732) = 28,8 A, dat wil zeggen, 4 In ≈ 115 A voor 100 ms • Transformator - In = 20 / (400 x 1,732) = 28,8 A, dus 10 In = 288 A voor 120 ms • Een Galaxy PW-UPS van 100 kVA heeft een overbelastingscapaciteit van 120%, dus 151 A x 1,2 = 173 A voor 10 minuten en 150%, dus 151 A x 1,5 = 216 A voor 1 minuut • Werking in stroombegrenzingsmodus op 2,33 In, dus 335 A voor een seconde. Als de vier computerbelastingen (elk 10 kVA ) achter elkaar worden gestart, is de overbelastingscapaciteit van 20% van de UPS voldoende (173 A -1mn > 115 A - 80 ms). Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 23

Vermogensberekeningen (vervolg) Als de vier belastingen gelijktijdig worden gestart, zou de startstroom 4 x 115 = 460 A > 335 A zijn. Het systeem zou de stroom begrenzen gedurende 80 ms. Voor de aandrijving met variabele snelheid is de overbelastingscapaciteit voldoende. Voor de isolatietransformator (288 A voor 120 ms) is de overbelastingscapaciteit ook voldoende.

Vermogen van configuraties met parallelle UPS’en

Configuraties met parallelle UPS’en Het doel van aansluitingen in parallel Door een aantal identieke eenheden in parallel aan te sluiten, kunt u: • het vermogen verhogen, • redundantie toevoegen waarmee de MTBF en de beschikbaarheid worden verhoogd.

Soorten parallelle aansluitingen Twee soorten UPS-eenheden kunnen in parallel worden aangesloten. • Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden - elke UPS-eenheid bestaat uit een automatische bypass en een handmatige onderhoudsbypass. De handmatige onderhoudsbypass kan worden gedeeld door het gehele systeem (in een externe behuizing). • Parallelle UPS-eenheden met een SSC - de SSC (static-switch cubicle) bestaat uit een automatische bypass en een onderhoudsbypass die gedeeld worden door een aantal parallelle eenheden zonder bypass (zie fig. 1.19). Er zijn ook echt modulaire parallelle systemen beschikbaar. Deze bestaan uit specifieke en redundante modules vermogen, intelligentie, batterij en bypass, die allemaal in één ontwerp zijn ondergebracht dat gemakkelijk en efficiënt te onderhouden is. Vermogensmodules kunnen gemakkelijk worden toegevoegd als er een grotere behoefte aan gaat ontstaan of als er een hogere mate van beschikbaarheid vereist is. Er zijn twee soorten parallelle configuraties: • Zonder redundantie - alle UPS-eenheden moeten de belasting voeden. Als er één eenheid defect raakt, wordt het gehele systeem uitgeschakeld (niet aanbevolen), • Met redundantie N+1, N+2, enz. - het aantal UPS-eenheden dat nodig is voor de belasting is gelijk aan N. Alle UPS-eenheden (N+1, N+2, enz.) delen de belasting. Als één UPS wordt uitgeschakeld, blijven de overgebleven eenheden (ten minste gelijk in aantal aan N) de belasting delen. Î Typische configuraties en kenmerken, zie Hfst. 2.

Fig. 1.19. UPS-systeem met parallel aangesloten eenheden en een SSC (static-switch cubicle).

Vermogensniveaus in redundante, parallelle configuraties In een redundante parallelle configuratie die bestaat uit identieke eenheden, delen de eenheden de belasting. Het vermogen van elke eenheid hangt niet af van het niveau van redundantie, maar moet wel worden berekend. Dit om de belasting te kunnen blijven voeden, ook als de redundantie volledig verloren gaat. Actieve redundantie: • verbetert de beschikbaarheid, • verhoogt de overbelastingscapaciteit, Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 24

Vermogensberekeningen (vervolg) • verlaagt het percentage belasting op elke UPS-eenheid. Het vermogensniveau wordt bepaald door dezelfde vier stappen te volgen als bij een configuratie met één UPS.

1 - Schijnbaar en actief vermogen dat door de belastingen wordt opgenomen Hetzelfde type tabel wordt gebruikt als bij één UPS (zie Hfst. 1 p. 20). Het resultaat is het schijnbare vermogen S dat moet worden geleverd aan de belasting.

2 - Schijnbaar vermogen van de UPS-eenheden (Sn) in de configuratie We bekijken een niveau van redundantie N + K (bijvoorbeeld 2 + 1). Dit betekent: - N eenheden (bijvoorbeeld 2) zijn nodig om de belasting te voeden, - K eenheden (bijvoorbeeld 1 extra eenheid) zorgen voor redundantie. Elke UPS-eenheid moet voldoende capaciteit hebben om het systeem als geheel te laten werken zonder redundantie, dus met N operationele eenheden en K eenheden uitgeschakeld. In dit geval moeten de N eenheden elk een schijnbaar vermogen Sn (kVA) hebben zodat: Sn(kVA) > S / N. Selecteer in het UPS-bereik het vermogen Sn (kVA) net boven S/N. Als er reservevermogen nodig is, of als het geselecteerde vermogen te dicht bij S ligt, selecteert u het daaropvolgende hogere vermogen.

3 - Controleer het actieve vermogen Voor het geselecteerde vermogen zal de UPS het actieve vermogen leveren Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA) • als λ ≥ 0,8, zorgt u ervoor dat Pn (kW) > P, dat wil zeggen dat de UPS het aanvullende vereiste vermogen kan leveren. Anders selecteert u het daaropvolgende hogere vermogen. • als λ < 0,8, is het vermogen dat door de UPS wordt geleverd, voldoende omdat Pn (kW) > λ Sn (kVA), dat wil zeggen dat de selectie correct is.

4 - Percentage belasting Met redundantie delen de UPS-eenheden de belasting volgens de vergelijking S / (N+K). Het percentage belasting voor elke eenheid wanneer er redundantie is, is daarom: TL = S / (N + k) Sn(kVA) . In een niet-redundant systeem wordt het berekend als: TL = S / N Sn(kVA). Het moet voldoende zijn om een toename van de belasting te kunnen verwerken.

Voorbeeld In dit voorbeeld worden de resultaten van het laatste voorbeeld gebruikt en we nemen aan dat de belastingen kritiek zijn, dus dat er redundantie is vereist. • De totale belasting is 54 kW met een totale vermogensfactor voor alle belastingen van 0,68, dus S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA. • Als er 2+1 redundantie wordt gebruikt, moeten twee eenheden in staat zijn de belasting te voeden. Elke eenheid moet dan S / 2 = 79,4 / 2 = 39,7 kVA leveren. • Er moet een Galaxy PW UPS met voldoende vermogen worden geselecteerd. Het vermogen van 40 kVA zou niet voldoende zijn, dat wil zeggen het vermogen van 50 kVA of hoger zou moet worden geselecteerd als er een uitbreiding op de locatie is gepland. • Als redundantie niet beschikbaar is, moeten de twee UPS-eenheden in staat zijn de belasting te voeden. • Dit is het geval omdat 2 x 50 x 0,68 = 68 kW > 54 kW. • Tijdens het gebruik wordt het percentage belasting: - met redundantie, dus met 3 UPS-eenheden die de belasting delen: 79,4 / 3 x 50 = 52,9%, - zonder redundancy, dus met slechts 2 UPS-eenheden die de belasting delen: 79,4 / 2 x 50 = 79,4%.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 25

Controle over harmonischen stroomopwaarts UPS’en en harmonischen stroomopwaarts

Rol van de ingangsgelijkrichter UPS-eenheden nemen via een gelijkrichter/oplader stroom op van het distributiesysteem dat wisselstroom levert. Voor wat betreft het systeem stroomopwaarts, is de gelijkrichter een niet-lineaire belasting die harmonischen veroorzaakt. Met betrekking tot harmonischen zijn er twee soorten gelijkrichters.

Standaard gelijkrichters Dit zijn driefasige gelijkrichters die SCR's bevatten en een zesfasige brug (Graetz bridge) gebruiken met standaard afsnijding van de stroom. Dit type brug neemt harmonische stromen op met volgorden van n = 6 k ± 1 (waarbij k een geheel getal is), voornamelijk H5 en H7, en in mindere mate H11 en H13. Harmonischen worden onder controle gehouden met behulp van een filter (zie fig. 1.20).

Actieve, gecontroleerde gelijkrichters van het PFC-type op basis van transistors Deze actieve gelijkrichters op basis van transistors beschikken over een reguleringssysteem dat de ingangsspanning en -stroom aanpast aan een referentiesinusgolf. Deze techniek zorgt voor een ingangsspanning en -stroom die: • perfect sinusvormig zijn, dat wil zeggen vrij van harmonischen, • in fase zijn, dat wil zeggen een vermogensfactor hebben dichtbij 1. Met dit soort gelijkrichter zijn er geen filters nodig. Î Schone gelijkrichters op basis van transistors, zie Hfst. 4. Alle UPS-series met hoog vermogen van Schneider Electric (behalve Galaxy PW en Galaxy 9000) gebruiken actieve, gecontroleerde gelijkrichtertechnologieën van het PFC-type en veroorzaken daardoor geen harmonischen.

Fig. 1.20. Ingangsgelijkrichter en harmonischen.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 26

Controle over harmonischen stroomopwaarts (vervolg) Filteren van harmonischen stroomopwaarts voor UPS’en met Graetz-

Doelen van harmonische filters Deze sectie betreft alleen de Galaxy PW- en Galaxy 9000-series en UPS’en met conventionele Graetz-bruggelijkrichters.

Een 'schoon' stroomopwaarts systeem Het doel is te zorgen voor een niveau van spanningsvervorming (THDU) op de busbars die de UPS voeden, dat compatibel is met de andere aangesloten belastingen. De UTE raadt aan de THDU te beperken tot: • 5% wanneer de bron een generator is, • 3% wanneer de bron een transformator is, om rekening te houden met 1 tot 2% van THDU die al aanwezig kan zijn op het HV-distributiesysteem. Deze aanbeveling kan verschillen per land. Praktisch gezien moeten oplossingen voor spanningsvervorming (THDU) worden geïmplementeerd op een manier die specifiek is voor het land waarin de installatie zich bevindt.

Eenvoudige combinatie met een set motorgeneratoren Het doel is een combinatie van een UPS met een motorgeneratorset mogelijk te maken zonder risico op het verhogen van het niveau van harmonischen wanneer de belasting naar de generator wordt overgeschakeld. Dit risico bestaat omdat de generator een bronimpedantie heeft die lager is dan die van een transformator, hetgeen de effecten van harmonischen versterkt.

Hoge vermogensfactor bij de ingang van de gelijkrichter Het doel is het verhogen van de ingangsvermogensfactor (meestal tot een niveau hoger dan 0,94). Hierdoor daalt het verbruik van kVA en wordt een te grote capaciteit van de bronnen voorkomen.

