Overzicht van de theorie

Overzicht van de theorie

Inhoudsopgave Voeden van gevoelige belastingen................................ 2 Soorten elektrische storingen ...............................................................2 Meest voorkomende storingen in elektrische laagspanning .................3

UPS'en.............................................................................. 5 De UPS-oplossing ................................................................................5 UPS-toepassingen ...............................................................................6

Soorten UPS'en ............................................................... 8 Statische of roterende UPS ..................................................................8 Soorten statische UPS'en .....................................................................10

UPS-componenten en werking ...................................... 17 Componenten van een UPS .................................................................17 Hoofdkenmerken van UPS-componenten ............................................20 Overzichtsdiagram voor hoofdkenmerken ............................................25 Werkingsmodi van de UPS...................................................................26 UPS-configuraties ................................................................................28

Technologie ..................................................................... 31 UPS-technologie zonder transformators ..............................................31

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC).................... 38 Elektromagnetische storingen ..............................................................38 EMC-standaarden en aanbevelingen ...................................................38

UPS-standaarden ............................................................ 40 Reikwijdte en naleving van normen ......................................................40 Belangrijkste normen waaraan UPS'en onderhevig zijn .......................40

Energieopslag ................................................................. 43 Mogelijke technologieën .......................................................................43 Batterijen ..............................................................................................43 Vliegwielen ...........................................................................................47

Combinatie UPS-/generatorset ...................................... 51 Gebruik van een generator ...................................................................51 Combinatie UPS-/generatorset.............................................................51

Belasting in overgangstoestand ................................... 53 Overzicht van inschakelstroom.............................................................53

Harmonischen ................................................................. 54 Harmonischen ......................................................................................54 Gebruikelijke harmonische waarden ....................................................55

Niet-lineaire belastingen en PWM-technologie............. 59 Prestaties voor niet-lineaire belastingen van UPS'en die PWM-gebruiken 59 Vergelijking van verschillende bronnen ................................................62 Chopping met vrije frequenties .............................................................63

PFC-gelijkrichter ............................................................. 65

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 1

Voeden van gevoelige belastingen

Soorten elektrische storingen

Zie WP 18 Î

In theorie wordt elektrische apparatuur door zowel openbare als particuliere stroomdistributiesystemen gevoed met een sinusvormige spanning met een vaste amplitude en frequentie (bijv. 400 volt rms, 50 Hz, op laagspanningssystemen). In werkelijkheid zijn het echter de elektriciteitsbedrijven die de mate van fluctuatie bepalen rond de nominale waarden. In norm EN 50160 worden de normale fluctuaties in het laagspanningsvoltage van de stroomtoevoer in Europese distributiesystemen als volgt gedefinieerd: • Voltage +10% tot -15% (gemiddelde rms-waarden gedurende intervallen van 10 minuten), waarvan 95% elke week in het +10%-bereik moet liggen. • Frequentie +4 tot 6% gedurende één jaar met ±1% gedurende 99,5% van de tijd (synchrone verbindingen in een onderling verbonden systeem). Afgezien van de zojuist genoemde fluctuaties, is het ook nog zo dat de sinusgolf van de spanning in de praktijk altijd in een bepaalde mate wordt vervormd door allerlei storingen die zich in het systeem voordoen. Î Zie White Paper WP 18 “The Seven Types of Power Problems”

Oorzaken van storingen Netstroom

Netstroom kan door de volgende verschijnselen worden verstoord of zelfs afgesneden: • Atmosferische verschijnselen beïnvloeden hooggeplaatste lijnen en ondergrondse kabels: - bliksem kan leiden tot een plotselinge spanningspiek in het systeem, - ijs kan zich ophopen op hooggeplaatste lijnen waardoor deze kunnen breken, • Ongelukken: - een tak die op een lijn valt, wat kortsluiting of een kabelbreuk tot gevolg kan hebben, - het doorsnijden van een kabel, bijvoorbeeld tijdens graafwerkzaamheden of andere bouwactiviteiten, - een storing in het netstroomsysteem, • Onbalans van de fase, • Het omschakelen van beveiligings- of controleapparaten in het netstroomsysteem, voor het verlagen van de belasting of onderhoudsdoeleinden.

Gebruikersapparatuur Sommige apparatuur kan het netstroomsysteem verstoren, zoals: • Industriële apparatuur: - motoren, die bij het opstarten netspanningsvallen kunnen veroorzaken door inschakelstroom, - apparatuur zoals vlamboogovens en lasmachines, die netspanningsvallen en hoogfrequente interferentie kan veroorzaken, • Vermogenselektronische apparatuur (omschakelende voeding, aandrijvingen met variabele snelheid, elektronische ballast, enz.), die vaak harmonischen veroorzaakt, • Faciliteiten in gebouwen zoals liften, die een piek geven in de inschakelstroom, of tl-verlichting, die harmonischen kan voortbrengen.

Soorten storingen Storingen die het resultaat zijn van de hierboven genoemde oorzaken worden in de volgende tabel genoemd, overeenkomstig de definities in norm EN 50160 en ANSI 1100-1992.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 2

Voeden van gevoelige belastingen (vervolg)

Storingen Stroomuitval Stroomonderbrekingen

Kenmerken

Hoofdoorzaken

Belangrijkste gevolgen

Totaal ontbreken van spanning ≤ 10 ms.

Atmosferische omstandigheden, omschakelingen, storingen, werkzaamheden aan het netstroomsysteem.

Uitval

Totaal ontbreken van spanning gedurende meer dan één periode: - korte uitval: ≤ 3 minuten (70% van de gevallen duurt korter dan 1 s) - langdurige uitval: > 3 minuten

Atmosferische omstandigheden, omschakelingen, storingen, incidenten, kabelbreuk, werkzaamheden aan het netstroomsysteem.

Gebrekkige werking en gegevensverlies (computersystemen) of onderbroken productie (continuprocessen). Afhankelijk van de duur, uitschakeling van machines en risico's voor mensen (bijv. liften), gegevensverlies (computersystemen) of onderbroken productie (continuprocessen).

Verlaging van de rms-waarde van spanning tot minder dan 90% van de nominale waarde (maar meer dan 0%), met terugkeer naar een waarde van meer dan 90% binnen 10 ms tot 1 minuut. Tijdelijke toename van meer dan 10% boven de nominale spanning, gedurende 10 ms tot enkele seconden.

Atmosferische verschijnselen, fluctuerende belastingen, kortsluiting in een naastgelegen circuit.

Uitschakeling van machines, defecten, schade aan apparatuur en gegevensverlies.

- Kwaliteit van generatoren en transmissiesystemen bij elektriciteitsbedrijven. - Interactie tussen generatoren en fluctuerende belastingen in het netstroomsysteem. - Het netstroomsysteem inschakelen. - Stoppen van belastingen met hoog vermogen (bijv. motoren, condensatorbanken). Piek in verbruik, wanneer het elektriciteitsbedrijf niet aan de vraag kan voldoen en het voltage moet verlagen om de stroom te begrenzen.

- Voor computersystemen: beschadiging van gegevens, verwerkingsfouten, uitschakeling van het systeem, drukspanning op onderdelen. - Toename van de temperatuur en voortijdige slijtage van apparatuur.

Variaties in de spanning Spanningsvallen

Overspanning

Uitschakeling van computersystemen. Beschadiging of verlies van gegevens. Toename van de temperatuur. Voortijdige veroudering van de apparatuur. Verwerkingsfouten, beschadiging van gegevens, uitschakeling van systemen. Schade aan computers, elektronische kaarten.

Onderspanning

Spanningsval gedurende enkele minuten tot dagen.

Spanningspiek

Plotselinge, grote stijging van de spanning (bijv. 6 kV).

Nabije bliksemschichten, statische ontladingen.

Onbalans van de spanning (in driefasige systemen)

Omstandigheid waarin de rmswaarde van de fasevoltages of de onbalans tussen fases niet gelijk is.

- Inductiefornuizen. - Onevenwichtige enkelfasige belastingen.

- Toename van de temperatuur. - Uitschakeling van een fase.

Instabiliteit van de frequentie. Meestal +5%, - 6% (gemiddelde voor intervallen van tien seconden).

- Regeling van generatoren. - Afwijkende werking van generatoren. - Instabiele frequentiebron.

Flikkeringen in verlichtingssystemen vanwege een scherpe daling in spanning en frequentie (< 35 Hz).

Lasapparaten, motoren, vlamboogovens, röntgenapparaten, laserapparatuur, condensatorbanken.

Deze variaties overschrijden de toleranties van bepaalde instrumenten en computerhardware (vaak ± 1%), wat tot verlies of beschadiging van gegevens kan leiden. Fysiologische storingen.

Variaties in frequentie Frequentiefluctuaties

Flikkeringen

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 3

Voeden van gevoelige belastingen (vervolg)

Overige storingen HF-overgangen

Korte duur

Gemiddelde duur

Lange duur

Harmonische vervorming

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)

Schneider Electric

Plotselinge, grote en zeer korte stijging van de spanning. Vergelijkbaar met een spanningspiek.

Atmosferische verschijnselen (onweer) en omschakelingen.

< 1 μs Amplitude < 1 tot 2 kV bij frequenties van enkele tientallen MHz. > 1 μs en ≤ 100 μs Piekwaarde 8 tot 10 keer hoger dan de nominale waarde tot enkele MHz.

Starten van kleine, inductieve belastingen, herhaaldelijk openen en sluiten van laagspanningsrelais en -contactgevers. Storingen (onweer) of hoogspanningsomschakeling die via elektromagnetische koppeling wordt doorgegeven aan de laagspanning. Stoppen van inductieve belastingen of hoogspanningsstoringen die via elektromagnetische koppeling worden doorgegeven aan het laagspanningssysteem. Elektrische machines met een magnetische kern (motoren, onbelaste transformatoren, enz.), omschakelende stroomvoeding, vlamboogovens, aandrijvingen met variabele snelheid.

> 100 μs Piekwaarde 5 tot 6 keer hoger dan de nominale waarde tot enkele honderden MHz. Vervorming van de stroom en spanningssinusgolven ten gevolge van de harmonische spanningen die door niet-lineaire belastingen worden opgenomen. Het effect van harmonischen boven de 25e orde is te verwaarlozen. Elektromagnetisch of elektrostatisch geleide of uitgestraalde storingen. Het doel is te zorgen voor lage emissies en een hoog niveau van immuniteit.

Omschakelen van elektronische componenten (transistors, thyristors, dioden), elektrostatische ontladingen.

Editie 09/2015

Vernietiging van apparatuur, versnelde slijtage, defect raken van componenten of isolatoren.

Extra grote apparatuur, temperatuurstijging, resonantieverschijnselen bij condensatoren, vernietiging van apparatuur (transformatoren). Defecten aan gevoelige elektronische apparaten.

p. 4

UPS'en (vervolg)

De UPS-oplossing

Hedendaagse economische activiteiten worden steeds meer afhankelijk van digitale technologieën die uitermate gevoelig zijn voor elektrische storingen. Vele toepassingen hebben hierdoor een reservevoorraad stroom nodig om ze te beveiligen tegen het risico van storingen in de netstroom: • Industriële processen en bijbehorende controle-/bewakingssystemen - risico van productieverlies, • Vliegvelden en ziekenhuizen - risico's voor de veiligheid van mensen, • ICT-technologie die gerelateerd is aan het internet - risico van crashen tijdens informatieverwerking met zeer hoge downtimekosten per uur. Dit ten gevolge van onderbrekingen in de uitwisseling van essentiële gegevens, die benodigd zijn door wereldwijde bedrijven.