Installatie die voldoet aan standaarden Het doel is te voldoen aan standaarden met betrekking tot harmonische storingen en de aanbevelingen die door nutsbedrijven worden gedaan. • Standaarden met betrekking tot harmonische storingen (zie tabel 1.2) - IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2 voor apparaten met een ingangsstroom ≤ 16 A/ph. - IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 voor apparaten met een ingangsstroom > 16 A/ph. • Standaarden en aanbevelingen met betrekking tot de kwaliteit van distributiesystemen, met name: - IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5, - EN 50160 (Europa), - IEEE 519-2 (Verenigde Staten), - ASE 3600 (Zwitserland), - G5/3 (V.K.), enz. Î Standaarden met betrekking tot harmonischen, zie "UPS-standaarden" in Technische samenvatting p. 29. Tabel 1.2. Voorbeeld van harmonische stroombegrenzing conform IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 voor apparaten met een ingangsstroom > 16 A/ph (fase 1, vereenvoudigde aansluiting). Harmonische % van H1 (fundamenteel) H3 21.6% H5 10.7% H7 7.2% H9 3.8% H11 3.1% H13 2.0% H15 0.7% H17 1.2% H19 1.1% H21 ≤ 0.6% H23 0.9% H25 0.8% H27 ≤ 0.6% H29 0.7% H31 0.7% ≥ H33 ≤ 0.6% Even volgorden ≤ 0,6% of ≤ 8/n (n even volgorde)

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 27

Controle over harmonischen stroomopwaarts (vervolg) Soorten harmonische filters Harmonische filters elimineren bepaalde volgorden of alle volgorden, afhankelijk van hun technologie. De volgende soorten zijn beschikbaar. Passieve LC-filters • niet-gecompenseerd • gecompenseerd • niet-gecompenseerd met contactor Dubbele-bruggelijkrichter Faseverschuivend filter THM actief filter (Actieve 12-pulstechnologie).

Filteren en parallelle aansluiting Wanneer een aantal UPS-eenheden in parallel zijn aangesloten en afhankelijk van het soort filter dat wordt gebruikt, is het mogelijk om het volgende te installeren: • een apart filter op elke UPS-eenheid, • een gedeeld filter voor de gehele parallelle configuratie. Het doel is het bereiken van een evenwicht tussen kosten en effectiviteit, waarbij rekening wordt gehouden met acceptabele niveaus van harmonische vervorming. De vergelijkingstabellen voor de verschillende oplossingen (Hfst. 1, p. 28) kunnen helpen bij het maken van een selectie.

Combinatie van LC-filters en generator De generator kan alleen stromen met relatief lage capaciteit leveren (10 tot 30% van In). Wanneer een LC-filter is geïnstalleerd, is het grootste probleem een geleidelijke inschakeling van de gelijkrichter op generatorvoeding, wanneer het actieve vermogen gelijk is aan nul en de generator alleen de capacitieve stroom voor het filter levert. Daarom moet het gebruik van LC-filters correct worden geanalyseerd om ervoor te zorgen dat de werking in overeenstemming is met de specificaties van de fabrikant. Hieronder staat een methode voor selectie van LC-filters, waarbij als voorbeeld een reductiecurve voor een generator wordt gebruikt, soortgelijk als die die door fabrikanten wordt geleverd.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 28

Controle over harmonischen stroomopwaarts (vervolg)

Fig. 1.21. Reductiecurve voor een generator, als een functie van de installatievermogensfactor.

De curve in de figuur hierboven, die wordt verstrekt als één voorbeeld uit vele mogelijkheden, toont het vermogen dat wordt gereduceerd als een functie van het werkpunt, voor een gegeven generator. Voor een geheel capacitieve belasting (λ = 0) is het beschikbare vermogen gelijk aan slechts 30% van het vermogen (punt A). Als we uitgaan van een schijnbaar vermogen waarbij Pn generator = Pn gelijkrichter, is de betekenis van de punten A, B, C, D, E en F als volgt: A: reactief vermogen dat overeenkomt met de capacitieve stroom van een nietgecompenseerd filter, B: reactief vermogen dat overeenkomt met de capacitieve stroom van een gecompenseerd filter, C: werkpunt bij opstarten met een niet-gecompenseerd filter met contactor, D: werkpunt op nominale belasting met een niet-gecompenseerd filter, E: werkpunt op nominale belasting met een gecompenseerd filter, F: werkpunt op de nominale belasting zonder filter of met een faseverschuivend filter.Voorbeeld We hebben een niet-gecompenseerd filter met een generator van 300 kVA en een Galaxy PW-UPS van 200 kVA. Het vermogen van de gelijkrichter, met 87% als de efficiencywaarde (1 / 0,87 = 1,15), is 1,15 keer dat van de inverter, dus 200 x 1,15 = 230 kVA. De capacitieve stroom van het niet-gecompenseerde filter is 230 x 30% (1) = 69 kVA. Het reactieve vermogen dat de generator kan verwerken (punt A) is 300 x 0,3 = 90 kVA. Het filter is daarom compatibel met de generator. (1) De waarde van 30% is empirisch vastgesteld.

Selectie van een filter

Selectieparameters voor een filter Algehele effectiviteit - reductie in vervorming (THDI en THDU) De effectiviteit hangt af van de harmonische volgorden die zijn gefilterd en de mate waarin zij verminderd of geëlimineerd zijn. Dit wordt gemeten door de THDI bij de ingang van de gelijkrichter. De invloed op de THDI bepaalt het niveau van de THDU. Het is nodig om de prestaties te controleren bij het geplande percentage belasting, gezien het feit dat veel UPS-systemen werken met percentages belasting tussen de 50 en 75%. Verbetering in de vermogensfactor λ Het filter verbetert de vermogensfactor (meestal tot een niveau dat hoger is dan 0,92).

Compatibiliteit met een set motorgeneratoren Het is ook nodig om de prestaties te controleren met de geplande bron(nen), ofwel een transformator of een set motorgeneratoren. Dit komt omdat de generator een Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 29

Controle over harmonischen stroomopwaarts (vervolg) bronimpedantie heeft die lager is dan die van een transformator, hetgeen de effecten van harmonischen versterkt.

Geschikt voor parallelle UPS-configuraties Afhankelijk van het type filter is het mogelijk om één filter op elke UPS-eenheid te installeren of één filter op te stellen voor eliminatie van harmonischen in het algemeen.

Efficiency Het verbruik van de filters kan de efficiency van de installatie als geheel enigszins veranderen.

Flexibiliteit voor installeren en upgrades Filters zijn meestal specifiek voor een UPS en kunnen in de fabriek zijn aangebracht of na de installatie zijn geïnstalleerd. De SineWave-spanningsregelaar zorgt overal voor eliminatie van harmonischen en biedt grote flexibiliteit in de configuratie.

Afmetingen Het is nodig om te controleren of het filter kan worden geïnstalleerd in de UPS-kast of in een tweede kast geplaatst moet worden.

Kosten Dit heeft invloed op de effectiviteit van het filter en moet worden afgewogen tegen de verkregen voordelen.

Naleving van standaarden Het is nodig om de naleving van standaarden te controleren, vooral van IEC 610003-4, voor wat betreft de afzonderlijke harmonische niveaus die in de teksten zijn genoemd.

Vergelijkingstabel van oplossingen In de volgende tabellen worden de elementen voor vergelijking vermeld, met een algemene opmerking over het gebruik van elk type oplossing. Tabel 1.3 biedt afzonderlijke oplossingen voor configuraties met één UPS. Deze oplossingen kunnen ook worden gebruikt in parallelle configuraties. Tabel 1.4 biedt totaaloplossingen voor gehele configuraties.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 30

Controle over harmonischen stroomopwaarts (vervolg) Tabel 1.3. Vergelijking van afzonderlijke oplossingen voor harmonische filtering. Soort filter

LC nietgecompenseerd

LC gecompenseerd

LC met contactor

Dubbele brug

Ingebouwde THM

Fig. 1.22a

Fig. 1.22b

Fig. 1.22c

Fig. 1.22d

Fig. 1.22e

7 tot 8% 10% H5, H7

7 tot 8% 10% H5, H7

7 tot 8% 10% H5, H7

10% 15% H5, H7, H17, H19

4% 5% H2 tot H25

λ bij 100% belasting λ bij 50% belasting

0.95 1

0.95 1

0.95 1

0.85 0.8

0.94 0.94

Compatibiliteit met generator Efficiency van filter

*

**

**

**

***

*** *

*** *

*** *

* *

** ***

*** ***

*** ***

*** ***

* *

** ***

*

*

*

*

**

Fig. 1.22f

Fig. 1.22g

Fig. 1.22h

Fig. 1.22i

Fig. 1.22j

nee

nee

nee

nee

ja

Criterium Diagram

Reductie in vervorming THDI bij 100% belasting THDI bij 50% belasting Harmonischen geëlimineerd Vermogensfactor

Flexibiliteit, mogelijkheid voor upgrade Kosten Afmetingen Aansluiting in parallel met UPS

Naleving van richtlijn IEC 61000-3-4 Algemene opmerking

*** Uitstekend

** Goed

Schneider Electric

Oplossing geschikt voor installaties zonder een set motorgeneratoren.

Oplossing geschikt voor installaties met een set motorgeneratoren. De toegevoegde inductorbelasting reduceert het capacitieve vermogen dat moet worden geleverd door de set motorgeneratoren.

Oplossing geschikt Oplossing geschikt voor installaties met voor installaties met gensets een set motorgeneratoren die een vermogen hebben dat lager is dan dat van de UPS. De LC-leiding wordt door de contactor ingeschakeld op een vooraf ingestelde waarde die overeenkomt met het percentage belasting voor een inverter dat acceptabel is voor de gehele set motorgeneratoren.

Oplossing geschikt voor gevoelige installaties of met wisselende belastingsniveaus. De meest effectieve en flexibele oplossing. Hang niet af van het percentage belasting of het type bron stroomopwaarts.

* Voldoende

Editie 09/2015

p. 31

Controle over harmonischen stroomopwaarts (vervolg) Tabel 1.4 Vergelijking van totaaloplossingen. Soort filter

SineWave

Criterium Diagram

Faseverschuivend filter

AC input SW

UPS

UPS

UPS

Load

Reductie in vervorming THDI bij 100% belasting THDI bij 50% belasting Harmonischen geëlimineerd Vermogensfactor

Fig. 1.23a

Fig. 1.23b

Fig. 1.23c

Fig. 1.23d

4% 5%

< 10% 35% met 1 UPS uitgeschakeld



H2 tot H25

λ bij 100% belasting λ bij 50% belasting

0.95 1

0.8 0.8

Compatibiliteit met generator Efficiency van filter

***

**

*** ***

** *

*** ***

*** *

ja

ja

Oplossing geschikt voor gevoelige installaties of met wisselende belastingsniveaus. De meest effectieve en flexibele oplossing. Hang niet af van het percentage belasting of het type bron stroomopwaarts.

Oplossing kan niet worden aangepast. Geschikt voor installaties met meer dan twee in parallel aangesloten UPS-eenheden.

Flexibiliteit, mogelijkheid voor upgrade Kosten Afmetingen Naleving van richtlijn IEC 61000-3-4 Algemene opmerking

*** Uitstekend

** Goed

Schneider Electric

* Voldoende

Editie 09/2015

p. 32

Systeemaardingsmethoden

Achtergrondinformatie over aardingssystemen

Bescherming tegen elektrische schokken De internationale normen vereisen dat elektrische installaties voorzien zijn van twee typen bescherming van personen tegen de gevaren van elektrische spanning.