UPS'en Een UPS (uninterruptible power system; ononderbroken voedingssysteem) wordt gebruikt om gevoelige toepassingen gegarandeerd van stroom te voorzien. Een UPS is een elektrisch apparaat dat tussen de netvoeding en de gevoelige belastingen wordt geplaatst en voltage levert met: • Hoge kwaliteit: de uitgangssinusgolf is vrij van storingen in de netvoeding en blijft binnen strikte amplitude- en frequentietoleranties, • Hoge beschikbaarheid: de voortdurende voorziening van spanning, binnen de gespecificeerde toleranties, wordt gegarandeerd door een reservestroomvoorziening. De reservevoorziening is meestal een batterij die, indien nodig, zonder stroomonderbreking de netstroom vervangt en de reservetijd levert die de toepassing nodig heeft. Deze kenmerken zorgen ervoor dat UPS'en de ideale stroomvoorziening zijn voor alle gevoelige toepassingen, omdat ze de kwaliteit en beschikbaarheid van stroom garanderen, ongeacht de staat van de netstroom.

Componenten van een UPS De hoofdcomponenten van een UPS worden hieronder beschreven.

Gelijkrichter/oplader Neemt netvoeding op en produceert een gelijkstroom waarmee de inverter wordt gevoed en de batterij (opnieuw) wordt geladen.

Inverter Deze zorgt ervoor dat een uitgangssinusgolf met een spanning van hoge kwaliteit volledig wordt geregenereerd: • Zonder alle storingen van de netvoeding, vooral stroomonderbrekingen, • Binnen toleranties die compatibel zijn met de vereisten van gevoelige elektronische apparaten (bijv. toleranties in amplitude ± 0,5% en frequentie ± 1%, vergeleken bij ± 10% en ± 5% bij netstroomsystemen, die corresponderen met verbeteringsfactoren van respectievelijk 20 en 5. Opmerking. Met de term inverter wordt soms een UPS bedoeld, terwijl dit in werkelijkheid slechts een onderdeel van een UPS is.

Batterij

De batterij biedt voldoende reservetijd voor de bedrijfsmodus (6 minuten tot een aantal uren) door de netstroom naar behoefte te vervangen.

Statische bypass De statische bypass zorgt voor een overdracht zonder onderbreking van de belasting van de inverter naar rechtstreekse netstroom en terug. Overdracht zonder onderbreking komt tot stand via een apparaat dat SCR's (soms een statische schakelaar genoemd) implementeert. De statische bypass maakt het mogelijk de belasting te blijven voeden, zelfs als zich een interne storing voordoet of tijdens onderhoud aan de gelijkrichter/oplader- en invertermodules. Via bypass kunnen overdrachten ook de volledige stroom benutten die stroomopwaarts beschikbaar is in het geval van overbelastingen (bijv. kortsluiting) die de capaciteit van de UPS overschrijden. Tijdens de modus van de statische bypass, wordt de belasting rechtstreeks via de netstroom gevoed en is deze dus niet langer beschermd (bedrijf in gereduceerde modus).

Onderhoudsbypass Deze bypass kan worden gebruikt om de belasting rechtstreeks van netstroom te voorzien, zonder gebruikmaking van de inverter of de statische schakelaar. De overdracht naar de onderhoudsbypass wordt door de gebruiker geïnitieerd met Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 5

UPS'en (vervolg)

behulp van schakelaars. Door de benodigde schakelaars te activeren, worden de statische bypass en inverter geïsoleerd voor onderhoud, terwijl de belasting in gereduceerde modus wordt gevoed.

HV system HV/LV transformer

Normal utility power (disturbances and system tolerances) UPS Non-sensitive loads Rectifier/ charger Battery Inverter

Maintenance bypass Static bypass

Reliable power (no disturbances, within strict tolerances and available due to battery backup power) Sensitive loads

Fig. 5.1. De UPS-oplossing.

UPS-toepassingen

Schneider Electric

UPS'en worden voor zeer uiteenlopende toepassingen gebruikt die stroom vereisen die te allen tijde beschikbaar moet zijn, en niet gevoelig is voor storingen in het netstroomsysteem. In onderstaande tabel wordt een aantal toepassingen genoemd. Voor elke toepassing wordt de gevoeligheid voor storingen aangegeven en het type UPS dat geschikt is voor beveiliging van de toepassing. De toepassingen waarvoor dit installatietype benodigd is, zijn: • Computersystemen, • Telecommunicatie, • Industrie en instrumenten, • Overige toepassingen. De vereiste UPS-typologieën worden beschreven op pagina 9, "Soorten statische UPS'en". Ze omvatten statische UPS'en waarin de volgende typologieën zijn geïmplementeerd: • Passieve stand-by, • Interactie met het distributiesysteem, • Dubbele conversie.

Editie 09/2015

p. 6

UPS'en (vervolg)

UPS-toepassingen Toepassing

Beveiligde apparaten

Computersystemen Datacenters

- Grote sleuven voor op racks bevestigde servers - Internet-datacenters Bedrijfsnetwerken - Computersets met terminals en randapparatuur (magneetbandeenheden, schijfstations, enz.) Kleine netwerken en - Netwerken die bestaan uit pc's of servers werkstations, servernetwerken (WAN, LAN) Zelfstandige computers - pc's, werkstations - Randapparatuur: printers, plotters, voicemail Telecommunicatie Telecommunicatie - Digitale PABX-telefooncentrales Industrie en instrumenten Industriële processen - Procescontrole - PLC's - Numerieke controlesystemen - Controlesystemen - Robotbesturings-/bewakingssystemen - Automatische machines Medische omgeving en - Instrumentatie laboratoria - Scanners (60 Hz) Industriële apparatuur - Gereedschapswerktuigen - Lasrobots - Plastic-injectiepersen - Nauwkeurig afgestemde apparaten (textiel, papier, enz.) - Verwarmingsapparatuur voor fabrikanten van halfgeleiders, glas, pure materialen Verlichtingssystemen - Openbare gebouwen (liften, veiligheidsuitrusting) - Tunnels - Verlichting van de startbaan op vliegvelden Overige toepassingen Speciale frequenties - Frequentieconversie - Voeding voor luchtvaartuigen (400 Hz) *

lage gevoeligheid voor storingen.

*****

hoge gevoeligheid voor storingen.

Schneider Electric

Beveiliging benodigd tegen Stroomond Uitval Variaties in Variaties in Overige erbrekinge de frequentie n spanning

UPS-type (zie p. 8)

*****

*****

*****

*****

*****

Dubbele conversie

*****

*****

*****

*****

*****

Dubbele conversie

****

****

***

***

**

Interactie met het distributiesysteem

**

**

*

*

**

Passieve stand-by

*****

*****

*****

*****

*****

Dubbele conversie

***

*****

***

***

****

Dubbele conversie

****

*****

****

****

***

Dubbele conversie

***

****

***

***

***

Dubbele conversie

**

****

***

***

**

Dubbele conversie Interactie met het distributiesysteem

****

****

****

*****

***

Dubbele conversie

Editie 09/2015

p. 7

Soorten UPS'en

Statische of roterende UPS Zie WP 92 Î

Statische of roterende UPS-oplossingen Er zijn twee soorten UPS (fig. 5.2 en details in Î White Paper WP 92 - "Comparison of Static and Rotary UPS"), die van elkaar verschillen in de wijze waarop de functie van de UPS-inverter wordt geïmplementeerd.

Statische oplossing Deze UPS'en maken alleen gebruik van elektronische componenten om de inverterfunctie uit te voeren. Er wordt een "statische-inverterfunctie" verkregen.

Roterende oplossing Deze UPS'en maken alleen gebruik van roterende machines om de inverterfunctie uit te voeren. Er wordt een "roterende-inverterfunctie" verkregen. In deze UPS'en worden in feite een motor en generator gecombineerd met een zeer versimpelde statische inverter. De inverter filtert netvoedingsstoringen uit en regelt alleen de frequentie van zijn uitgangsvoltage (meestal in de vorm van een "blokgolf"), die een gereguleerde motor-/generatorset voedt. Deze set wordt soms met een vliegwiel gecombineerd. De motor-/generatorset wekt een uitgangsvoltagesinusgolf op, waarbij de uitgangsfrequentie van de inverter als referentie wordt genomen.

Fig. 5.2. Statische en roterende UPS'en.

Vergelijking Roterende oplossing De volgende argumenten worden dikwijls ten gunste van deze oplossing aangevoerd: • Hoge kortsluitstroom van de generator in de orde van 10 In (tien keer de nominale spanning) die het instellen van beveiligingsapparaten eenvoudiger maakt, • 150% overbelastingscapaciteit (van de nominale spannning) gedurende een langere periode (twee minuten in plaats van één), • Stroomafwaartse installatie die galvanisch is geïsoleerd van de stroomopwaartse wisselstroombron dankzij de motor-/generatorset, • Interne impedantie biedt hoge tolerantie voor de niet-lineaire belastingen die veelvuldig worden aangetroffen met de door computersystemen gebruikte omschakelende voeding.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 8

Soorten UPS'en (vervolg)

Statische oplossing Vergeleken met de voordelen van roterende oplossingen De statische UPS'en van Schneider Electric bieden onderstaande voordelen. • Gebruik in stroombegrenzingsmodus (bijv. tot 2,33 In voor Galaxy 5000) met gegarandeerde selectiviteit voor circuits berekend tot In/2. Deze voorzieningen, die in de praktijk meer dan voldoende blijken, kunnen de nadelen van roterende systemen voorkomen: - oververhitting van kabels, - de effecten van een overmatige kortsluitstroom en de corresponderende spanningsval voor gevoelige apparaten, in de tijd die door beveiligingsapparatuur wordt gebruikt om de storing te verhelpen. • 150% overbelastingcapaciteit (van de nominale spanning) gedurende een minuut. De overbelastingcapaciteit van twee minuten heeft geen praktisch nut, aangezien de meeste overbelastingen zeer kortstondig zijn (minder dan een seconde, bijv. inschakelstroom van motoren, transformatoren en vermogenselektronica). • Galvanische isolatie, indien vereist, door middel van een isolerende transformator. • Dubbele-conversiemodus die de belasting volledig isoleert van netvoeding en de uitgangsspanning regenereert met nauwkeurige afstemming van de voltageamplitude en de frequentie. • Zeer lage interne impedantie voor betere prestaties met niet-lineaire belastingen door het gebruik van vermogenstransistortechnologieën. Andere voordelen ) Statische oplossingen bieden ook nog vele andere voordelen, dankzij de vermogenstransistortechnologie gecombineerd met een PWM (pulsbreedtemodulatie) -choppertechniek. • Vereenvoudigd totaalontwerp, met minder onderdelen en aansluitingen en minder mogelijke oorzaken van storing. • In staat om direct te reageren op fluctuaties in netstroomamplitude en -frequentie door middel van microprocessor-omschakelregeling op basis van digitalesampletechnieken. De voltageamplitude gaat in minder dan 10 milliseconden terug naar gereguleerde omstandigheden (± 0,5% of ± 1%, afhankelijk van het model) voor belastingsstapwijzigingen tot 100%. Binnen de aangegeven tijdsinterval produceert een dergelijke wijziging in de belastingsstap een variatie in de belastingsspanning van minder dan bijvoorbeeld ± 2% voor Galaxy PW en Galaxy 5000. • Hoge, constante efficiency ongeacht de percentage belasting, wat een groot voordeel is voor redundante UPS-eenheden met belastingen met laag percentage. Een statische UPS-eenheid met een belasting van 50% behoudt een hoge efficiency (94%), terwijl de efficiency van een roterende UPS naar het 88-90%-bereik daalt (gebruikelijke waarde), wat een direct effect heeft op de bedrijfskosten. • Redundante configuraties zorgen voor een hoge beschikbaarheid in het kader van superbetrouwbare voedingssystemen (bijv. voor datacenters). • Mogelijke integratie in redundante architecturen met afzonderlijke functies die het onderhoud vergemakkelijken door onderdelen van de installatie te isoleren. In roterende systemen zijn de UPS, de reservevoeding en de generator in één enkele component met elkaar geïntegreerd, waardoor de functies niet kunnen worden gescheiden. • Geen enkelvoudige storingspunten. Roterende systemen met een ingebouwd vliegwiel zijn afhankelijk van de capaciteit van de motor om snel te kunnen starten (meestal in minder dan 12 seconden). Dit betekent dat de motor in perfecte conditie moet zijn en deugdelijk moet worden onderhouden. Indien de motor niet start, is er geen tijd om de kritische belastingen op een geordende wijze uit te schakelen. ) Overweeg ook de volgende niet onbelangrijke voordelen: • kleinere afmetingen en lager gewicht, • geen slijtage aan roterende onderdelen, waardoor het onderhoud eenvoudiger en sneller is. Zo zijn voor roterende systemen controles van de uitlijning van de roterende onderdelen vereist. Daarnaast is de vervanging van de lagers na 2 tot 6 jaar een grote operatie (apparatuur optillen, verwarmen en afkoelen van de lagers tijdens het vervangen). Conclusie De hierboven beschreven voordelen verklaren waarom statische UPS'en het populairst zijn, in het bijzonder voor toepassingen met hoog vermogen. ) In het vervolg wordt met de term uninterruptible power supply (UPS) de statische oplossing bedoeld. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 9


Soorten statische UPS'en

Standaarden UPS'en

Vanwege de enorme toename van het aantal gevoelige ladingen, omvat de term "UPS" thans apparaten die variëren van een paar honderd VA voor desktopcomputers tot meerdere MVA voor datacenters en telecommunicatiewebsites. Tegelijkertijd zijn verschillende typologieën ontwikkeld. De namen waarmee de producten op de markt worden aangeduid zijn niet altijd even duidelijk (of zelfs misleidend) voor de eindgebruiker. Daarom heeft de IEC (Internationale Elektrotechnische Commissie) normen in het leven geroepen waaraan de soorten UPS'en en de technieken voor het meten van hun prestaties onderworpen zijn. Deze criteria zijn overgenomen door Cenelec (Europees Comité voor elektrotechnische normalisatie). In norm IEC 62040-3 en het Europese equivalent EN 62040-3 worden drie standaard-UPS-typen (topologieën) en hun prestatieniveau beschreven. De UPS-technologieën omvatten: ● Passieve stand-by, ● Line-interactive, ● Dubbele conversie.

Wisselstroom-ingangsvoeding Deze definities betreffen de stroombron voor het gebruik van de UPS, met inbegrip van het distributiesysteem stroomopwaarts van de UPS. In de normen worden de volgende termen gedefinieerd: • Primaire voeding: stroom die normaal gesproken continu beschikbaar is en geleverd wordt door een elektriciteitsbedrijf, maar die soms ook door de gebruiker zelf wordt opgewekt, • Stand-byvoeding: stroom die bedoeld is als vervanging van de primaire voeding in het geval van een primaire-stroomstoring, Een UPS beschikt over een of twee ingangen: • Normale wisselstroomingang (of Netvoeding 1), geleverd door primaire stroom, • Wisselstroom-bypassingang (of Netvoeding 2), geleverd door stand-byvoeding (meestal via een afzonderlijke kabel van hetzelfde MLVS (Main Low-Voltage Switchboard).

UPS in passieve stand-bymodus ) De UPS is parallel aan de voeding geïnstalleerd en fungeert als reservevoeding. De batterij wordt geladen door een oplader die onafhankelijk is van de inverter.

Werkingsprincipe

• Normale modus - De inverter werkt in de passieve stand-bymodus. - De belasting wordt gevoed door de netvoeding via een filter dat bepaalde storingen elimineert en de spanning in bepaalde mate regelt. - In de normen wordt dit filter niet vermeld; er wordt eenvoudigweg gesproken over een "UPS-schakelaar". Er wordt ook aangegeven dat "er extra apparaten ingebouwd kunnen zijn om de stroom te conditioneren, bijv. een ferroresonante transformator of automatische vermogenstransformator". • Batterijreservemodus - Wanneer de wisselstroomspanning zich buiten de gespecificeerde toleranties bevindt voor de UPS, of de netstroom wordt onderbroken, nemen de inverter en de batterij het over, zodat na een zeer korte overdrachtstijd (meestal minder dan 10 ms) een continue stroomtoevoer naar de belasting plaatsvindt. In de normen wordt geen tijd vermeld, maar ze geven wel aan dat "de lading direct naar de inverter [wordt] overgebracht of via de UPS-schakelaar (die elektronisch of elektromechanisch kan zijn)". - De UPS blijf op batterijstroom werken tot het einde van de batterijreservetijd of totdat de netstroom weer normaal functioneert, wat een overdracht van de belasting terug naar de wisselstroomingang oproept (normale modus).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 10


Fig. 5.3. UPS in passieve stand-bymodus.

Voordelen

• Simpel diagram. • Minder kosten.

Nadelen

• Geen werkelijke isolatie van de belasting ten opzichte van het stroomopwaartse distributiesysteem. • Overdrachttijd. Werkt zonder een echte statische schakelaar. Er is dus een bepaalde tijd vereist om de belasting aan de inverter over te dragen. Deze tijd is acceptabel voor bepaalde individuele toepassingen, maar niet compatibel met de prestaties die vereist zijn voor meer verfijnde, gevoelige systemen (grote computercentra, telefooncentrales, enz.). • Geen regeling van de uitgangsfrequentie, die gewoon hetzelfde is als die van de netstroom.

Gebruik Deze configuratie is eigenlijk een compromis tussen een acceptabel beveiligingsniveau tegen storingen en hoge kosten. Praktisch gezien betekenen de genoemde nadelen dat dit type UPS alleen kan worden gebruikt voor laag nominaal vermogen (< 2 kVA) en niet kan worden ingezet als frequentieomzetter.

UPS in line-interactive modus ) De inverter is parallel verbonden met de wisselstroomingang in een standbyconfiguratie en laadt tevens de batterij op. Er vindt dus interactie plaats (reversibele bedrijfsmodus) met de ingangsbron van wisselstroom.

Werkingsprincipe

• Normale modus De belasting wordt gevoed met geconditioneerde stroom via een parallelle verbinding van de wisselstroom en de inverter. Zolang de netstroom binnen de toleranties blijft, worden fluctuaties in het ingangsvoltage door de inverter gereguleerd. In het andere geval (reversibele bedrijfsmodus) wordt de batterij geladen. De uitgangsfrequentie hangt af van de frequentie van de wisselstroom. • Batterijreservemodus - Wanneer de ingangsspanning van de wisselstroom zich buiten de gespecificeerde toleranties bevindt voor de UPS, of de netstroom wordt onderbroken, nemen de inverter en de batterij het over, zodat een continue stroomtoevoer naar de belasting plaatsvindt. De stroomschakelaar (bijv. statische schakelaar) schakelt ook de wisselstroomingang uit om te voorkomen dat stroom uit de inverter zich stroomopwaarts beweegt. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 11


- De UPS blijf op batterijstroom werken tot het einde van de batterijreservetijd of totdat de netstroom weer normaal functioneert, wat een overdracht van de belasting terug naar de wisselstroomingang oproept (normale modus). • Bypassmodus Deze UPS-soort kan uitgerust zijn met een bypass. Als een van de UPS-functies uitvalt, kan de belasting worden overgedragen aan de bypass-wisselstroomingang via de onderhoudsbypass.

Fig. 5.4. UPS in line-interactive modus.

Voordelen

• De kosten kunnen lager zijn dan die voor een UPS met dubbele conversie met eenzelfde nominaal vermogen, omdat de inverter niet continu in bedrijf is.

Nadelen

• Geen werkelijke isolatie van de belasting ten opzichte van het stroomopwaartse distributiesysteem en daardoor: - gevoelig voor variaties in de netspanning en veelvuldig gebruik van de inverter, - invloed van stroomafwaartse, niet-lineaire belastingen op de stroomopwaartse ingangsspanning. • Geen regeling van de uitgangsfrequentie, die gewoon hetzelfde is als die van de netstroom. • Matige conditionering van de uitgangsspanning, omdat de inverter niet in series wordt geïnstalleerd met de wisselstroomingang. In de norm wordt gesproken over "geconditioneerde stroom" gegeven de parallelle verbinding van de wisselstroomingang en de inverter. Conditionering wordt echter beperkt door de gevoeligheid voor stroomop- en afwaartse fluctuaties in de spanning en de reversibele bedrijfsmodus van de inverter. • Efficiency is afhankelijk van: - de soort belasting. Bij niet-lineaire belastingen bevat de opgenomen spanning harmonischen die de grondfrequentie veranderen. De harmonische spanningen worden gevoed door de reversibele inverter die het voltage regelt en daardoor wordt de efficiency beduidend lager. - het percentage belasting. De stroom die vereist is voor het laden van de batterij neemt steeds meer toe naarmate de percentage belasting vermindert. • Vanwege het ontbreken van een statische bypass, komt er een enkelvoudig storingspunt voor, d.w.z. bij storingen wordt de UPS uitgeschakeld.

Gebruik Deze configuratie is niet geschikt voor regulering van gevoelige belastingen in het middelhoge tot hoge vermogensbereik omdat regeling van frequenties niet mogelijk is. Om deze reden wordt de configuratie nagenoeg altijd gebruikt voor laag vermogen.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 12


UPS'en met dubbele conversie ) De inverter wordt in series tussen de wisselstroomingang en de toepassing verbonden. De aan de belasting geleverde voeding blijft continu door de inverter stromen.

Werkingsprincipe

• Normale modus Tijdens normaal bedrijf passeert alle aan de belasting geleverde stroom door de gelijkrichter/oplader en inverter die samen een dubbele conversie uitvoeren (AC-DCAC), vandaar de benaming. Het voltage wordt voortdurend geregenereerd en geregeld. • Batterijreservemodus - Wanneer de ingangsspanning van de wisselstroom zich buiten de gespecificeerde toleranties bevindt voor de UPS, of de netstroom wordt onderbroken, nemen de inverter en de batterij het over, zodat een continue stroomtoevoer naar de belasting plaatsvindt. - De UPS blijf op batterijstroom werken tot het einde van de batterijreservetijd of totdat de netstroom weer normaal functioneert, wat een overdracht van de belasting terug naar de wisselstroomingang oproept (normale modus). • Bypassmodus Deze UPS-soort omvat een statische bypass (soms een statische schakelaar genoemd) die zorgt voor een overdracht zonder onderbreking van de belasting van de inverter naar de netstroom en terug. In de volgende gevallen wordt de belasting overgebracht naar de statische bypass: - UPS-storing, - overgangen van belasting naar spanning (inschakelstroom of uitvalstroom), - overbelastingen, - eind van de batterijreservetijd. De aanwezigheid van een statische bypass geeft aan dat de ingangs- en uitgangsfrequenties gelijk zijn. Dit betekent dat de UPS niet als frequentieomzetter kan worden gebruikt. Als de voltageniveaus niet gelijk zijn aan elkaar, is een bypasstransformator vereist. De UPS is gesynchroniseerd met de wisselstroomingang van de bypass voor gegarandeerde overdrachten zonder onderbreking van de inverter naar de bypasslijn. Opmerking. Een andere bypassleiding, vaak de onderhoudsbypass genoemd, is beschikbaar voor onderhoudsdoeleinden. Deze wordt met een handmatige schakelaar gesloten.