Bescherming tegen direct contact Doel van deze vorm van bescherming is het vermijden van "direct" contact tussen personen en opzettelijk geactiveerde onderdelen (zie fig. 1.24). Het gaat daarbij om onderstaande punten. • isolatie van actieve onderdelen met behulp van barrières of behuizingen die bescherming bieden die ten minste gelijk is aan IP2X of IPXXB. • het openen van de behuizing (deuren, rekken, enz.) moet alleen mogelijk zijn met een sleutel of gereedschap, of na deactivering van de actieve onderdelen of de automatische installatie van een scherm. • aansluiting van de metalen behuizing op een beschermingsgeleider.

Bescherming tegen indirect contact en aardingssystemen Doel van deze vorm van bescherming is het voorkomen van "indirect" contact tussen personen en blootgestelde geleidende delen (BGD) die per ongeluk actief zijn geworden ten gevolge van een isolatiedefect. De uitvalstroom creëert in de blootgestelde geleidende delen (BGD) een potentiaal dat voldoende kan zijn om een gevaarlijke spanning te veroorzaken die door het lichaam van de persoon stroomt die de blootgestelde geleidende onderdelen aanraakt (zie afb.1.24). Deze bescherming omvat de onderstaande punten. • verplichte aarding van alle blootgestelde geleidende delen (BGD) waarmee de gebruiker in aanraking kan komen. De beschermingsgeleider wordt gebruikt voor verbinding met aarde. Deze mag nooit worden onderbroken (geen onderbrekers op de beschermingsgeleider). De onderlinge verbindingen en aardingstechnieken van de blootgestelde geleidende delen (BGD) bepalen hoe het aardingssysteem van de installatie eruitziet. • uitschakelen van de stroomvoorziening als het potentiaal van de BGD's gevaarlijk hoog dreigt te worden. Onderbrekingen worden uitgevoerd door een beveiligingsapparaat dat afhankelijk is van het geselecteerde aardingssysteem. Vaak zijn hiervoor aardlekbeveiligingsapparaten (ABA) vereist, omdat stromen met isolatiedefecten doorgaans te laag zijn om te kunnen worden gedetecteerd door standaardapparaten voor overstroombeveiliging.

Fig. 1.24. Direct en indirect contact.

Aardingssystemen Er zijn drie verschillende aardingssystemen. • Geïsoleerde nulleider (IT). • Geaarde nulleider (TT). • Blootgestelde geleidende delen verbonden met de nulleider (TN met TN-C en TNS). De eerste twee letters geven aan hoe de nulleider en de BGD's van de belastingen met elkaar zijn verbonden. Eerste letter Verbinding van de nulleider T = geaarde nulleider

Tweede letter Derde letter (voor TN) Verbinding van de BGD's Type beschermingsgeleider

I = geïsoleerde nulleider

N = blootgestelde geleidende S = Separate nulleider (N) en

T = blootgestelde geleidende C = Combinatie van nulleider delen geaard delen die zijn verbonden met de nulleider

IT-, TT- of TN-systemen Schneider Electric

Editie 09/2015

en PEN-geleider PE-geleider

TN-C of TN-S p. 33


Aardingssystemen Geïsoleerde nulleider (IT) ● De nulleider van de voedingsbron is: - geïsoleerd ten opzichte van de aarde (geïsoleerde nulleider) - of verbonden met de aarde via een hoge impedantie res (impedantie-nulleider). ● De blootgestelde geleidende delen (BGD), alle beschermd door dezelfde onderbreker, zijn geaard (aarde-elektrode weerstand RA). L1 L2 L3 N PE

Zres Id

RA

Ud

Bijv. fase-naar-BGD-storing in een belasting. Uo is het fase-naar-nulleider-voltage in het verdeelsysteem (230 V).

● Spanning van de eerste storing RA= 10 Ω en Zres= 3500 Ω (bij benadering), Id = Uo / (RA + Zres) = 66 mA.

● Voltage van de eerste storing Ud = Uo x RA / (RA + Zres) = 0,66 V. Deze potentiaal is niet gevaarlijk. De storing moet worden gedetecteerd door een isolatiebewakingsapparaat, daarna worden opgespoord door een storingszoeker en vervolgens worden hersteld. ● Spanning van de tweede storing Als zich een tweede storing voordoet voordat de eerste storing is hersteld, resulteert dit in de stroom van een fase-naar-fase- of fase-naarnulleider-kortsluiting. Deze moet binnen de in de normen gestelde tijdslimieten verholpen zijn door de overstroombeveiligingsapparatuur.

Fig. 1.25. IT-systeem.

Geaarde nulleider (TT) ● De nulleider van de voedingsbron is geaard. Bijv. fase-naar-BGD-storing in een belasting. ● De blootgestelde geleidende delen (BGD), Uo is het fase-naar-nulleider-voltage in het alle beschermd door dezelfde onderbreker, zijn geaard (aarde-elektrode weerstand RA). L1 L2 L3 N PE

RB

Id

RA

Ud

verdeelsysteem (230 V).

● Uitvalstroom Bijv. RA = 10 Ω en RB = 5 Ω Id = Uo / (RA + RB) = 15,3 A

● Storingsvoltage Ud = Uo x RA / (RA + RB) = 153 V Dit potentiaal is gevaarlijk (> 50 V). De storing moet binnen de in de normen gestelde tijden verholpen zijn door de beveiligingsapparatuur. De uitvalstroom is laag en moet daarom worden gedetecteerd door een aardlekbeveiligingsapparaat (ABA) dat wordt geactiveerd door het beveiligingsapparaat dat zich direct upstream bevindt. De operationele spanning van de ABA en de tijd die vereist is voor het verhelpen van de storing zijn door de normen bepaald.

Fig. 1.26. TT-systeem.

Blootgestelde geleidende delen die zijn aangesloten op de nulleider (TN)

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 34


● De nulleider van de voedingsbron is

● Impedantie van de storingscyclus

Zb = ZABCDEF (onderdeel van circuit ABCDEF) Zb ≈ ZBCDE ≈ 2 ZDE omdat ZBC = ZDE (BC en DE zijn identiek, de storingsimpedantie is te verwaarlozen) Bijv. een belasting die gevoed wordt door een koperen kabel met een diameter van 50 mm² en een lengte van 50 meter (fase en PE). 2 Zb = 2 ρ L / S, waarbij ρ = 22,5 Ω. mm /m -3 Zb = 2 x 22,5 10 x 50 / 50 = 45 mΩ. ● Storingsvoltage Een netspanningsval van 20% is toegestaan voor het fase-naar-nulleider-voltage Uo, d.w.z. UBE = 0,8 Uo. Daarin is ZBC = ZDE, stijgt het potentiaal van de L1 L2 BGD's naar Ud = UBE / 2 = 0,8.Uo / 2 = 92 V L3 B ● Uitvalstroom A Id E -3 PEN Id = 0,8 Uo / Zb = 0,8 x 230 / 45 10 = 4089 A F Het onderbreken vindt plaats door de D overstroombeveiligingsapparatuur binnen de door de normen gestelde tijden. De C uitvalstroom is afhankelijk van de impedantie van de storingslus. Ud U dient te controleren of op alle punten in het systeem de uitvalstroom groter is dan de bedieningsdrempel van de beveiligingsapparaten. Fig. 1.27. TN-S-systeem (het basisprincipe is identiek voor het TN-C-systeem). rechtstreeks geaard. ● De installatie-BGD's zijn via de PENgeleider verbonden met de nulleider en dus met aarde. Dit systeem verandert alle isolatiedefecten in fase-naar-nulleiderkortsluitingen. ● De potentiaal van de beschermingsgeleider wordt middels talrijke verbindingspunten ongeveer gelijk gehouden met die van de aarde.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 35


Vergelijking van aardingssystemen Type aardingssysteem

IT (geïsoleerde nulleider)

Bediening

TT (geaarde nulleider)

TN-S (BGD-naarnulleider)

TN-C (BGD-naarnulleider)

● Signaleren van eerste insolatiedefect. ● Locatie en eliminatie van het eerste defect. ● Uitschakelen voor het tweede defect. Bescherming van ● Onderlinge verbinding en personen aarding van BGD's. ● Eerste storing: - zeer lage spanning, - bewaking/indicatie door een isolatiebewakingsapparaat. ● Tweede storing: - mogelijk gevaarlijke spanning, - onderbreking door overstroombeveiligingsappar atuur (bijv. stroomonderbreker). Specifieke apparatuur Isolatiebewakingsapparaat en storingszoeker.

● Uitschakelen voor het

● Uitschakeling voor het

● Uitschakelen voor het

eerste isolatiedefect.

eerste isolatiedefect vindt plaats ● Separate nulleider (N) en PE-geleider.

eerste isolatiedefect. ● Gedeelde nulleider en PEN-geleider (PEN).

● Aarding van BGD's in

● Onderlinge verbinding en

● Onderlinge verbinding en

combinatie met gebruik van aardlekbeveiligingsapparate n (ABA). ● Eerste storing: - lekstroom is gevaarlijk, maar te laag voor detectie door de overstroombeveiligingsappar atuur, - detectie door de aardlekbeveiligingsapparate n in combinatie met onderbrekers. Aardlekbeveiligingsapparate n (ABA).

aarding van BGD's en nulleider is vereist. ● eerste storing: - uitvalstroom, - onderbreking door overstroombeveiligingsappar atuur (bijv. stroomonderbreker).

aarding van BGD's en nulleider is vereist. ● Eerste storing: - uitvalstroom, - onderbreking door overstroombeveiligingsappar atuur (bijv. stroomonderbreker).

Voordelen en nadelen ● Oplossing voor Elektromagnetische ononderbroken service (de compatibiliteit (EMC) eerste storing is gesignaleerd). ● Vereist bekwaam surveillancepersoneel (locatie van de eerste storing). ● Hoge EMC-prestatie, zeer lage spanning in de aardekabel.

● Eenvoudigste oplossing

Gebruik

● Winkelgebieden en

● Installaties die ononderbroken service vereisen, zoals die van ziekenhuizen, vliegvelden, industriële processen, schepen. ● Installaties en bedrijfsterreinen met brandof explosiegevaar, bijv. mijnen. BGD = Blootgestelde geleidende delen

Toepassingen in UPSinstallaties

Schneider Electric

om te ontwikkelen en te installeren. ● Verplicht gebruik van ABA's. ● Verschillende aardeelektroden (veraf gelegen voedingsbronnen). ● Zeer gevoelig voor bliksemschichten.

woonwijken, openbare verlichting, scholen, enz.

Voor lange afstanden moeten ABA's worden gebruikt. ● Hoge installatiekosten voor een hoog nominaal vermogen. ● Lastig te ontwerpen (berekening van de lusimpedanties). ● Golf van hoge uitvalstroom. ● Hoge EMC-prestatie, lage spanning in de PEkabel tijdens normale bedrijfsmodus. ● Grote winkelcentra, hoge gebouwen, enz. ● Industrieën zonder continuprocessen (ITsysteem). ● Stroomvoorziening van computersystemen.

● Lagere installatiekosten (één geleider minder). ● Lastig te ontwerpen (berekening van de lusimpedanties). ● Golf van hoge uitvalstroom. ● Lage EMC-prestatie, hoge stromen in de PEN (verbindingen tussen BGD's). ● Grote winkelcentra, hoge gebouwen, enz. ● Industrieën zonder continuprocessen (ITsysteem). ● Stroomvoorziening van computersystemen.