Fig. 5.5. UPS'en met dubbele conversie.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 13


Voordelen

• Volledige regeneratie van de uitgangsstroom, ongeacht of deze afkomstig is van de netvoeding of de batterij. • Belasting is compleet geïsoleerd van het distributiesysteem en zijn storingen. • Zeer ruim bereik van de ingangsspanning, maar een nauwkeurige regeling van de uitgangsspanning. • Onafhankelijkheid van de ingangs- en uitgangsfrequenties, waardoor de uitgangsfrequentie binnen strenge toleranties ligt. Vermogen om als frequentieomzetter te fungeren (indien dit is gepland), door de statische schakelaar uit te schakelen. • Veel hogere prestatieniveaus bij stationaire en overgangstoestanden. • Onmiddellijke overgang naar batterijreservemodus als de netstroom uitvalt. • Overdracht zonder onderbreking naar een bypassleiding (bypassmodus). • Handmatige bypass (veelal standaard) ten behoeve van onderhoud.

Nadelen

• Hogere prijs, maar deze wordt gecompenseerd door de vele voordelen.

Gebruik Deze configuratie is het meest compleet wat betreft beveiliging van de belasting, regelmogelijkheden en prestatieniveaus. Hij zorgt met name voor onafhankelijkheid van de uitgangsspanning en -frequentie ten opzichte van de ingangsspanning en frequentie. De vele voordelen maken dat het nagenoeg de enige configuratie is die wordt gebruikt voor middelhoge en hoge vermogens (vanaf 10 kVA).

Conclusie UPS'en met dubbele conversie vertegenwoordigen het merendeel van de systemen met middelhoog tot hoog vermogen dat wordt verkocht (95% beginnend vanaf enkele kVA en 98% voor 10 kVA en hoger). Dit is te danken aan de vele sterke punten waarmee ze tegemoetkomen aan de behoeften van gevoelige belastingen op dit vermogensniveau, en grotendeels het resultaat van de in series met de wisselstroom verbonden inverter. Bovendien hebben ze zeer weinig zwakke punten, afgezien van de hoge kosten die nu eenmaal verbonden zijn aan het kunnen beschikken over prestaties die vaak onmisbaar zijn gegeven de kritische aard van de beveiligde belastingen. Een ander zwak punt zijn de iets hogere energieverliezen (een paar procent). In de vermogensklassen die we hier bedoelen, spelen de andere technologieën slechts een marginale rol, ondanks dat de kosten duidelijk lager liggen. Ze hebben de hieronder genoemde nadelen. • Geen spanningsregeling voor UPS'en in de passieve stand-bymodus • Geen frequentieregeling voor UPS'en in de passieve stand-bymodus en UPS'en in line-interactivemodus. • Matige isolatie (vaak een spanningsbeveiliging) van de wisselstroomingang door de parallelle configuratie van de inverter. Conclusie ) Voor de lagere vermogens (< 2 kVA) is er weinig verschil tussen de drie standaardtechnologieën. Welke van de drie typologieën wordt gekozen, wordt uiteindelijk bepaald door de kosteneffectiviteit van de beveiligingsfuncties in verhouding tot de door de belastingen gestelde eisen en de risico's (voor mensen, productie, enz.). ) Voor hogere vermogens worden bijna alleen UPS'en met dubbele conversie gebruikt.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 14


UPS'en met delta onlineconversie Dit UPS-ontwerp, dat wordt geïllustreerd in Figuur 5.6, is een wat recentere, 10 jaar oude technologie die geïntroduceerd is om de nadelen van het ontwerp met dubbele onlineconversie te ondervangen en is verkrijgbaar in formaten van 5 kVA tot 1,6 MW. Net zoals bij het ontwerp met dubbele onlineconversie, is het bij de UPS met delta onlineconversie altijd de inverter die de belasting voedt. De extra deltaomzetter draagt echter ook bij aan het voeden van de inverteruitgang. Wanneer de wisselstroom uitvalt of als er storingen zijn, vertoont dit ontwerp hetzelfde gedrag als de modellen met dubbele onlineconversie

STATIC BYPASS SWITCH

DELTA TRANSFORMER

AC

AC DC

DC

MAIN INVERTER

DELTA CONVERTER

BATTERY

Figuur 5.6: UPS met delta onlineconversie

Een gemakkelijke manier om inzicht te krijgen in de energie-efficiency van de deltaconversietopologie is stil te staan bij de energie die vereist is om een pakket van de 4e naar de 5e verdieping van een gebouw te brengen, zoals geïllustreerd in Figuur 5.7. De deltaconversietechnologie bespaart energie doordat het pakket alleen hoeft te worden gedragen over het verschil (de delta) tussen begin- en eindpunt. De UPS met dubbele onlineconversie converteert de stroom naar de batterij en weer terug, terwijl de deltaomzetter componenten van de stroom van ingang naar uitgang verplaatst.

DOUBLE CONVERSION

4th Floor

X

DELTA CONVERSION

5th Floor

4th Floor

X

5th Floor

Figuur 5.7: Analogie van dubbele conversie versus deltaconversie

In het ontwerp met delta onlineconversie dient de deltaomzetter een dubbel doel. Het eerste is het controleren van de ingangsstroomkenmerken. Dit actieve front-end neemt op sinusvormige wijze stroom op, waardoor de harmonischen die in de netvoeding zijn ontstaan, worden geminimaliseerd. Hierdoor ontstaat een optimale compatibiliteit tussen netstroomsysteem en generator, waardoor opwarming en slijtage in het stroomdistributiesysteem beperkt worden. De tweede functie van de deltaomzetter is het controleren van de ingangsspanning om het laden van het batterijsysteem te kunnen reguleren.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 15


De UPS met delta onlineconversie biedt dezelfde uitgangskenmerken als het ontwerp met dubbele onlineconversie. De ingangskenmerken verschillen echter dikwijls van elkaar. Modellen met delta onlineconversie bieden dynamisch gecontroleerde, met een vermogensfactor gecorrigeerde ingangsspanning, zonder het inefficiënte gebruik van filters die we bij de traditionele oplossingen zien. Het belangrijkste voordeel is een aanzienlijk lager verlies van energie. De controle van ingangsstroom maakt de UPS compatibel met alle generatorsets, waardoor er minder behoefte is aan bedrading en zeer grote generatoren. Technologie met delta onlineconversie is tegenwoordig de enige UPS-coretechnologie die wordt beschermd door patenten en is daardoor maar bij een klein aantal UPS-leveranciers verkrijgbaar. In stationaire toestand stelt de deltaomzetter de UPS in staat de belasting op een veel efficiëntere wijze te voeden dan het geval is bij het ontwerp met dubbele conversie.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 16

UPS-componenten en hun werking (vervolg)

Componenten van een UPS

De informatie die hieronder wordt gegeven betreft UPS'en met dubbele conversie, de technologie die het meest wordt toegepast door Schneider Electric voor vermogens groter dan 10 kVA.

Algemeen diagram van een UPS In onderstaand diagram heeft elk onderdeel een nummer dat overeenkomt met de secties op de volgende pagina's.

Fig. 5.6. De componenten van een UPS.

Stroombronnen en UPS-ingangen Een UPS beschikt over een of twee ingangen: • Normale wisselstroomingang (of Netvoeding 1), geleverd door primaire voeding, • Wisselstroom-bypassingang (of Netvoeding 2), geleverd door stand-byvoeding (meestal via een afzonderlijke kabel van hetzelfde MLVS (Main Low-Voltage Switchboard). Î Bronnen van wisselstroom, zie p. 9. Aansluiting van de UPS op zowel de primaire als stand-bybron (UPS-ingangen gevoed door twee afzonderlijke circuits van de MLVS) wordt aangeraden omdat daardoor de betrouwbaarheid van het systeem in zijn geheel zal toenemen. Als er echter niet twee gescheiden circuits van de MLVS beschikbaar zijn, is het mogelijk beide wisselstroomingangen (normaal en bypass) te voorzien van primaire voeding (tweede kabel). Het beheer van de overdrachten tussen beide ingangsleidingen wordt als volgt geregeld: • De UPS synchroniseert de uitgangsspanning van de inverter met die van de bypassleiding zolang de laatste binnen de toleranties valt. Indien nodig kan de statische schakelaar daardoor de belasting overdragen aan de bypasswisselstroomingang, zonder onderbreking (omdat beide voltages gesynchroniseerd zijn en in fase) of storingen (omdat de stand-bystroom binnen de toleranties valt) voor de belasting. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 17


• Als de stand-bystroom niet binnen de toleranties valt, wordt de inverter gedesynchroniseerd en de overdracht uitgeschakeld. Deze kan dan echter wel handmatig worden uitgevoerd.

Componenten van een UPS Gelijkrichter/oplader (1)

Draagt de wisselstroom over van de primaire stroombron naar gelijkstroomvoltage en -spanning ten behoeve van: • Het voeden van de inverter, • Het laden en druppelladen van de batterij.

Inverter (2) Gebruikt de gelijkstroom die is geleverd door de: • Gelijkrichter tijdens normaal bedrijf, • Batterij tijdens autonoom bedrijf, de inverter regenereert een sinusvormig uitgangssignaal volledig, binnen strenge toleranties voor amplitude en frequentie.

Batterijen (3) Zorgen ervoor dat de UPS onafhankelijk kan zijn van de netvoeding in het geval van: • Uitval van de netstroom, • Netstroomeigenschappen buiten gespecificeerde toleranties voor de UPS. Batterijreservetijden variëren standaard van 6 tot 30 minuten en kunnen op verzoek worden uitgebreid. Afhankelijk van de duur van de reservetijd, is de batterij ondergebracht in de kast van de UPS of in een afzonderlijke kast.

Statische bypass (4) Met behulp van een statische schakelaar wordt de belasting van de inverter overgedragen aan de bypass, zonder onderbreking* in de stroomtoevoer voor de belasting (geen onderbreking omdat de overdracht wordt uitgevoerd door elektronische in plaats van mechanische componenten). De statische schakelaar is alleen mogelijk als de frequenties stroomopwaarts en stroomafwaarts van de UPS identiek zijn. De overdracht vindt automatisch plaats door een van de volgende redenen: • Bewuste uitschakeling van de UPS, • Een overbelasting die de begrenzingscapaciteit van de inverter overschrijdt (deze overdracht kan worden uitgeschakeld), • Een interne storing. De overdracht kan ook handmatig worden uitgevoerd. * Overdracht zonder onderbreking is mogelijk als de voltages bij de inverteruitgang en op de bypass-wisselstroomingang gesynchroniseerd zijn. De UPS onderhoudt de synchronisatie zolang de stand-bystroom binnen de toleranties valt.

Handmatige bypass (5) Voor onderhoudsdoeleinden wordt de belasting via een handmatige schakelaar overgebracht aan de bypass. Dit kan alleen mogelijk als de frequenties stroomopwaarts en stroomafwaarts van de UPS identiek zijn. De overgang naar de handmatige bypassmodus wordt uitgevoerd via handmatige schakelaars.

Handmatige schakelaars (6, 7, 8) Deze apparaten zorgen voor isolatie van de gelijkrichter/oplader en invertermodules en/of de bypassleiding voor reparaties en onderhoud.

Stroomonderbreker van batterij (9) De stroomonderbreker van de batterij beschermt de batterij tegen overmatige ontlading, en de gelijkrichter/oplader en inverter tegen kortsluiting van de batterij.

Stroomopwaartse, isolerende transformator (10) (optionele apparatuur) Voorziet de UPS van ingangs-/uitgangsisolatie wanneer de stroomafwaartse installatie via de bypass wordt gevoed. Dit is met name nuttig als de stroomopwaartse en stroomafwaartse aardingssystemen van elkaar verschillen. Kan in de Galaxy PW-serie worden geïnstalleerd in de UPS-kast. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 18


Transformator met spanningsaanpassing (11) (optionele apparatuur) Past de spanning aan de gewenste waarde aan.

Filters (12) (optionele apparatuur) • Stroomopwaarts van de gelijkrichter/oplader, mits deze het op thyristors gebaseerde Graetz-schakelingstype is (dit is het geval bij de UPS'en Galaxy PW en 9000), zorgt een harmonische filter (zie “Belangrijke factoren in UPS-installaties” p. 24) voor beperking van de stroomharmonischen die het resultaat zijn van het omschakelen van de gelijkrichterthyristors. Hierdoor wordt de spanningsvervorming van de stroomopwaartse busbars beperkt die het gevolg is van het stromen van harmonische spanningen (over het algemeen is een niveau van <5% vereist). Bovendien zijn deze UPS'en van Schneider Electric standaard uitgerust met een zeer grote neutrale geleider als oplossing voor de gevolgen van derde harmonischen en hun veelvouden die in de neutrale geleider stromen. • Alle andere UPS'en uit de Galaxy- en Symmetra-series zijn uitgerust met een gelijkrichter van het PFC-type, waardoor een filter overbodig is (zie “Belangrijke factoren in UPS-installaties” p. 24). • Stroomafwaarts kunnen UPS'en waarbij nieuwe PWM-choppertechnieken zijn geïmplementeerd, direct worden verbonden met niet-lineaire belastingen. Dankzij deze techniek zijn UPS'en van Schneider Electric in staat de totale harmonische vervorming onder de 3% te houden.

Ingebouwde communicatie (13) (14) Naast de noodzaak van een gebruikersvriendelijke human/machine-interface (HMI) voor effectieve bewaking van UPS'en, is het tegenwoordig steeds belangrijker dat UPS'en kunnen communiceren met hun elektrische en computeromgeving (supervisiesystemen, BMS-systemen (building management systems;gebouwbeheersystemen), computerbeheersystemen, enz.). De UPS'en van Schneider Electric worden ontworpen met ingebouwde capaciteit voor een allesomvattende communicatie: • Een gebruikersvriendelijke HMI (Human-machine interface) met een geavanceerde grafische display en nabootsingsspaneel. De interface is opgebouwd rond systemen voor automatische bewaking en zelfdiagnose, die doorlopend aangeven wat de status van de verschillende UPS-componenten is, met name van de batterijen. Voor de Galaxy-serie geldt bijvoorbeeld het volgende: - het Digibat-systeem bewaakt doorlopend de status van de batterij met alle functies voor batterijbeheer, - het B2000- of Cellwatch-systeem voor batterijbewaking detecteert en lokaliseert onmiddellijk eventuele storingen in de batterij en biedt proactieve bewaking. Voor de Symmetra-series geldt het volgende: - Dit in een rack te bevestigen (1U) Schneider Electric-batterijbeheersysteem, dat toegankelijk is via een webbrowser, combineert batterijcontrole en -tests met afzonderlijke snellaadmogelijkheden voor piekprestaties van de batterij. • Een groot aantal communicatiekaarten die compatibel zijn met de marktstandaarden: - Netwerkbeheerkaart (Ethernet) - Modbus – Jbus-kaart (RS232 en RS485) - Relaiskaart (potentiaalvrije contacten) voor indicaties - Teleservice-modemkaart Met deze kaarten kunnen functies worden geïmplementeerd voor supervisie, meldingen, gecontroleerd uitschakelen en Teleservice. Î Human-machine interface en communicatie: zie “Belangrijke factoren in UPSinstallaties” p. 49.

Stroomopwaartse en/of stroomafwaartse distributie- en beveiligingsapparaten (15) (16) (optionele apparatuur) De UPS kan eventueel worden aangevuld met de volgende apparaten: • Stroomopwaartse laagspannings-stroomonderbrekers voor de wisselstroomingangen (normaal en bypass), • Stroomopwaarts laagspanningsschakelbord met beveiliging van de stroomonderbrekers voor de wisselstroomingangen (normaal en bypass), Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 19


• Stroomafwaarts laagspanningsschakelbord met beveiliging van de stroomonderbrekers voor de verschillende uitgaande circuits. Schneider Electric biedt een selectie van UPS'en en beveiligingsapparaten die perfect op elkaar zijn afgestemd wat betreft vermogen en prestaties.

Complete oplossingen

Hoofdkenmerken van UPScomponenten

Schneider Electric kan samen met Schneider Electric complete oplossingen bieden die alle eerder genoemde componenten bevatten, met inbegrip van airconditioningoplossingen voor datacenters. Het voordeel voor de gebruiker is dat hij maar met één partner te maken heeft en kan beschikken over een installatie met optimale prestaties en betrouwbaarheid. Deze kenmerken zijn gebaseerd op de technische hoofdspecificaties die worden beschreven in de normen IEC 62040-3 / EN 62040-3 inzake prestatievereisten voor UPS'en. Bepaalde termen die hier worden gebruikt verschillen van het populaire jargon en een aantal nieuwe functies zijn nog niet door de fabrikanten opgenomen. Nieuwe termen of kenmerken die in de norm worden genoemd, worden tussen haakjes geplaatst en voorafgegaan door een sterretje. Zo wordt de titel van een sectie "ingangsspanning bij druppelladen van batterij", een veelgebruikte term, gevolgd door (*nominale ingangsspanning), de in de norm gebruikte term. Een aantal numerieke waarden wordt slechts als voorbeeld gebruikt. Ze zijn grotendeels afkomstig uit de technische kenmerken van de corresponderende UPS'en, die te vinden zijn in hoofdstuk 4, of dienen alleen maar als voorbeeld.

Wisselstroom-ingangsvoeding Aantal fases en aardingssysteem

De wisselstroom-ingangsvoeding (primaire voeding) is driefasig + neutraal. Enkelfasige ingangen worden niet gebruikt voor het stroomniveau dat we in dit bestek behandelen. Het aardingssysteem wordt normaal gesproken opgelegd door normen (IT, TT, TNS of TNC).

Normale wisselstroomingang De normale wisselstroomingang wordt binnen de gespecificeerde toleranties gevoed met netstroom voor de gelijkrichter/oplader. • Voorbeeld: 400 V rms ± 15% bij een frequentie van 50 of 60 Hz ± 5%, driefasig.

Bypass-wisselstroomingang De bypass-wisselstroomingang wordt gevoed met stand-bystroom. Dit is in feite een kabel die is aangesloten op een netvoedingslijn in een andere MLVS dan die de normale wisselstroomingang voedt. Over het algemeen beschikt de toegevoerde spanning over dezelfde kenmerken als die van de primaire voeding. • Voorbeeld: 400 V rms ± 15% bij een frequentie van 50 of 60 Hz ± 5%, en een kortsluitstroom Isc2 = 12,5 kA. De kortsluitstroom is belangrijke informatie voor de stroomafwaartse beveiligingsapparaten indien de statische of onderhoudsbypass wordt gebruikt. Toevoer van gescheiden primaire en stand-byvoeding wordt aanbevolen omdat dit de algehele betrouwbaarheid van het systeem verbetert, maar is niet verplicht. Als er echter niet twee gescheiden circuits van de MLVS beschikbaar zijn, is het mogelijk beide wisselstroomingangen (normaal en bypass) te voorzien van primaire voeding (tweede kabel).

Gelijkrichter/oplader Druppelspanning

Dit is de spanning die door de gelijkrichter/oplader wordt toegevoerd, waardoor de batterij volledig geladen blijft. Hoeveel spanning wordt toegevoerd wordt bepaald door de soort batterijen die gebruikt wordt en de aanbevelingen van de fabrikant.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 20


Ingangsspanning bij druppelladen van batterij (* nominale ingangsspanning) Dit is de spanning die, onder normale bedrijfsomstandigheden, vereist is om de inverter naar zijn vermogen te voeden tijdens het druppelladen van de batterij. ) Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA Galaxy PW met een batterijreservetijd van 10 minutes, is deze spanning I ingangsspanning van de druppellading = 166 A tijdens het druppelladen van de batterij.

Ingangsspanning tijdens laden van de batterij Deze correspondeert met de spanning die benodigd is om de inverter naar zijn vermogen te voeden tijdens het laden van de batterij. De spanning is dus hoger dan de vorige spanning en wordt gebruikt om de ingangskabels van de oplader naar grootte te rangschikken. ) Bijvoorbeeld: voor dezelfde UPS als hierboven, is de ingangsspanning I ingangsspanning van de druppellading = 182 A, d.w.z. hoger dan hierboven omdat het nodig is de batterij te laden. Maximale ingangsspanning Dit is de ingangsspanning wanneer de UPS onder de slechtst mogelijke omstandigheden van toegestane overbelasting in bedrijf is, met een ontladen batterij. Deze ingangsspanning is hoger dan de bovengenoemde spanning tijdens het laden van de batterij (vanwege de overbelastingsspanning) maar is van beperkte duur (net zoals de overbelasting). ) Bijvoorbeeld: voor dezelfde UPS als hierboven, kan de Galaxy PW gedurende tien minuten een overbelasting van 25% accepteren en gedurende één minuut een overbelasting van 50%. In de slechtste situatie waarin de batterij wordt geladen, kan de ingangsspanning de volgende waarde bereiken: I ingangsmax. = 182 A x 1,25 = 227,5 A gedurende tien minuten, I ingangsmax. = 182 A x 1,5 = 273 A gedurende één minuut. Boven de genoemde limieten initieert de UPS een overdracht zonder onderbreking van de belasting aan de bypassleiding. Als de overbelasting voorbij is of is opgelost door de betreffende beveiligingsapparaten, vindt automatisch een overdracht terug plaats.

Batterij (* middelen voor energieopslag) Type

Welke kenmerken een batterij heeft, wordt bepaald door de soort batterij (geventileerd of afgedicht loodzuur, of nikkel/cadmium) en hoe deze wordt geïnstalleerd. Schneider Electric suggereert in een kast geplaatste afgedichte loodzuurbatterijen.