Specifieke aspecten in systemen met UPS’en De implementatie van bovenstaande beveiligingssystemen in installaties die een UPS omvatten, maakt om diverse redenen een aantal voorzorgsmaatregelen noodzakelijk: • De UPS speelt twee verschillende rollen: - een belasting voor het upstream-systeem, - een voedingsbron voor het downstream-systeem, • Als de batterij niet in een kastje is geïnstalleerd, kan een isolatiedefect in het gelijkstroomsysteem leiden tot het stromen van de voeding van een gelijkstroomaardlekonderdeel Dit onderdeel kan vervolgens de werking van bepaalde beveiligingsapparaten verstoren, met name aardlekbeveiligingsapparaten die worden gebruikt voor het beschermen van personen.

Editie 09/2015

p. 36


Bescherming tegen direct contact Alle UPS-installaties van Schneider Electric voldoen aan de toepasselijke vereisten, aangezien de apparatuur is geïnstalleerd in kasten met beschermingsgraad IP 20. Dit geldt zelfs voor de batterij als deze in een kast is geplaatst. Wanneer de batterij niet in een kast is geplaatst (normaal gesproken in een speciale ruimte), moeten de maatregelen worden ingevoerd die aan het eind van dit hoofdstuk worden beschreven.

Bescherming tegen indirect contact Een aardingssysteem selecteren Een basisbeschermingsmaatregel die in de normen wordt beschreven is het maken van een gestandaardiseerd aardingssysteem upstream en downstream van de UPS. Beide systemen kunnen gelijk zijn of verschillen, afhankelijk van de maatregelen die worden genomen. In een bestaande installatie waaraan de UPS wordt toegevoegd, is het upstreamsysteem al bepaald. De selectie van het downstream-systeem, dat wil zeggen, hetzelfde of een ander systeem, is afhankelijk van of het systeem samengaat met gevoelige belastingen. De tabel op de vorige pagina bevat de gegevens die nodig zijn voor het vergelijken van de verschillende gestandaardiseerde aardingssystemen. ) Let op, lokale voorschriften kunnen bepaalde aardingssysteemtypen verbieden.

Selectie van de onderbrekers De bescherming van personen moet niet alleen worden gewaarborgd door de onderlinge verbinding en aarding van blootgestelde geleidende delen volgens een gestandaardiseerd aardingssysteem, maar ook door onderbrekers die op basis van het aardingssysteem geselecteerd zijn. Deze apparaten moeten zorgen voor een onderbreking van de overstroombeveiligingsapparatuur indien sprake is van een isolatiedefect. Het onderbreken kan: • direct worden opgeroepen door geschikte instellingen op de overstroombeveiligingsapparatuur (stroomonderbrekers, zekeringen) • of vereisen (verplicht bij IT-systemen) gebruik van al dan niet in de stroomonderbreker ingebouwde aardlekbeveiligingsapparaten (ABA). De ABA's zijn noodzakelijk voor het detecteren van spanningen ten gevolge van isolatiedefecten. Deze zijn vaak te laag om de standaardoverstroombeveiligingsapparatuur te kunnen onderbreken. ) Raadpleeg de lokale vereisten omtrent de veiligheid van elektrische installaties.

Systeemtypen voor UPS’en Welke systemen mogelijk zijn, is afhankelijk van: • het bestaande of geselecteerde systeem stroomopwaarts van de UPS, • het systeem stroomafwaarts van de UPS waarvoor de selectie wordt bepaald door: - hergebruik van hetzelfde systeem als stroomopwaarts, - de aanwezigheid van isolatietransformatoren stroomopwaarts of stroomafwaarts die het mogelijk maken het aardingssysteem te wijzigen, - de belasting (bijv. voor computersystemen is een TN-C- of TN-s-systeem vereist), - de organisatie van het stroomafwaartse verdeelsysteem, met statische overdrachtschakelaars (STS), • bepaalde, door normen opgelegde eisen, bijv. de PE- of PEN-geleider mag nooit worden onderbroken, zodat de uitvalstroom kan bewegen. Een TN-C-systeem (nietonderbroken PEN) kan stroomopwaarts van een TN-S-systeem worden geïnstalleerd (afzonderlijke N- en PE-geleiders), maar het omgekeerde is niet mogelijk.

Zie WP 98 Î

Schneider Electric

hUPS’en worden steeds vaker ontworpen zonder transformatoren, hetgeen voordelen biedt wat betreft gewicht, omvang en rendement. Technologie zonder transformator maakt het ook mogelijk het voltage te moduleren voor een betere aanpassing aan verschillende belastingen. Dit geldt met name voor niet-lineare belastingen met harmonische spanning. Technologie zonder transformatoren heeft ook gevolgen voor het gebruik van aardingssystemen. Zie voor meer informatie White Paper - WP 98: "The Elimination of Isolation Transformers in Data Center Power Systems").

Editie 09/2015

p. 37


Afhankelijk van de stroomopwaartse en stroomafwaartse aardingssystemen en het type UPS kunnen veel verschillende gevallen worden aangetroffen. Uw Schneider Electric-vertegenwoordiger beschikt over een volledige serie diagrammen voor alle betreffende aardingssystemen en UPS-series. De series Galaxy PW en Galaxy 9000 zijn ontworpen met isolatietransformatoren. Voor alle andere series wordt transformatorloze technologie gebruikt met een elektronisch nagemaakte nulleider. Op de volgende pagina's worden enkele voorbeelden getoond van Galaxy PW- en Galaxy 5000-, 7000- en 9000-UPS’en. Neem voor andere gevallen contact op met uw vertegenwoordiger van Schneider Electric om het gewenste diagram aan te vragen. Uitgang transformator (Galaxy PW en 9000)

Geen uitgang transformator (Galaxy 5000 en 7000))

Afzonderlijke normale en AC-bypassingangen.

Veelgebruikte normale en bypassingangen.

Fig. 1.28. Standaarddiagrammen.

Stroomopwaarts en stroomafwaarts identieke systemen

Stroomopwaarts en stroomafwaarts hetzelfde systeem IT of TT of TN-S. Verdeelde nulleider op de twee lijnen.

Stroomopwaarts en stroomafwaarts hetzelfde systeem IT of TT of TN-S. Verdeelde nulleider alleen op de bypasslijn.

Stroomopwaarts en stroomafwaarts hetzelfde systeem TN-C

Stroomopwaarts en stroomafwaarts hetzelfde systeem IT of TT of TN-S. Verdeelde nulleider.

Galaxy PW en 9000

Galaxy 5000 en 7000

Fig. 1.29. Enkele voorbeelden met stroomopwaarts en stroomafwaarts hetzelfde systeem.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 38


Stroomopwaarts en stroomafwaarts verschillende systemen

Wijziging in aardingssystemen aan IT of TT of TN-S stroomafwaarts. Verdeelde nulleider op de twee lijnen.

Wijziging in aardingssystemen aan IT of TT of TN-S stroomafwaarts. Verdeelde nulleider op de twee lijnen.

Wijziging in aardingssystemen aan TN-C stroomafwaarts.

Wijziging in aardingssystemen aan TN-C stroomafwaarts.

Galaxy PW en 9000

Galaxy 5000 en 7000

Fig. 1.30. Enkele voorbeelden met stroomopwaarts en stroomafwaarts verschillende systemen.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 39

Bescherming

Bescherming door middel van stroomschakelaars

Het hier gepresenteerde beveiligingssysteem voor installaties met UPS’en maakt gebruik van stroomonderbrekers. Onderstaand vindt u een presentatie van de hoofdkenmerken van stroomschakelaars en hun trip-units (arbeidsstroomafschakelspoelen). De onderdeelnummers die bij wijze van voorbeeld worden genoemd, behoren toe aan Schneider Electric-stroomonderbrekers. Andere kenmerken, zoals het beperken van thermische stress en begrenzen van stroom, zijn enkele sterke punten van de stroomschakelaars uit de Compact NSX-serie. Deze zullen hier echter buiten beschouwing blijven. Î Zie voor meer informatie de catalogus Schneider Electric low-voltage and medium-voltage distribution en de "Electrical installation guide".

Trip-units Technologie Er zijn twee soorten trip-units: • Thermisch-magnetische, • elektronische.

Constructie

• ingebouwd (uitsluitend thermisch-magnetisch). • uitwisselbaar.

Vergelijking Thermisch-magnetische trip-units zijn eenvoudig en voordelig. Elektronische trip-units bieden nauwkeurigere en uitgebreidere instellingen, zodat ze beter zijn aan te passen aan installaties en hun eisen. In onderstaande tabel worden de kenmerken van beide typen trip-units genoemd voor stroomonderbrekers van 1 tot 630 A. Hiermee moet u in staat zijn de problemen op te lossen die het meest voorkomen (van 1 tot 400 kVA). In Figuur 1.31 worden de kenmerkende curven van de trip-units getoond. Bescherming

Symb. Beschrijving

Bescherming tegen Ir overbelasting (thermisch of lange vertraging) (1) Lange vertraging (2) tr Kortsluitbeveiliging Im (magnetisch of korte of vertraging) (3) Isd Korte vertraging (4)

tm of tsd

Kortsluitbeveiliging, Ii directe onderbreking (5)

Beschikbaarheid

Stroominstelling overbelasting.

Alle trip-units.

Past een lange onderbrekingsvertraging toe (bijv. voor het starten van een motor). Stroominstelling kortsluitbeveiliging. Op elektronische trip-units is Isd een functie van Ir (doorgaans 2 tot 10 Ir). Past een korte onderbrekingsvertraging toe (bijv. voor tijdselectiviteit met stroomafwaartse stroomonderbreker). Directe kortsluitbeveiliging. Hangt geheel af van de nominale waarde van de trip-unit (bijv. beveiliging van statische schakelaars).

Elektronische trip-units (bijv. Micrologic 2, 5, 6). Alle trip-units.

Elektronische trip-units (bijv. Micrologic 5, 6).

Elektronische trip-units (bijv. Micrologic 5, 6).

(1) Ir is de drempel van de thermische beveiliging (soms geschreven als Ith) van thermischmagnetische trip-units, of de drempel van de beveiliging met lange vertraging van elektronische trip-units. Deze drempels worden bepaald door een omgekeerde tijdscurve die afhankelijk is van de geselecteerde instelling. (2) tr is de vertraging van de thermische beveiliging met lange vertraging voor een gegeven waarde van Ir. (3) Im is de magnetische drempel van thermisch-magnetische trip-units en Isd de drempel met korte vertraging van elektronische trip-units. (4) tm is de vertraging (instelbaar of vast) van de magnetische beveiliging van thermischmagnetische trip-units en tsd de vertraging (doorgaans instelbaar) van de beveiliging met korte vertraging van elektronische trip-units. (5) Ii is de drempel voor directe onderbreking.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 40

Kabels

Fig. 1.31. Tijd/spanningscurven van stroomonderbreker (Icu is het uiterste onderbrekingsvermogen).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 41

Kabels

Selectiviteit, cascade, stroombegrenzing Selectiviteit Selectiviteit is het resultaat van de selectie en instelling van de juiste stroomonderbreker zodat, indien zich een storing voordoet, alleen de eerste stroomopwaartse stroomonderbreker wordt onderbroken. Selectiviteit zorgt er dus voor dat het gedeelte van de installatie dat last heeft van de storing tot een absoluut minimum wordt beperkt. In onderstaande tabel en op de vorige pagina wordten enkele soorten selectiviteit genoemd en geïllustreerd.