Levensduur Deze wordt gedefinieerd als de gebruiksperiode, onder normale gebruiksomstandigheden, gedurende welke de batterij ten minste 50% van de initiële reservetijd levert. ) De Galaxy PW bijvoorbeeld, wordt standaard gevoed via afgedichte loodzuurbatterijen met een levensduur van tien jaar of langer. Deze soort batterij, berekend op 30 minuten reservetijd, zal aan het eind van de gespecificeerde levensduur slechts 15 minuten reservetijd leveren. Is de batterij altijd onder optimale omstandigheden gebruikt (vooral wat betreft de temperatuur) dan zou de reservetijd langer kunnen zijn. Wat echter contractueel is vastgelegd, is dat er niet minder dan de gespecificeerde reservetijd wordt geleverd, tenzij het apparaat ondeugdelijk wordt gebruikt.

Werkingsmodi De batterij kan: • Laden. De batterij neemt oplaadspanning op (I1 oplading) die wordt geleverd door de gelijkrichter/oplader. • Druppelladen. De batterij neemt een lage, zogenaamde druppelspanning (I1 druppellading) op, die geleverd wordt door de gelijkrichter/oplader. De lading wordt behouden door compensatie van verliezen in het open circuit. • Ontladen. De inverter wordt door de batterij gevoed totdat de uitschakelingsspanning is bereikt.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 21


Wanneer dit door de batterijfabrikant ingestelde voltage is bereikt, wordt de batterij automatisch uitgeschakeld (UPS'en van Schneider Electric) om schade door overontlading te voorkomen.

Nominaal voltage Dit is de gelijkstroomuitgangsspanning die de batterij aan de inverter levert. ) Bijvoorbeeld: 450 V gelijkstroom voor de Galaxy PW-serie.

Capaciteit: De capaciteit van de batterij wordt uitgedrukt in ampère/uur. ) Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA Galaxy PW uitgerust met een batterij met tien minuten reservetijd en een levensduur van vijf jaar, is de capaciteit 85 A/h.

Aantal cellen Het aantal individuele batterijcellen dat de hele batterijserie vormt. ) Bijvoorbeeld: de batterij van een 100 kVA Galaxy PW omvat voor een gegeven batterijsoort 33 cellen die per cel 13,6 V leveren, voor een reservetijd van tien minuten.

Druppelspanning Dit is de gelijkstroomspanning waarmee de lading van de batterij door de gelijkrichter/oplader op peil wordt gehouden. ) Bijvoorbeeld: voor een Galaxy PW ligt de druppelspanning tussen 423 en 463 V gelijkstroom.

Reservetijd (* opgeslagen energietijd) Deze tijd, die wordt gespecificeerd aan het begin van de levensduur van de batterij, geeft aan hoe lang de batterij de inverter kan voeden bij een belasting op volledig vermogen als er geen wisselstroomvoeding beschikbaar is. ) Bijvoorbeeld: Galaxy PW biedt standaardreservetijden van 8, 10, 15, 20, 30 en 60 minuten. De tijd is afhankelijk van de percentage belasting van de UPS. • Voor een UPS die in bedrijf is bij een belasting op volledig vermogen (100% van het nominaal vermogen), is het einde van de batterijreservetijd bereikt wanneer de spanning van de batterij gezakt is naar het door de fabrikant gespecificeerde spanningsniveau voor uitschakeling. Hierdoor worden de UPS'en van Schneider Electric automatisch uitgeschakeld. • Voor een UPS die actief is bij een lagere percentage belasting (bijv. 75%), is de werkelijke reservetijd langer. Ook hier geldt echter dat de tijd voorbij is als de uitschakelingsspanning van de batterij is bereikt.

Oplaadtijd (* nominale tijd herstelde energie) Dit is de tijd die de batterij nodig heeft om 80% van de reservetijd te herstellen (90% van de capaciteit), uitgaande van de uitschakelingsspanning van de batterij. De voeding wordt via de gelijkrichter/oplader toegevoerd. ) Bijvoorbeeld: voor een Galaxy 5500-UPS bedraagt de oplaadtijd acht tot tien uur, afhankelijk van de batterij en reservetijd. De kans dat er twee keer in zo'n korte periode een beroep wordt gedaan op de batterij om stroom te leveren, is vrij klein. Dit betekent dat de aangegeven oplaadtijd representatief is voor de werkelijke prestatie.

Maximale batterijspanning (lb) Bij het ontladen voedt de batterij de inverter met een spannings-Ib die aan het eind van de ontlading zijn maximale waarde bereikt. Deze waarde bepaalt de mate van bescherming van de batterij en de kabelafmetingen. ) Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA Galaxy 5500, is deze spanning Ib max = 257 A.

Inverter

Nominaal vermogen (Sn) (* nominaal schijnbaar uitgangsvermogen) Dit is het maximale schijnbare vermogen Sn (kVA) dat de inverter kan leveren aan een lineaire belasting bij een vermogensfactor van 0,8, tijdens normaal bedrijf in stationaire toestanden.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 22


In de normen wordt deze parameter ook beschreven voor gebruik op batterijstroom. In theorie is het hetzelfde als de batterij het juiste formaat heeft. ) Bijvoorbeeld: een Galaxy 5500 met een nominaal vermogen (Sn) van 100 kVA.

Actief uitgangsvermogen (Pa) (* nominaal actief uitgangsvermogen voor lineaire of niet-lineaire referentiebelasting) Dit is de actieve uitgangs-Pa (kW) die overeenkomt met het nominaal schijnbaar uitgangsvermogen Sn (kVA), onder de bovengenoemde metingsomstandigheden. Deze waarde kan ook worden aangegeven voor een gestandaardiseerde nietlineaire referentiebelasting. ) Bijvoorbeeld: de vorige UPS, een Galaxy 5500 met een nominaal vermogen van 100 kVA levert een actief vermogen van Pa = Sn x 0,8 = 80 kW.

Nominale stroom (In) Dit is de stroom die overeenkomt met het nominale vermogen. ) Bijvoorbeeld: opnieuw voor een 100 kVA Galaxy 5500-UPS en een uitgangsspanning van 400 V, is deze stroom: 100000 Sn In = = = 144.3 A 400 x 1732 , Un 3

Schijnbaar belastingsvermogen (Su) en percentage belasting Dit is het schijnbaar belastingsvermogen Sn (kVA) dat feitelijk door de inverter aan de belasting wordt geleverd onder bepaalde bedrijfsomstandigheden. Deze waarde is een fractie van het nominale vermogen, afhankelijk van het percentage belasting. .Su ≤ Sn. en .Tc = Percentage belasting (%) = Su / Sn.. ) Bijvoorbeeld: voor de hierboven genoemde UPS geldt dat, als de inverter 3/4 van zijn nominale vermogen levert (75% belasting), er een schijnbaar vermogen van 75 kVA wordt geleverd, wat onder standaardbedrijfsomstandigheden (PF = 0,8) correspondeert met een actief belastingvermogen van Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW.

Belastingsspanning (Iu) Dit is de spanning die correspondeert met het belastingsvermogen, dat wil zeggen, met het betreffende percentage belasting. Deze waarde wordt berekend vanaf Pu, net zoals de nominale spanning, waarbij de spanning het nominale vermogen Un is (door de inverter geregelde waarde). ) Bijvoorbeeld: voor de hierboven genoemde UPS (75% belasting) Su 75000 Iu = = = 108,2 A 400 x 1732 , Un 3 wat gelijk is aan: .Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A

Efficiency (η) Dit is de verhouding van actief vermogen Pu (kW) geleverd door de UPS aan de belasting van de vermogens-Pin (kW) die deze bij de ingang opneemt, via de gelijkrichter of de batterij. .η= Pu / Pin. Bij de meeste UPS'en is de efficiency optimaal bij een volledige belasting, en daalt deze scherp als het belasting percentage lager is. Vanwege hun lage uitgangsimpedantie en onbelaste verliezen, is de efficiency van Galaxy-UPS'en nagenoeg stabiel voor belastingen van 25 tot 100%. De efficiency van de Galaxyserie is groter dan 90% vanaf belastingen van 25% tot 93% bij volledige belasting. Daarnaast is een ECO-modus beschikbaar die de efficiency met nog eens 4% vergroot, d.w.z. tot 97%. In de praktijk kan voor Galaxy-UPS'en een efficiencywaarde van 0,93 worden gebruikt voor alle ingangsstroomberekeningen voor belastingen van 30 tot 100%. ) Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA Galaxy met een belasting van 75%, komt 0,93 efficiency overeen met een UPS actief ingangsvermogen van Pin = Pu / η = 60/0,93 = 64,5 kW.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 23


Uitgangsspanning Un Aantal fasen De uitgang kan driefasig (3ph-3ph UPS) of enkelfasig (3ph-1ph UPS) zijn, afhankelijk van de situatie. Houd er rekening mee dat de stroomopwaartse en stroomafwaartse aardingssystemen van elkaar kunnen verschillen.

Nominaal uitgangsvoltage Dit is normaal gesproken hetzelfde als dat van de wisselstroomingang. Er kan echter een transformator met spanningsaanpassing zijn geïnstalleerd.

Statische kenmerken Dit zijn de toleranties (maximaal toegestane variaties) voor de amplitude en frequentie van de uitgangsspanning in stationaire toestand. Ze zijn strenger dan de toleranties die van toepassing zijn op netstroom en worden gemeten voor normaal bedrijf op wisselstroom en voor bedrijf in batterijreservemodus. • Variatie in de uitgangsspanning De amplitudetolerantie wordt uitgedrukt als percentage van de nominale rms-waarde en kan mogelijk worden aangepast. ) Bijvoorbeeld: voor een Galaxy, kan de spanning 400 V rms ± 1% mogelijk worden aangepast tot ± 3%. In de normen wordt ook een nominale piekuitgangsspanning voorgeschreven en de tolerantie met betrekking tot de nominale waarde. • Variatie in de uitgangsfrequentie De tolerantie wordt uitgedrukt als percentage van de nominale frequentie. ) Bijvoorbeeld: voor een Galaxy, 50 of 60 Hz ± 0,1% tijdens normaal bedrijf op primaire voeding en ± 0,5% in batterijreservemodus.

Frequentiesynchronisatie met primaire voeding De inverter levert een uitgangsspanning binnen bovengenoemde toleranties, ongeacht of de stroomopwaartse voeding last heeft van storingen. Daartoe doet de UPS het volgende: • Bewaakt de spanningsparameters (amplitude, frequentie, fase) voor de primaire voedingsbron om te bepalen of ze zich binnen de gespecificeerde toleranties bevinden, • Reageert op eventuele drift in parameters om: - de inverter aan te passen (fase en frequentie) aan de stand-byvoeding, zolang de drift binnen de toleranties blijft, indien nodig met het oog op de overdracht van de belasting, - de belasting naar batterijvoeding over te dragen zodra de drift buiten de toleranties komt. De nieuwe IGBT- en PWM-choppertechnieken in de UPS'en van Schneider Electric kunnen uitstekend aan deze variaties worden aangepast. ) Bijvoorbeeld: voor de Galaxy-UPS'en is de maximumvariatie in frequentie die correspondeert met de tolerantie 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz. Frequentiesynchronisatie met bypasswisselstroom is mogelijk van 0,25 tot 2 Hz, in stappen van 0,25 Hz. In de praktijk betekent dit dat de frequentievariaties kunnen worden bewaakt bij dF/dt = 0,25 Hz/s en dat binnen 0,25 tot 1 seconde heraanpassing plaatsvindt.

Dynamische kenmerken Dit zijn de toleranties in overgangstoestanden van de belasting. Galaxy-UPS'en zijn bestand tegen de volgende omstandigheden. • Onbalans van de belasting Voor onbalans van de belastingsspanning (fase-naar-neutraal of fase-naar-fase) of: - 30%, de variatie in de uitgangsspanning is minder dan 0,1%, - 100% (een fase bij Pn en de andere bij 0), de uitgangsspanning varieert niet meer dan 0,2%. • Wijzigingen in de belastingsstap (spanningsovergangen) Voor belastingsstappen van 0 tot 100% of van 100 tot 0% van de nominale belasting, varieert de spanning niet meer dan: ± 2% bij netstroom; + 2% tot -4 % bij batterijstroom.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 24


Overbelasting en kortsluitcapaciteit

• Overbelastingen - 1,1 In gedurende 2 uur, - 1,5 In gedurende 1 minuut, zonder wijzigingen in de uitgangstoleranties. • Kortsluitingen Boven 1,65 In werken de inverters van de Galaxy in de stroombegrenzingsmodus tot 2,33 In gedurende 1 seconde, wat overeenkomt met: I piekmax. = √2 x 1,65 In = 2,33 In. Voorbij deze waarde draagt de inverter de belasting over aan stand-byvoeding of voert een statische uitschakeling uit (functie voor zelfbescherming).

Totale vervorming van de uitgangsspanning UPS'en moeten prestaties garanderen voor alle soorten ladingen, inclusief nietlineaire ladingen. ) Bijvoorbeeld: Galaxy UPS'en begrenzen de totale harmonische vervorming van spanning (THDU) in uitgangsstroom tot de volgende niveaus voor: • 100% lineaire belastingen: - THDU ph/ph < 1,5 %, - THDU ph/N < 2%, • 100% niet-lineaire belastingen: - THDU ph/ph < 2 %, - THDU ph/N < 3%. Galaxy UPS'en werken volgens de gespecificeerde kenmerken voor alle soorten belastingen. Algemene opmerking. In de norm worden sommige van de eerder genoemde prestatieniveaus voor uitgangsstroom gespecificeerd tijdens normaal bedrijf en bedrijf op batterijvermogen. Ze zijn meestal identiek.

Overzichtsdiagram voor hoofdkenmerken

Fig. 5.7. Diagram met de hoofdkenmerken (zie onderstaande lijst).

Normale wisselstroomingang ● Voltage Un + 10% tot - 15% ● Frequentie f + 4% tot - 6% Bypass-wisselstroomingang ● Voltage Un + 10% tot - 15% ● Frequentie f + 4% tot - 6% ● Korstsluitstroom Isc2 (weerstandscapaciteit van de statische bypass) Gelijkrichter/oplader ● Druppelspanning ● Ingangsspanningen - nominaal (druppelladen batterij) - maximum (batterij laden)

Batterij Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 25


● Reservetijd: standaard 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minuten, langere duur op verzoek) ● Levensduur: 10 jaar of langer ● Maximumspanning Ib max.

Inverter ● Schijnbaar uitgangsvermogen: - nominaal: Sn (kVA) - belastingsvermogen: Su (kVA) = Sn x Tc% ● UPS percentage belasting Tc% = Su / Sn ● Actief uitgangsvermogen: - nominaal: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8 - belastingsvermogen: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF ● Efficiency: η Pu / Pn = 93% (97% in ECO-modus). ● Statische kenmerken (toleranties voor de uitgangsspanning in stationaire toestanden) - amplitude: Un ± 1% aanpasbaar tot ± 3% - frequentie: f ± 1% tijdens normaal bedrijf, f ± 0,5% in batterijreservemodus - uitgangsspanning van de inverter gesynchroniseerd (frequentie en fase) met die van het stand-byvermogen zolang de laatste zich binnen de toleranties bevindt. ● Dynamische kenmerken (toleranties in overgangstoestanden) - maximumvoltage en frequentievariaties voor wijzigingen in de belastingsstap van 0% tot 100% of 100% tot 0%: Un ± 2%, f ± 0,5% ● Vervorming van de uitgangsspanning - 100% niet-lineaire belastingen THDU < 2% ● Overbelasting en korstsluitcapaciteit: - overbelastingen: 1,5 In gedurende 1 minuut - kortsluitingen: spanningsbegrenzing tot 2,33 In gedurende 1 seconde

Belasting ● Belastingsspanning (Iu) ● Vermogensfactor PF

Werkingsmodi van de UPS

Normale modus (op stroom van lichtnet, zie fig. 5.8 aan de linkerkant) De UPS neemt de benodigde stroom voor zijn werking op van de netstroom via de gelijkrichter/oplader die gelijkstroom levert. Een gedeelte van de opgenomen netstroom wordt gebruikt om de batterij op te laden of te druppelladen: • I1 druppelladen, als de batterij al geheel is opgeladen, • I1 laden als de batterij niet geheel is opgeladen (dat wil zeggen opladen na een recente ontlading). De resterende stroom wordt geleverd aan de inverter, die een sinusgolf in de uitgangsspanning genereert die binnen de opgegeven toleranties voor amplitude en frequentie valt.

In batterij-back-upmodus (op stroom van batterij, zie fig. 5.8 aan de rechterkant) De batterij neemt het over, vervangt de primaire stroom en levert de stroom die de inverter nodig heeft voor de belasting, met dezelfde toleranties als in de normale modus. Dit gebeurt via onmiddellijke omschakeling (de batterij is in parallel aangesloten) in het geval van: • normale wisselstroomingangsstoring (stroomuitval van lichtnet), • normale wisselstroomingangsstroom buiten toleranties (degradatie van spanning van lichtnet).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 26


Normale modus Fig. 5.8. Normale modus en batterij-back-upmodus.

Batterij-back-upmodus.

Bypassmodus (op statische bypassleiding, zie fig. 5.9 aan de linkerkant) Een statische schakelaar (SS) zorgt voor een ononderbroken omschakeling van de belasting naar de bypass wisselstroomingang voor directe voeding van de belasting door stand-byvoeding. De omschakeling vindt automatisch plaats in het geval van: • een overbelasting stroomafwaarts van de UPS die zijn overbelastingscapaciteit overschrijdt, • een interne fout in de gelijkrichter-/oplader- en invertermodules. Omschakeling vindt altijd plaats bij interne fouten, maar is anders alleen mogelijk als de spanning van de stand-byvoeding binnen de toleranties valt en in fase is met de inverter. Daarom gebeurt het volgende: • De UPS synchroniseert de uitgangsspanning van de inverter met die van de bypassleiding zolang de laatste binnen de toleranties valt. Omschakeling is dan mogelijk: - zonder onderbreking in de stroomtoevoer. Omdat de spanningen in fase zijn, hebben de SCR's op de twee kanalen van de statische schakelaar op hetzelfde moment nul spanning, - zonder dat de belasting wordt gestoord. De belasting wordt omgeschakeld naar een bypassleiding die binnen de toleranties valt. • Wanneer de stand-byvoeding niet binnen de toleranties valt, desynchroniseert de inverter en werkt hij autonoom met zijn eigen frequentie. Omschakeling is dan uitgeschakeld. Deze kan dan echter wel handmatig worden uitgevoerd. Opmerking 1. Deze functie verhoogt de betrouwbaarheid aanzienlijk, gezien de zeer kleine kans dat er tegelijkertijd een overbelasting stroomafwaarts en een stroomstoring van de stand-byvoeding optreden.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 27


Opmerking 2. Om een juiste werking van de bypassleiding te waarborgen, moet er gezorgd worden voor selectiviteit tussen het beveiligingsapparaat stroomopwaarts van de bypass wisselstroomingang (op de MLVS-uitgang) en de beveiligingsapparaten op de uitgangscircuits van de UPS (zie informatie over selectiviteit hieronder).

Onderhoudsmodus (over onderhoudsbypass, zie fig. 5.9 aan de rechterkant) Onderhoud is mogelijk zonder dat de werking van de belasting wordt onderbroken. De belasting wordt met stand-byvoeding gevoed via de onderhoudsbypass. De omschakeling naar de onderhoudsbypass wordt uitgevoerd met behulp van handmatige schakelaars. De gelijkrichter/oplader, inverter en statische schakelaar worden uitgeschakeld en van de voedingsbron geïsoleerd. De batterij wordt geïsoleerd door middel van de beveiligingsstroomonderbreker.

Bypassmodus (statische bypass).

Onderhoudsmodus (onderhoudsbypass).

Fig. 5.9. Bypassmodus en onderhoudsmodus.

UPS-configuraties

Parallelle UPS met redundantie Hoofdstuk twee is geheel gewijd aan een presentatie van de verschillende configuraties. Hieronder vindt u aanvullende informatie over parallelle aansluitingen voor redundantie. Dit heeft vooral betrekking op de Galaxy-UPS'en. De modulaire SymmetraTM-UPS'en gebruiken ook parallelle aansluiting. Î Configuraties, zie "Selectie van de UPS-configuratie"

Soorten parallelle configuraties Er zijn twee soorten parallelle configuraties. • Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden Deze configuratie met upgrade-mogelijkheid kan worden gestart met behulp van één UPS-eenheid met een geïntegreerde statische bypass en handmatige onderhoudsbypass. Voor configuraties met meer dan twee UPS-eenheden wordt een gedeelde onderhoudsbypass ondergebracht in een externe kast (zie fig. 5.10). • Parallelle UPS-eenheden met een gecentraliseerde SSC (static-switch cubicle) De SSC bestaat uit een automatische bypass en een onderhoudsbypass die gedeeld worden door een aantal UPS'en die niet over een bypass beschikken (zie fig. 5.11). Deze configuratie, die minder makkelijk te upgraden is dan de vorige vanwege het nominale vermogen van de bypass, biedt een hogere betrouwbaarheid (SSC- en UPS-eenheden zijn onafhankelijk van elkaar). • Modulaire UPS'en Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 28


UPS'en van de SymmetraTM-serie bestaan uit toepassingsgerichte en redundante modules (vermogen, intelligentie, batterij en bypass). Een modulair ontwerp met insteekvoedingsmodules biedt een betere betrouwbaarheid, met name op het gebied van onderhoudsgemak en beschikbaarheid, alsmede de upgrade-mogelijkheden van de installatie.

Redundantie Redundantie in parallelle configuraties kan N+1, N+2, enz. zijn. Dit betekent dat er N UPS-eenheden nodig zijn om de belasting te voeden, maar dat er N+1 of N+2 worden geïnstalleerd en dat zij allemaal de belasting delen. Zie het onderstaande voorbeeld.

Voorbeeld

• We bekijken een kritieke belasting met een nominaal vermogen van 100 kVA. • 2+1 redundantie - 2 UPS-eenheden moeten in staat zijn de belasting volledig te voeden als de redundantie verloren gaat. - Elke UPS-eenheid moet daarom een nominaal vermogen hebben van 50 kVA. - 3 UPS-eenheden delen normaliter de belasting van 100 kVA, dus elke eenheid levert 33,3 kVA. - De 3 UPS-eenheden werken normaliter op een belastingspercentage van 33,3 / 50 = 66,6%. - Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden zijn elk uitgerust met een statische bypass. De omschakeling is zo geregeld dat de drie UPS-eenheden tegelijkertijd naar de bypass omschakelen, indien nodig.

Fig. 5.10. Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden met gedeelde onderhoudsbypass en 2+1redundantie. Werking met alle eenheden OK (redundantie beschikbaar).