Stroombegrenzing Als een hoge uitvalstroom de stroomonderbreker raakt, worden de contactpunten van de stroomonderbreker gescheiden onder invloed van de elektrodynamische krachten. Er ontstaat vervolgens een boog waarvan de weerstand de energie van de kortsluiting begrenst.

Cascade Als zich stroomafwaarts van de installatie een kortsluiting voordoet (zie fig. 1.32), beweegt de uitvalstroom ook door de stroomopwaartse schakelaar die de stroom begrenst. Hierdoor wordt de stroom verzwakt die op de stroomafwaartse stroomonderbreker wordt toegepast. Het onderbrekingsvermogen van de onderbreker wordt hierdoor versterkt. Selectiviteit Stroomselectiviteit

Betreft Principe Alle soorten trip- De uitvalstroom is lager dan de instelling van units de stroomopwaarte drempel. Ir stroomopwaarts > Ir stroomafwaarts en Im of Isd stroomopwaarts > Im of Isd stroomafwaarts Tijdselectiviteit Alleen Vertraagt stroomopwaartse onderbreking via elektronische de lange (Ir) en korte (Im of Isd) vertraging. trip-units (bijv. Micrologic) Energieselectiviteit Compact NSX Stroomopwaartse druk van de boog is niet en NS voldoende om de stroomopwaartse stroomonderbreker te onderbreken, maar wel om de stroomafwaartse stroomonderbreker te onderbreken. Zone-selectieve Compact Vertraagt stroomopwaartse onderbreking als vergrendeling NSX 100 tot de kortsluiting ook stroomafwaarts wordt Masterpact met gedetecteerd. Micrologic tripDe stroomopwaartse en stroomafwaartse units trip-units worden met elkaar verbonden via een proefdraad.

Fig. 1.32. Stroomopwaartse/stroomafwaartse selectiviteit en cascade.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 42

Kabels

Selectie van stroomonderbrekers

Nominale waarde De geselecteerde nominale waarde (nominale stroom) van de stroomonderbreker moet de waarde zijn die zich net boven de nominale stroom van de beschermde stroomafwaartse kabel bevindt.

Onderbrekingsvermogen Het onderbrekingsvermogen moet net boven de kortsluitstroom worden geselecteerd die zich op het installatiepunt kan voordoen.

Ir- en Im-drempels In onderstaande tabel wordt aangegeven hoe de Ir- en Im-drempels kunnen worden bepaald om de selectiviteit te waarborgen, afhankelijk van de stroomopwaartse en stroomafwaartse trip-units. Opmerking. Tijdselectiviteit moet door gekwalificeerd personeel worden ingevoerd, omdat vertragingen vóór onderbreking de thermische sress (I2t) stroomafwaarts verhogen (kabels, halfgeleiders, enz.). Voorzichtigheid is geboden als onderbreking van CB2 wordt vertraagd door middel van de Im-drempelvertraging. Energieselectiviteit is niet afhankelijk van de trip-unit, maar alleen van de stroomonderbreker. Ir- en Im-drempels die afhankelijk zijn van de stroomopwaartse en stroomafwaartse tripunits

Type stroomafwaarts Stroomopwaart Stroomopwaartse circuit se Ir-ratio / Im-ratio / stroomafwaarts stroomafwaartse e Ir-ratio Im-ratio stroomafwaartse trip- alle typen magnetisch unit distributie > 1.6 >2 asynchrone motor >3 >2

Stroomopwaartse Im-ratio / stroomafwaartse Im-ratio elektronisch > 1.5 > 1.5

Speciaal geval van kortsluiting bij generatoren Figuur 1.33 toont de reactie van een generator op kortsluiting. Om alle onzekerheden te vermijden omtrent het bekrachtigingstype, zullen we bij de eerste piek (3 tot 5 In per X"d) onderbreken, waarbij we de Im-beveiligingsinstelling gebruiken zonder tijdsvertraging.

Fig. 1.33. Generator tijdens kortsluiting.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 43

Kabels

Voorbeeld Bekijk het voorbeeld dat wordt gebruikt om het nominale UPS-vermogen te bepalen (Hfdst. 1 p. 21) met een aantal parallel aangesloten 400 V driefasige belastingen, te weten: • Computersysteem - S1 = 4 x 10 kVA, λ = 0,6, inschakelstroom 8 In in vier periodes (80 ms), • Aandrijving met variabele snelheid - S2 = 20 kVA, λ = 0,7, inschakelstroom 4 In in vijf periodes (100 ms), • Isolatietransformator - S3 = 20 kVA, λ = 0,8, inschakelstroom 10 In in zes periodes (120 ms). De drie belastingen vertegenwoordigen 54 kW met een vermogensfactor van 0,68. In hoofdstuk 1, p. 21, was een Galaxy PW geselecteerd, met een vermogen van 100 kVA, I = 100 / (400 x 3 ) = 144 A. 400 kVA generator

630 kVA transformator Bepaal CB1 en CB2

Nominaal schijnbaar uitgangsvermogen 100 kVA In = 144 A

Vermogensfactor bij UPSuitgang voor alle belastingen λ = 0.68

Bepaal de krachtigste CB3 voor selectiviteit Totaal vermogen dat door de belastingen wordt verbruikt P (kW) = 54 kW

40 kVA λ = 0,6

20 kVA λ = 0,7

20 kVA cos ϕ = 0,8

Maximaal actief uitgangsvermogen (dat de UPS aan de belastingen kan leveren) λ Sn (kVA) = 68 kW

Fig 1.34. Voorbeeld van een installatie.

Het doel is stroomonderbrekers CB1 en CB2 te selecteren, evenals de krachtigste stroomonderbreker CB3, die voldoet aan de vereisten voor selectiviteit. Hierbij is gegeven dat de stroomopwaartse installatie is uitgerust met de volgende onderdelen: • 20 kV / 400 V transformator met een nominaal vermogen van 630 kVA, • 400 V motorgeneratorset met een nominaal vermogen van 400 kVA, 2 • Transformator naar MLVS-koppeling, vijf meter aluminium kabel 4 x 240 mm per fase, • Busbars naar schakelaarkoppeling, vier meter met drie koperen staven 400 mm² per fase.

Berekening van nominale CB1- en CB2-waarden en onderbrekingsvermogen Het onderbrekingsvermogen is afhankelijk van de kortsluitstroom stroomafwaarts van CB1 en CB2 op het niveau van het MLVS (hoofdlaagspannings-schakelbord). Meestal wordt deze stroomopwaartse kortsluitingswaarde door de netvoeding geleverd. Deze waarde kan ook worden berekend. Het is nodig de som R van de stroomopwaartse weerstanden te bepalen evenals de som X van de stroomopwaartse reactanties van het betreffende punt. De driefasige kortsluitstroom wordt berekend als: U Isc 3-ph = 3 R2 + X 2 U is het fase-naar-fase onbelast voltage (belastingsvoltage + 3 tot 5%). R = Σ Rupstream en X = Σ Xupstream Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 44

Kabels

In dit voorbeeld hebben we de algemene methode van enkele simplificaties voorzien om de berekeningen korter te maken. Î Zie voor meer informatie het document Cahier Technique nr. 158 "Calculation of short-circuit currents" van Schneider Electric. Stroomopwaarts systeem Ra, Xa Bronnen Rtr Xtr Bronuitgang naar MLVSkabelkoppeling Rc, Xc Algemene stroomonderbreker Rd, Xd MLVS-busbars Rb, Xb

Fig. 1.35. Berekening van kortsluitstroom voor CB1 en CB2.

We moeten de weerstanden en reactanties stroomopwaarts van CB1 en CB2 in figuur 1.34 berekenen.

Verdeelsysteem stroomopwaarts van de transformator

• Psc = stroomopwaarts kortsluitvermogen = 500 MVA = 500 x 106 VA • U20 = fase-naar-fase onbelast voltage op de secundaire wikkeling van de transformator = 400 V, + 3%, d.w.z. 410 V • Rup = stroomopwaartse weerstand ≈ 15% Xup, te verwaarlozen gegeven Xup • Xup = stroomopwaartse reactantie met betrekking tot secundaire wikkeling van transformator 410 2 U20 2 = = 0,288 mΩ Psc 500 x 10 6 Rup ≈ 0 en Xup = 0,33 mΩ.

Xup =

Transformator

• • • •

Sn = nominaal schijnbaar vermogen 630 kVA 3 In = nominale stroom = 630 / U 3 = 630 10 / (400 x 3 ) = 909 A Usc = kortsluitvoltage van transformator = 4% Pcu = ohmverlies van transformator in VA Pcu ≈ 20% Xtr, te verwaarlozen gegeven Ztr Rtr = transformatorweerstand = 3 In2 Xtr ≈ Ztr = transformatorimpedantie = Rtr ≈ 0

en

U20 2 2 3 x Usc = 410 x 0,04 / 630 10 = 10,7 mΩ Sn

Xtr = 10,7 mΩ.

Kabels waarmee de transformator aan de MLVS is gekoppeld

• Lengte 5 meter • Dwarsdoorsnede 240 mm² • ρ = soortelijke weerstand bij normale temperatuur van de geleiders 2 2 koper: ρ = 22,5 mΩ.mm /m, aluminium: ρ = 36 mΩ.mm /m • Xc = geleiderreactantie (meestal 0,08 mΩ/m) = 0,08 x 5 = 0,4 mΩ L Rc = kabelweerstand (koper) = ρ = 22,5 x 5 / (4 x 240) = 0,12 mΩ S Rc = 0,12 mΩ en Xc = 0,4 mΩ. Algemene stroomonderbreker Gebruikelijke waarden Rd ≈ 0 et Xd = 0,15 mΩ.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 45

Kabels

Busbars

• Xb = busbarreactantie (meestal 0,15 mΩ/m) = 0,15 x 4 = 0,6 mΩ • Rb = busbarweerstand = ρ L / S= 22,5 x 4 / (3 x 400) = 0,075 mΩ (te verwaarlozen) Rb ≈ 0

en

Xb = 0,6 mΩ.

Transformator-Isc op het niveau van CB1 en CB2

• R = Totale stroomopwaartse weerstand = 0,12 mΩ • X = Totale stroomopwaartse reactantie = 0,33 + 10,7 + 0,4 + 0,15 + 0,6 =12,18 mΩ R is te verwaarlozen, gegeven X. U U 410 ≈ = = 19,4 kA Isc 3-ph = 2 2 3 X x .18 x 10 − 3 3 12 3 R +X Opmerking. Een ruwe schatting wordt verkregen via de kortsluitstroom op de contactklemmen van de transformator, waarbij ervan wordt uitgegaan dat de stroomopwaartse kortsluitstroom oneindig is. ISCT = op transformatorcontactklemmen = In / Usc = 20 In = 20 x 909 = 18,2 kA

Generator-Isc op het niveau van CB1 en CB2

• nominaal schijnbaar vermogen van de generator = 400 kVA • nominale stroom van de generator = 400 / U 3 = 400 103 / (400 x 3 ) = 577 A • X"d = kortsluitstroom van de generator = 10% Besloten wordt te onderbreken bij 5 In (zie fig. 1.33). ISCG = op de contactklemmen van de generator = 5 In = 5 x 577 = 2,9 kA

Gelijkstroom van CB1 Dit is de stroom bij de UPS-ingang. De nominale UPS-waarde moet worden vermenigvuldigd met 1,2 om rekening te houden met het rendement, d.w.z. 120 kVA. Iinput = 120 / U 3 = 120 103 / (400 x 3 ) = 173 A

Gelijkstroom van CB2 Dit is de gelijkstroom van de belastingen die via de bypass worden geleverd, d.w.z. 54 kW met een vermogensfactor van 0,68 voor een schijnbaar vermogen S = 54 / 0,68 = 67,5 kVA. 3 Iload = 67,5 / U 3 = 120 10 / (400 x 3 ) = 97 A

Activerende stroom van de zwaarste belasting De belastingen moeten op verschillende momenten worden geactiveerd. De hoogste inschakelstroom is die van de 20 kVA-transformator, d.w.z. In = 28,8 A en 10 In = 288 A - 120 ms.

Berekening van de maximumstroom van de statische schakelaar Dit is de kortsluitstroom op het niveau van CB3, die nagenoeg gelijk is aan die van CB2.

Selectieparameters In onderstaande tabel worden de berekende waarden weergegeven. Parameter Waarde Kortsluitstroom transformator 19,4 kA Kortsluitstroom generator 2.9 kA gelijkrichterstroom (UPS-ingang) 173 A gelijkstroom van belasting stroomafwaarts van de UPS 97 A activerende stroom van de zwaarste belasting 288 A - 120 ms maximumstroom statische schakelaar 19,4 kA

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 46

Kabels

Eigenschappen van CB1 en CB2 Eigenschap Onderbrekingsvermogen Gelijkstroom Ir-drempel Im-drempel

D1 D2 > 19,4 kA, d.w.z. 25 kA > 19,4 kA, d.w.z. 25 kA > 173 A, d.w.z. 200 A > 97 A, d.w.z. 125 A > 173 A +20% > 97 A + 20% > 173 A + 20% en > 288 A +20% en < 2,9 kA - 20% < 2,9 kA - 20% 20% vertegenwoordigt hier het kenmerkende tolerantiebereik van instellingen van stroomonderbrekers.

Eigenschappen van de krachtigste stroomonderbreker CB3 mogelijk Bronnen

Inkomende stroomonderbrekers (ingang)

Statische bypass Te verwaarlozen impedantie

Uitgaande stroomonderbrekers (uitgang) Isc bij CB3 ≈ Isc bij CB2 Fig. 1.36. Berekening van de kortsluitstroom bij CB3.

Bediening met bypassvermogen

• Onderbrekingsvermogen De hoogste kortsluitstroom stroomafwaarts van CB3 is praktisch gelijk aan die van CB2, omdat ervan wordt uitgegaan dat de uitgaande onderbrekers zich dicht bij de UPS bevinden. Daardoor is de onderbrekingscapaciteit van CB3 ook 25 kA. • De nominale waarde wordt bepaald door de zwaarste belasting, d.w.z. de 4 x 10 kVA van het computersysteem met een gelijkstroom van: 3 Iload = 40 / U 3 = 40 10 / (400 x 3 ) = 57 A

Er moet een 60 A-apparaat worden geselecteerd. • Instellingen Het merendeel van de belastingen is van het verdelingstype, d.w.z. de Ir-drempel van CB3 moet lager zijn dan 97 A / 1,6, d.w.z. < 61 A. De Im-drempel moet lager zijn dan 1847 / 2, d.w.z. < 900 A.

Bediening zonder bypassvermogen In dit geval begrenst de kortgesloten UPS zijn stroom tot 2,33 In gedurende één seconde. Voor UPS’en van Schneider Electric uit de Galaxy-serie, hebben experimentele resultaten bepaald dat de hoogste nominale waarde van CB3 minder moet zijn dan 0,5 In om selectiviteit te garanderen. Dit is het geval voor de stroomonderbreker van de computerbelastingen. 60 A < 0,5 x 144= 72 A Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 47

Kabels

Selectie van kabelmaten

Stijging kabeltemperatuur en netspanningsval De dwarsdoorsnede van kabels is afhankelijk van: • toegestane temperatuurstijging, • toegestane netspanningsval (VDC) Voor een gegeven belasting, moet elk van deze parameters resulteren in een minimaal toegestane dwarsdoorsnede. De grootste van beide moet worden gebruikt. Zorg er bij het routeren van kabels voor dat de vereiste afstand tussen bedieningscircuits en stroomcircuits behouden blijft, ter voorkoming van storingen door HF-stromen.

Temperatuurstijging De toegestane temperatuurstijging bij kabels wordt begrensd door de weerstandscapaciteit van de kabelisolatie. De temperatuurstijging in kabels is afhankelijk van: • het kerntype (Cu of Al), • de installatiemethode, • het aantal kabels dat elkaar raakt. De normen schrijven voor elk kabeltype de maximaal toegestane spanning voor.

Netspanningsval Maximale waarden De maximaal toegestane waarden voor netspanningsval zijn: • 3% voor AC-circuits (50 of 60 Hz), • 1% voor DC-circuits.

Selectietabellen In onderstaande tabellen wordt de netspanningsval in een percentage uitgedrukt voor een circuit dat bestaat uit koperen bekabeling van 100 meter. Om de netspanningsval te berekenen in een circuit met een lengte L, vermenigvuldigt u de waarde in de tabel met L/100. Als de netspanningsval 3% overschrijdt op een driefasig circuit of 1% op een DCcircuit, moet u de dwarsdoorsnede van de geleiders vergroten totdat de waarde binnen de toleranties valt.

Netspanningsval voor kabels van 100 meter

• Sph - de dwarsdoorsnede van de geleiders • In - nominale stroom van de beveiligingsapparaten in het circuit Driefasig circuit (koperen geleiders) 50-60 Hz - 400 V driefasig, cos ϕ = 0,8, gebalanceerd 3-ph + N-systeem 2

Sph (mm ) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 In (A) 10 0.9 16 1.2 20 1.6 1.1 25 2.0 1.3 0.9 32 2.6 1.7 1.1 40 3.3 2.1 1.4 1.0 50 4.1 2.6 1.7 1.3 1.0 63 5.1 3.3 2.2 1.6 1.2 0.9 70 5.7 3.7 2.4 1.7 1.3 1.0 0.8 80 6.5 4.2 2.7 2.1 1.5 1.2 0.9 0.7 100 8.2 5.3 3.4 2.6 2.0 2.0 1.1 0.9 0.8 125 6.6 4.3 3.2 2.4 2.4 1.4 1.1 1.0 160 5.5 4.3 3.2 3.2 1.8 1.5 1.2 200 5.3 3.9 3.9 2.2 1.8 1.6 250 4.9 4.9 2.8 2.3 1.9 320 3.5 2.9 2.5 400 4.4 3.6 3.1 500 4.5 3.9 600 4.9 800 1000 Vermenigvuldig het resultaat voor een driefasig 230 V-circuit met 3 . Vermenigvuldig het resultaat voor een enkelfasig 208/230 V-circuit met 2. Schneider Electric

Editie 09/2015

185

0.8 1.1 1.3 1.7 2.1 2.7 3.4 4.2 5.3

240

300

0.9 1.2 1.4 1.9 2.3 2.9 3.6 4.4 6.5

0.9 1.2 1.5 1.9 2.4 3.0 3.8 4.7

p. 48

Kabels (vervolg)

DC-circuit (koperen geleiders) 2

Sph (mm ) 25 In (A) 100 5.1 125 160 200 250 320 400 500 600 800 1000 1250

35 3.6 4.5

50 2.6 3.2 4.0

70 1.9 2.3 2.9 3.6

95 1.3 1.6 2.2 2.7 3.3

120 1.0 1.3 1.6 2.2 2.7 3.4

150 0.8 1.0 1.2 1.6 2.2 2.7 3.4

185 0.7 0.8 1.1 1.3 1.7 2.1 2.8 3.4 4.3

240 0.5 0.6 0.6 1.0 1.3 1.6 2.1 2.6 3.3 4.2 5.3

300 0.4 0.5 0.7 0.8 1.0 1.3 1.6 2.1 2.7 3.4 4.2 5.3

Speciaal geval voor nulleiders In driefasige systemen worden de harmonische waarden van de derde orde (en hun veelvouden) van enkelfasige belastingen in de nulleider opgeteld (som van de spanningen in de drie fasen). Om die reden wordt de volgende regel toegepast - dwarsdoorsnede van de nulleider = 1,5 x dwarsdoorsnede van de fase.

Voorbeeld van berekening: Denk aan een driefasig 400 V-circuit van 70 meter, met koperen geleiders en een nominale spanning van 600 A. Norm IEC 60364 geeft een minimale dwarsdoorsnede die afhankelijk is van de installatiemethode en de belasting. We gaan uit van een minimale dwarsdoorsnede 2 van 95 mm . In de eerste plaats moeten we controleren of de netspanningsval niet groter is dan 3%. De tabel voor driefasige circuits op de volgende pagina geeft voor een 600 A-stroom 2 die door een kabel van 300 mm beweegt, een netspanningsval van 3% aan voor 100 meter kabel, dus voor 70 meter wordt de berekening: 3 x 70/100 = 2.1%, d.w.z. minder dan de limiet van 3%. Eenzelfde berekening kan worden uitgevoerd voor een DC-stroom van 1000 A in een kabel van 10 meter met een dwarsdoorsnede van 240 mm². De netspanningsval voor 100 meter is 5,3%, dus voor tien meter wordt dit: 5,3 x 10/100 = 0,53%, d.w.z. minder dan de limiet van 1%.

Voorbeeld van een installatie

Fig. 1.37. Verbinding van kabels.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 49

Energieopslag

Opslagtechnologieën

Energieopslag in UPS’en UPS’en vereisen een energieopslagsysteem dat de inverter kan voeden tijdens stroomstoringen of als de netstroom niet meer binnen de toleranties valt. De opgeslagen energie moet over de volgende eigenschappen beschikken: • elektriciteit die direct beschikbaar is voor het opvangen van micro-onderbrekingen, korte netspanningsvallen en uitval van netstroom, • voldoende vermogen om de gehele belasting te voeden, d.w.z. een nominale waarde die gelijk is aan die van het UPS-systeem zelf, • autonomietijd, normaal ongeveer tien minuten, die is afgestemd op de behoefte van de belastingen en andere beschikbare bronnen (bijv. een motorgeneratorset voor lange autonomietijden).

Fig. 1.38. Vereenvoudigd diagram van een UPS met een reserve-energievoorraad.

Beschikbare technologieën Op dit moment zijn de volgende technologieën beschikbaar: • batterijen: - afgedicht loodzuur, - geventileerd loodzuur, - nikkelcadmium, • supercondensatoren, • vliegwielen: - traditionele eenheden die op lage snelheid draaien (1500 rmp) en in combinatie met motorgeneratorsets, - eenheden met middelmatige snelheid (7000 rpm) of hoge snelheid (30 tot 100.000 rpm).

Vergelijking van technologieën

Zie WP 65 Î

Batterijen zijn tegenwoordig absoluut de meestgebruikte oplossing. Hun populariteit is te danken aan de lage kosten, bewezen effectiviteit en opslagcapactiteit. Toch kleven er ook een aantal nadelen aan met betrekking tot omvang, onderhoud en milieu. Supercondensatoren bieden nog niet het benodigde prestatieniveau. Vliegwielen die op hoge snelheid werken, vormen een mogelijkheid wat betreft het opgewekte vermogen (40 tot 500 kW) voor korte autonomietijden (12 seconden tot 1 minuut). Figuur 1.39 toont de toepassingsgebieden voor de verschillende technologieën. Î Zie voor meer informatie White Paper WP 65: "Comparing Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors".

Fig. 1.39. Eigenschappen m.b.t. vermogen en autonomietijden.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 50

Energieopslag (vervolg)

In onderstaande tabel worden de oplossingen vergeleken in relatie tot hun capaciteit te voldoen aan de vereisten voor energieopslag van statische UPS’en. Vergelijkingscriteria

Technologie Batterijen met afgedicht loodzuur

Batterijen met geventileerd loodzuur

Ni/Cad-batterijen Supercondensa Vliegwielen toren

Vermogen

****

****

****

*

Autonomietijd

***

****

*

*

**

5 minuten tot meerdere uren

5 minuten tot meerdere uren

5 minuten tot ongeveer dertig minuten

enkele seconden

ongeveer dertig seconden

****

***

**

*

*

Laag:

laag tot gemiddeld

Hoog:

kosten vermenigvuldigd met 2 of 3 in vergelijking met batterijen, voor 10 seconden autonomietijd

kosten vermenigvuldigd met 8 in vergelijking met batterijen, voor 10 seconden autonomietijd

***

**

*

****

**

nee

ja

ja

nee

ja

* ** ** ***

* ** ** **

** *** ** *

**** **** **** ****

*** *** *** *

Laag:

gemiddeld

Hoog:

geen

lange onderhoudstijden

****

****

**

***

Aanschafprijs

Implementatie / installatie / opstarten Vereist een speciale ruimte Temperatuur Levensduur Voetafdruk Onderhoud Frequentie / benodigde tijd

Geschiktheid van de technologie voor UPS’en ****

**** uitstekend *** goed ** redelijk

***

* slecht

Vliegwielen Schneider Electric levert op verzoek energieopslagsystemen op basis van vliegwielen. Deze oplossing is geschikt als aanvulling op batterijen omdat hij kan worden gebruikt voor het opvangen van korte storingen zonder dat dit batterijvermogen kost. Hierdoor gaat de batterij langer mee. Gebruik zonder een batterij is mogelijk, maar de autonomietijd is dan slechts twaalf seconden. Bij bepaalde toepassingen is zo'n korte autonomietijd niet voldoende voor het starten van een motorgeneratorset.

Selectie van een batterij

Soorten batterijen De batterijen die het meest worden gebruikt in UPS’en zijn: • afgedichte loodzuur, ook wel gasrecombinatiebatterijen genoemd, • geventileerd loodzuur, • nikkelcadmium. Er wordt op dit moment onderzoek gedaan naar lithiumpolymeer-batterijen voor gebruik in UPS’en. Oplossingen op basis van deze technologie moeten binnen twee tot drie jaar beschikbaar zijn. Î Soorten batterijen, zie Hfdst. 5 p. 32 "Energieopslag - soorten batterijen". Voor gebruik in combinatie met de UPS-series, wordt door Schneider Electric het gebruik van batterijen met afgedicht loodzuur aanbevolen. De keuze van een batterij is afhankelijk van de volgende factoren: • bedrijfsomstandigheden en -vereisten (speciale ruimte, batterijkast, rekken, enz.), • benodigde autonomietijd, • kostenoverwegingen.

Autonomietijd Schneider Electric biedt: • standaard-autonomietijden van 5, 10, 15 of 30 minuten, • aangepaste autonomietijden tot een aantal uren. De keuze is afhankelijk van: • de gemiddelde duur van stroomstoringen, • of er bronnen beschikbaar zijn met lange autonomietijden (motorgeneratorset, enz.), Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 51


• het toepassingstype. De volgende algemene regels gelden. • Computersystemen De autonomietijd van de batterij moet voldoende zijn om procedures voor het opslaan van bestanden en uitschakelen van systemen mogelijk te maken, zodat het computersysteem op een gecontroleerde wijze kan worden uitgeschakeld. Doorgaans bepaalt de computerafdeling wat de benodigde autonomietijd is, en dit hangt af van de betreffende specifieke behoeften. • Industriële processen Bij het berekenen van de autonomietijd moet rekening worden gehouden met de kosten die een onderbreking van het proces met zich meebrengt en de tijd die benodigd is om het proces te herstarten. • Toepassingen die lange autonomietijden vereisen Een motorgeneratorset kan bij langdurige stroomuitval een batterij vervangen, waardoor het gebruik van zeer grote batterijen overbodig is. Over het algemeen is het gebruik van een motorgeneratorset haalbaar voor autonomietijden van meer dan 30 minuten tot een uur. De combinatie moet zorgvuldig worden onderzocht om de nominale generatorwaarde te optimaliseren en een juiste bediening te waarborgen. Î Combinatie met een motorgeneratorset, zie Hfdst. 5 p. 35 "Motorgeneratorset".

Levensduur Schneider Electric levert batterijen met een levensduur van 5 of 10 jaar, of langer. Î Levensduur batterij, zie Hfdst. 5 p. 33.

Vergelijking van soorten batterijen Afgedichte loodzuurbatterijen (gasrecombinatie) Om de volgende redenen zijn dit de meestgebruikte batterijen: • geen onderhoud, • eenvoudige implementatie, • installatie in allerlei ruimtes (computerruimtes, technische ruimtes die niet speciaal voor batterijen zijn bedoeld, enz.).

Geventileerde batterijen Dit type batterij (loodzuur of Ni/Cad) biedt bepaalde voordelen: • lange levensduur, • lange autonomietijden • hoog vermogen. Geventileerde batterijen moeten in speciale ruimtes worden geplaatst die voldoen aan gedetailleerde voorschriften (zie Hfdst. 1 p. 51 "Voorbereidend werk") en vereisen correct onderhoud.

Batterijcontrole

UPS’en van Schneider Electric zijn voorzien van geavanceerde batterijcontrolesystemen.

Batterycontrole op Galaxy-UPS’en DigiBatTM

Het DigiBatTM-batterijcontrolesysteem is een combinatie van hardware en software, standaard geïnstalleerd op UPS’en uit de Galaxy-serie van Schneider Electric. Het systeem omvat de volgende functies: • automatische invoer van batterijparameters, • geoptimaliseerde levensduur van de batterij, • beveiliging tegen overmatige ontladingen, • temperatuursafhankelijke regeling van de drijvende spanning van de batterij, • begrenzing van de batterijspanning, • continue evaluatie van beschikbaar vermogen waarbij rekening wordt gehouden met de leeftijd van de batterij, de temperatuur en de percentagebelasting, • prognose van de levensduur van de batterij, • periodieke, automatische tests van de batterij, waaronder een controle van het batterijcircuit, een nullasttest, een gedeeltelijke-ontladingstest, enz. Î DigiBat, zie Hfst. 5 p. 34 "Batterijbeheer".

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 52


Omgevingssensor De levensduur van batterijen wordt beïnvloed door de bedieningsparameters van de batterij, en met name door de temperatuur. De omgevingssensor is eenvoudig te installeren. Gecombineerd met een netwerkmanagementkaart (SNMP/internet), maakt de sensor het mogelijk de temperatuur/vochtigheid te controleren, evenals de status van twee contactpersonen via SNMP of internet. Indien nodig kan de sensor ook het uitschakelen van apparatuur initiëren.

Detectie en preventie van batterijstoringen voor GalaxyUPS’en Ondanks de voordelen die batterijen met afgedicht loodzuur bieden, gaan alle batterijen in de loop van de tijd gebreken vertonen. Zonder strenge controle is het onduidelijk wat de daadwerkelijke integriteit en capaciteit van een batterij is. Technieken voor batterijcontrole hebben een groot effect op de betrouwbaarheid en kunnen worden ingezet om een indicatie te geven van de beste vervangingsstrategie, wat tot een betere bescherming leidt. Schneider Electric biedt ook continue batterijcontrolesystemen op celniveau met software- en communicatiemogelijkheden. Deze systemen kunnen worden geïmplementeerd door de gebruiker of worden verwerkt in het Teleservice-aanbod.

B2000-batterijcontrolesysteem Het B2000-systeem voorziet in een continue, complete controle van de belangrijkste parameters van de batterij. Hiertoe behoren het voltage, de spanning, temperatuur en eventuele drift die tijdens ladings- en ontladinigscycli wordt gedetecteerd. Zodra de tolerantieniveaus worden overschreden, geeft het systeem een waarschuwing af. Automatische registratie van al dan niet geplande ontladingen is ook beschikbaar voor gegevensanalyse. Het controlesysteem kan helpen bij het opsporen van mogelijke problemen voordat de batterij uitvalt en zo de beschikbaarheid van UPS’energie vergroten.

Cellwatch-batterijcontrolesysteem Algemeen batterijonderhoud is mogelijk niet voldoende voor het waarborgen van correct gebruik. Dit geldt met name voor kritieke toepassingen die geen foutmarge mogen hebben. Tussen periodieke tests (gewoonlijk eenmaal per drie maanden), kan een cel plotseling uitvallen. Een afgedichte loodzuurcel met klep kan binnen enkele dagen na een periodieke test uitvallen. De oorzaak hiervan zijn de chemische reacties die in de cel plaatsvinden na de cycli van laden en ontladen. Deze cycli gaan zelfs door als het beveiligingssysteem niet in bedrijf is. Bovendien kan het complete verbindingssysteem van de batterijketen door corrosie worden aangetast, zowel binnen als buiten de cel. Het eenvoudigweg controleren van het voltage volstaat dus niet. Uit onderzoek is gebleken dat de interne weerstand of de impedantie van de cel een goede indicatie is van de celstatus, omdat het niet alleen een beeld geeft van functionele achteruitgang, maar ook van allerlei fysieke problemen. Het Cellwatch-controlesysteem maakt gebruik van dit op celimpedantie gebaseerde systeem voor controle op celniveau. Het biedt een betrouwbare controle van de levensduur van elke cel.

Schneider Electric-batterijbeheersysteem voor SymmetraTM-UPS’en Het batterijbeheersysteem dat verkrijgbaar is voor UPS’en uit de Symmetra-serie van Schneider Electric, zorgt ervoor dat uw batterijen optimaal geladen en klaar voor gebruik zijn. Dit systeem, dat via uw browser toegankelijk is en op een 1U-rek kan worden gemonteerd, combineert batterijcontrole en batterijtests met afzonderlijke snellaadmogelijkheden voor piekprestaties. Integratie met uw favoriete gebouwmanagementsysteem of het gebruik van een internetbrowser maakt de gezondheid en status van uw batterijen zichtbaar. Dankzij dit systeem lost u problemen met batterijen op voordat ze de beschikbaarheid van energie nadelig kunnen beïnvloeden.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 53

HMI (Human-machine interface) en communicatie Human-machineinterface (HMI)

Algemene kenmerken De human-machine-interface op de UPS moet gebruiksvriendelijk, gebruikersvriendelijk en meertalig (aanpasbaar aan de taal van de gebruiker) zijn. Het bestaat meestal uit een herhalingspaneel, een status- en controlepaneel en een alfanumerieke display. Vaak is een met een wachtwoord beveiligd, aanpasbaar menu beschikbaar voor het invoeren van installatieparameters en toegang tot gedetailleerde informatie.

Voorbeeld De HMI beschikt vaak over de onderstaande functies. Aan/uit-knoppen • met vertraging ter voorkoming van foutieve bediening. • met een optie voor een externe EPO (Emergency Power Off, nooduitschakeling van de voeding). • op zichzelf staan in relatie tot de rest van het display Statuslampjes die duidelijk het volgende aangeven: • normale bedrijfsmodus (belasting beschermd), • gereduceerde bedrijfsmodus (storing), • gevaarlijke situaties voor de belasting (belasting niet beschermd), • gebruik op batterijvermogen. Alarmsignalen • alarmzoemer en knop voor resetten van zoemer. • waarschuwing batterij-uitval. • algemeen alarm. • batterijstoring. Een beeldscherm met: • toegang tot metingen - ingangsvermogen (voltage, spanning, frequentie). - batterij (voltage, laad- en ontladingsspanningen, resterende autonomietijd, temperatuur). - uitgangsspanning inverter (fase-naar-nulleider-voltage, spanning, frequentie, actief en schijnbaar vermogen, amplitudefactor). • toegang tot logbestanden met historische gegevens - logbestand met in tijd vastgelegde gebeurtenissen. - curven en bargraphs van de gemeten waarden.

Communicatie

Hoge beschikbaarheid van kritische toepassingen vraagt om communicerende beveiligingsapparatuur Het UPS-systeem, cruciaal voor missie-kritische apparatuur, moet communicatiefuncties bevatten die de gebruiker, waar deze zich ook bevindt, voortdurend op de hoogte houden van elk risicio dat de veiligheid van het systeem in gevaar kan brengen. Er kan dan direct actie worden ondernomen. Om de beschikbaarheid van vermogen te garanderen, omvatten de UPScommunicatievoorzieningen de vier volgende onmisbare functies: ) Supervisie / bewaking van alle geïnstalleerde UPS’en via software. ) Kennisgeving via het netwerk en internet. ) Gecontroleerd uitschakelen (lokaal of op afstand, automatisch of handmatig) van beveiligde toepassingen. ) Teleservice via een modem en telefoonlijn naar een supportcentrum.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 54

HMI (Human-machine interface) en communicatie (Cont.) Schneider Electric-oplossingen Communicatiekaarten • Netwerkbeheerkaart (Ethernet) - Internetbewaking - E-mailmeldingen - SNMP MIB & Traps - Serverbeveiliging met Network Shutdown-module - Supervisie met Enterprise Power Manager of ISX Central - Omgevingsbewaking met de omgevingssensor (T°, H%, inputs) • Modbus – Jbus card (RS232 & RS485) - Bewaking • Teleservice-kaart (Modem) - Waarschuwingen - Bewaking - Diagnostische informatie - Rapporten • Relay Card (contacten) - Aanwijzingen

Managementsoftware • Enterprise Power Manager en ISX Central (software en server) Softwareoplossingen voor het beheren van alle geïnstalleerde UPS’en via IPnetwerken; compatibel met internet en toegankelijk via elke webbrowser. • NMS Integration kits (Netwerkbeheersysteem) Integratie in NMS-en zoals HP OpenView, IBM Tivoli, CA Unicenter, enz. • Network Shutdown-module - Softwaremodule voor het veilig uitschakelen van systemen.

Fig. 1.40. De communicatiekaarten voorzien samen met de supervisiesoftware in een groot aantal functies.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 54

Voorbereidend werk

Overwegingen bij installatie

De belangrijkste zaken waarmee u bij de installatie van de UPS rekening moet houden, zijn de volgende: • plannen voor veranderingen aan de locatie, voorbereidend werk (vooral voor een batterijruimte), waarbij rekening wordt gehouden met: - de afmetingen van de apparatuur, - bedrijfs- en onderhoudsomstandigheden (toegankelijkheid, speling, enz.), - temperatuursvoorwaarden waaraan moet worden voldaan, - veiligheidsoverwegingen, - toepasselijke normen en voorschriften, • ventilatie of air-conditioning van ruimtes, • voorzien in een ruimte voor de batterij.

Afmetingen Voor de indeling van UPS-kasten en behuizingen moet u een nauwkeurige plattegrond maken. De fysieke kenmerken van UPS’en van Schneider Electric die u wellicht nodig hebt voor het voorbereiden van plattegronden vindt u in hoofdstuk 4. Voor elke serie geven ze het volgende aan: • de afmetingen en het gewicht van: - UPS- en gecentraliseerde-bypasskasten; - batterijkasten, - eventuele hulpkasten (autotransformatoren, transformatoren, filters, enz.), • minimale speling die nodig is voor kasten en behuizingen, zodat de ventilatie optimaal is en de apparatuur toegankelijk.

Ventilatie, airconditioning Ventilatievereisten UPS’en zijn ontwikkeld voor gebruik binnen een gegeven temperatuursbereik (0 tot 40°C voor UPS’en van Schneider Electric) dat voor de meeste bedrijfsomstandigheden volstaat. UPS’en en hun hulpapparatuur produceren echter wel warmeverlies waardoor de temperatuur in een slecht geventileerde ruimte kan toenemen als er geen stappen worden ondernomen. Bovendien is de levensduur van een batterij sterk afhankelijk van de omgevingstemperatuur. De levensduur is optimaal bij temperaturen tussen 15° C en 25° C. Houd hiermee rekening als de batterij wordt geplaatst in dezelfde ruimte als de UPS. Een andere overweging is het feit dat UPS’en mogelijk worden geplaatst in dezelfde ruimte als computerapparatuur. Hiervoor gelden vaak veel strengere eisen met betrekking tot het bereik van de bedrijfstemperatuur.

Een ventilatietype selecteren Vanwege alle eerder genoemde redenen is een minimale hoeveelheid ventilatie vereist, en eventueel ook airconditioning. Zo voorkomt u het risico van een overmatige temperatuurstijging in de betreffende ruimte ten gevolge van warmteverlies. Ventilatie kan plaatsvinden door: • natuurlijke convectie, • gedwongen uitwisseling door een ventilatiesysteem, • installatie van airconditioning. De keuze is afhankelijk van: • het te verplaatsen warmteverlies, • de grootte van de ruimte. De thermische eigenschappen van UPS’en van Schneider Electric worden toegelicht in hoofdstuk 4 en kunnen worden gebruikt voor het berekenen van ventilatiebenodigdheden. Voor elke serie wordt de volgende informatie gegeven: • het warmteverlies van kasten en eventueel geïnstalleerde filters, • het volume van luchtuitvoer door een ventilatiesysteem.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 58

IP-beschermingsgraad en geluidsniveau Beschermingsgraad (IP) UPS’en moeten worden gebruikt in een omgeving die geschikt is voor hun beschermingsgraad (IP 20 voor UPS’en van Schneider Electric), zoals gedefinieerd in richtlijn IEC 60529/EN 60529. De aanwezigheid van stof, water en corroderende stoffen moet worden vermeden.

Geluidsniveau UPS’en moeten een laag geluidsniveau voortbrengen, dat geschikt is voor de ruimte waarin ze worden geplaatst. Metingsomstandigheden voor het geluidsniveau dat door de fabrikant wordt aangegeven, moeten voldoen aan ISO-norm 3746 (geluidsmetingen).

Batterijruimte

Waar mogelijk en indien gewenst, moet u de batterij in een kast installeren. De afmetingen voor batterijkasten worden aangegeven voor elke UPS-serie, afhankelijk van het nominale vermogen. Voor UPS’en met een bijzonder hoog vermogen worden de batterijen echter meestal in een speciale ruimte geplaatst (elektrische ruimte). Batterijen moeten worden geplaatst in overeenstemming met internationale normen, lokale voorschriften en richtlijn IEC 60364.

Installatiemethode voor batterijen Welke installatiemethode wordt gebruikt, is afhankelijk van de volgende criteria: • beschikbare vloerruimte, • het gewicht dat de vloer kan verdragen (kg/m2), • toegankelijkheid en onderhoud. De volgende drie methoden worden gebruikt.

Batterij rechtstreeks op de vloer geplaatst Dit is het meest simpele systeem. Dit vereist echter wel een grote batterijruimte, omdat: • de batterij zeer veel ruimte op de vloer in beslag neemt, • er geïsoleerd vloermateriaal (vloerplanken) moet worden gebruikt. Dit is verplicht als het voltage hoger is dan150 volt.

Batterij op rekken De batterijcellen worden boven de vloer op verschillende niveaus geïnstalleerd. Bij het bepalen van de hoogte tussen elk rek, moet u rekening houden met de ruimte die nodig is voor het controleren van batterijniveaus en het probleemloos bijvullen van de batterijcellen. Een hoogte van ten minste 450 mm wordt aanbevolen.

Gelaagde batterijen Deze installatiemethode lijkt precies op de vorige. Het is de meest eenvoudige methode voor het controleren van batterijniveaus.

Voorzieningen in de batterijruimte Ongeacht de installatiemethode die u kiest, moet elke methode aan de volgende vereisten voldoen (de cijfers verwijzen naar de elementen in figuur 1.40).

Vloer en muren (1)

• Aan de rand van de vloer moet zich een ontsnappingsgoot bevinden die naar een tank leidt. • Beschermlaag tegen zuur op de vloer en de muren, tot een hoogte van ten minste 0,5 meter. Bijvoorbeeld asfalt voor loodzuurbatterijen, PVC of verf op chloorbasis voor alkalische batterijen.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 58

Ventilatie (2)

• berekening van luchtdoorvoer Het te verplaatsen luchtvolume is afhankelijk van de maximale belastingsspanning en van het type batterij. In installaties met meerdere batterijen zijn de luchtvolumes die moeten worden verplaatst cumulatief. - geventileerde batterijen d = 0,05 x N x Im, waarbij d - is doorvoer in kubieke meters per uur, N - is aantal batterijcellen, Im - is maximale belastingsspanning in ampères. - afgedichte batterij De ventilatieomstandigheden in een algemene ruimte volstaan. • veiligheid Het laden van batterijen moet door een automatisch apparaat worden gestopt als het ventilatiesysteem defect is. • plaats De lucht moet uit de bovenkant van de batterijruimte worden getrokken.

Indeling van cellen (3) De indeling moet voorkomen dat twee blootliggende delen die een voltage hebben dat groter is dan of gelijk is aan 150 V gelijktijdig met elkaar in aanraking komen. Indien niet aan deze voorwaarde kan worden voldaan, behoren thermische schilden te worden geïnstalleerd en moeten verbindingen met geïsoleerde kabels worden aangelegd.

Vloerbedekking (4) Als het voltage hoger is dan 150 V, is een speciale vloer vereist. Deze moet een deugdelijke grip hebben, geïsoleerd zijn van de ondervloer en ten minste één meter loopruimte rond de batterij bieden.

Batterijaansluiting (5) De aansluitingen moeten zo kort mogelijk zijn.

Stroomonderbreker voor bescherming van de batterij (6) De stroomonderbreker wordt meestal in een aan de wand gemonteerde behuizing geïnstalleerd.

Brandblusapparatuur (7) Goedgekeurde brandblusmaterialen zijn poeder, CO2 en zand.

Veiligheidsuitrusting (8) De veiligheidsuitrusting moet bestaan uit beschermende brillen, handschoenen en water.

Inspectie-uitrusting (9) • Hydrometer. • Vulapparaat. • Thermometer.

Sensoren (10)

• Waterstofdetector. • Temperatuursensor.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 58

Fig. 1.41. Indeling van batterijruimte

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 58

Belangrijke factoren in UPS-installaties

Recommend Documents