• Verlies van redundantie - Eén UPS-eenheid wordt uitgeschakeld; de resterende twee eenheden werken op 100%. - De defecte UPS-eenheid kan worden gerepareerd dankzij de onderhoudsbypass.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 29


Fig. 5.11. Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden met gedeelde onderhoudsbypass en 2+1redundantie. Werking na verlies van redundantie.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 30

Technologie: UPS'en zonder transformators

UPS-technologie zonder transformators

Principe Oorspronkelijk bevatten alle UPS'en een uitgangstransformator waarmee de uitgangsspanning werd aangepast tot de gewenste waarde, opnieuw een nulleider werd gecreëerd en werd gezorgd voor galvanische isolatie tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse voedingssystemen (Fig. 5.12). Vandaag de dag is het dankzij de technologische vooruitgang en lagere kosten voor IGBT-halfgeleiders mogelijk om deze transformator weg te laten (Fig. 5.13). Bypass AC input

Normal AC input

UPS

Q1

Q1 Q4S

Rectifier charger Battery

Bypass AC input

Normal AC input

UPS

Battery

QF1 Static bypass

Q4S

Rectifier charger QF1 Static bypass

Manual bypass Q3BP

Manual bypass Q3BP

Inverter

Inverter

K3N

K3N Q5N

Q5N

Loads

Loads

Fig. 5.12. UPS met uitgangstransformator.

Fig. 5.13. UPS'en zonder transformators.

Voordelen Deze technologie biedt gebruikers een aantal belangrijke voordelen. ● Kleinere footprint: minder ruimte nodig zonder een transformator ● Minder gewicht: reductie in gewicht door weglaten van de transformator ● Hogere efficiency: eliminatie van verliezen door de transformator ● Spanningsregeling door signaalmodulatie voor een betere aansluiting op de belasting. De elektronica reageren direct op de uitgangsspanning zodat de spanning sneller en nauwkeuriger wordt geregeld.

De trend Het gebruik van UPS'en zonder transformators begon in het begin van de jaren negentig voor nominale vermogens tot een paar honderd kVA. Gezien de vele voordelen worden zij nu alom gebruikt voor hogere nominale vermogens, zoals u kunt zien in figuur 5.14. Het gemiddelde nominale vermogen met de transformatorloze techniek is met een factor 50 verhoogd in de laatste 15 jaar. P(kVA)

500 400 300 200 100 5 1990

years 1995

2000

2005

2010

Fig. 5.14. Gemiddelde nominale vermogens van UPS'en zonder transformators.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 31


Galvanische isolatie Een van de redenen die wordt opgegeven voor het gebruik van uitgangstransformators is het verstrekken van galvanische isolatie. Driefasige UPS'en boven een bepaald nominaal vermogen zijn echter uitgerust met een bypass om de continuïteit van de voeding te waarborgen. De aanwezigheid van een bypass betekent dat een UPS, met of zonder uitgangstransformator, geen galvanische isolatie kan bieden tussen de bron en de belastingen. Daarom wordt de UPS-technologie zonder transformator langzaam maar zeker de voorkeursoplossing voor hogere nominale vermogens. Dit aspect wordt hieronder besproken aan de hand van een vergelijking tussen de twee technologieën, afhankelijk van de aangetroffen aardingssystemen.

Gebruik met computerbelastingen

Bespreking van aardingssystemen Aardingssystemen hebben betrekking op de aarding van: ● het sterpunt van het distributiesysteem, ● de blootgestelde delen (ECP's) van de belastingen. deze blootgestelde geleidende delen staan altijd met elkaar in verbinding, ofwel allemaal samen of in groepen. Elke onderling verbonden groep is aangesloten op een aardklem door een beschermingsgeleider (PE of PEN afhankelijk van of deze is gecombineerd met de neutrale geleider of apart is). De standaard IEC 60364(1) gebruikt 2 letters om de verschillende aardingssystemen aan te duiden. ● De 1e letter beschrijft de aarding van het sterpunt van de transformator: - T: geaard, - I: niet geaard. ● De 2e letter beschrijft de aarding van de blootgestelde geleidende delen van de belastingsapparatuur: - T: geaard, - N: aangesloten op de nulleider die is geaard. In dit geval (N) geeft een 3e letter de relatie aan tussen de nulleider (N) en beschermingsgeleiders (PE): - C: een enkele geleider die voor beide functies wordt gebruikt, - S: aparte geleiders. (1) Vervangen door de "Power Transformer Loading Guide IECI 60076-7 Ed. 1".

De standaard definieert de volgende systemen als volgt: ● IT: geïsoleerde nulleider ● TT: geaarde nulleider ● TN-C: gecombineerde beschermende aarding en neutrale geleider (PEN) ● TN-S: aparte geaarde nulleider (N) en beschermende aardingsgeleiders (PE).

Aardingssystemen voor computerruimten

Systematisch gebruik van het TN-S-systeem

Het TN-S-systeem is het aardingssysteem dat wordt aanbevolen door fabrikanten en standaarden voor computersystemen. Dit komt omdat het enkelfasige distributie biedt terwijl er voor een referentiepotentiaal voor de blootgestelde geleidende delen wordt gezorgd met behulp van de beschermingsgeleider. L1 L2 L3 N PE ECPs 3-ph loads

ECPs

Fasen: L1, L2, L3 Nulleider: N Beschermingsgeleider: PE Stroomonderbrekerspool: x Aparte N en PE

ph-N loads

Fig. 5.15. TN-S-systeem voor computerruimten.

IT- en TT-systemen zijn niet erg geschikt voor computersystemen ● Het IT-systeem vereist deskundige technici en geavanceerde bewaking van de isolatie om isolatiefouten op te sporen en te corrigeren voordat een tweede fout met een hoge onderbrekingsstroom storingen kan veroorzaken. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 32


● Het TT-systeem is te gevoelig voor overspanning als gevolg van bliksem voor gevoelige computerapparaten. ● Het TN-C-systeem(1) (gecombineerde geaarde nulleiding en PE-geleider) biedt geen betrouwbare referentiepotentiaal zoals het TN-S-systeem. Enkelfasige belastingen, vaak voorkomend in computersystemen, veroorzaken H3harmonischen en hun veelvouden van 3 (H6, H9, enz.) in de nulleiding. De harmonischen stromen dan in de PEN-geleider waar ze het volgende kunnen veroorzaken: - verlies van gelijke PEN-potentiaal dat zich door de afscherming verspreidt en gevolgen kan hebben voor de werking van computersystemen. - hoge niet-gebalanceerde stromen in kabelwegen en de constructie van het gebouw vanwege frequente PEN-verbindingen met de aarde. De resulterende elektromagnetische straling in de kabelwegen kan gevoelige apparatuur verstoren. (1)

Het TN-C-systeem kan stroomopwaarts van een TN-S-systeem worden gebruikt maar het tegenovergestelde is niet toegestaan, omdat dit kan resulteren in stroomopwaartse onderbreking van de beschermingsgeleider, hetgeen een veiligheidsrisico vormt voor mensen die zich stroomafwaarts bevinden.

Aanbevelingen van computerfabrikanten: Maak opnieuw een netwerk met een geaarde nulleider bij de ingang van de computerruimte Computerfabrikanten raden aan om het TN-S-systeem met de geaarde nulleider zo dicht mogelijk bij de belastingen te maken. Dit wordt meestal gedaan bij de ingang van de computerruimte). Gebruik van het TN-S-systeem zonder deze maatregel, dus met de geaarde nulleider ver stroomopwaarts gemaakt, kan een potentiaalverschil veroorzaken tussen aarde en de nulleider vanwege de stroomopwaartse distributie.

) Samengevat wordt geadviseerd een TN-S-systeem te maken bij de ingang van de computerruimte met de nulleider op deze plek geaard zodat er 'schone' en geschikte elektrische distributie naar het computersysteem is.

Dit wordt meestal gedaan met PDU's (Power Distribution Units) die een ingangstransformator bevatten, zodat het mogelijk wordt om een betrouwbare neutrale referentiepotentiaal te verkrijgen en te zorgen voor galvanische isolatie in alle werkingsmodi van de UPS (op normale wisselstroomingang of bypass). Bovendien worden bij deze oplossing transformators gebruikt die een zeer hoge betrouwbaarheid bieden, beter dan die van UPS-uitgangstransformators. Deze oplossing met een ingangstransformator wordt vaak gebruikt in de Verenigde Staten, waar een driefasig distributiesysteem van 480 V naar de computerruimte wordt geleid om een 480 V/208 transformator te voeden (fig. 5.16).

UPS A

UPS B .

. PDU A

x

Isolating transformers used to recreate a TN-S system with neutral

PDU A

x x

x

Blade server Fig. 5.16. Voorbeeld van transformators die bij de PDU-ingang worden gebruikt om een TN-Sdistributiesysteem te maken met een nulleider. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 33


Vergelijking voor verschillende aardingssystemen stroomopwaarts

IT- of TT-systeem stroomopwaarts In dit geval moet het aardingssysteem worden gewijzigd in TN-S stroomafwaarts van de UPS. Aangezien de nulleider niet twee verschillende referenties naar aarde kan hebben, is er galvanische isolatie vereist voor alle werkingsmodi van de UPS (normaal of bypass). ● Voor UPS'en met een uitgangstransformator wordt meestal een transformator toegevoegd bij de ingang naar de bypass (zie fig. 5.17). Deze oplossing heeft twee nadelen: - er moeten 4-polige beschermingsapparaten worden gebruikt om de nulleider aan te leggen en te onderbreken op de bypass, - de afstand D2 van de UPS-nulleideruitgang tot de belastingen kan de potentiaal van de nulleider beïnvloeden omdat de isolerende transformators zich niet in de buurt van de belastingen bevinden. ● UPS'en zonder transformators van Schneider Electric kunnen op 3 fasen werken zonder een nulleider. Hierdoor is het mogelijk om een driefasig, driedraads distributiesysteem te gebruiken tot aan de PDU of gelijkwaardig en het TN-Ssysteem zo dicht mogelijk bij de toepassing opnieuw te maken (zie rechterkant van fig. 5.17). Deze methode zorgt voor een 'schone' referentiepotentiaal voor de PE.

) Naast de voordelen van efficiency, kleinere footprint, lager gewicht en spanningsovereenkomst, is de technologie zonder transformators eenvoudig en economisch verantwoord.

Oplossing met uitgangstransformator IT of TT stroomopwaarts - TN-S stroomafwaarts

Schneider Electric

Oplossing zonder transformator IT of TT stroomopwaarts - TN-S stroomafwaarts

Editie 09/2015

p. 34


IT

IT TT

TT

LVMS

LVMS

L1 L2 L3 N

L1 L2 L3 N

PE

PE

Normal AC input

Bypass transformer

Normal AC input

UPS

Bypass AC input Q1

Bypass AC input

UPS

Q4S

Rectifier charger

D1 Q1

Battery

QF1

Static bypass

Q4S Rectifier charger

Q3BP

Inverter Battery

Q3BP

QF1 Static bypass

K3N Inverter Output transformer

Q5N

K3N

Fixed and clean reference for Neutral

Q5N Earthing terminal

PE

LVS D2 PE

L1 L2 L3 N

Power Distribution Unit transformer

LVS L1 L2 L3 N

Fig. 5.17. IT of TT stroomopwaarts en TN-S stroomafwaarts.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 35

Technologie: UPS'en zonder transformators (vervolg)

TN-C- of TN-S-systeem stroomopwaarts In deze twee situaties kan op dezelfde manier worden gehandeld. Met een TN-Csysteem stroomopwaarts is het mogelijk om de nulleider en de PE stroomopwaarts van de UPS te scheiden (door de draden te scheiden) en op die manier de situatie met TN-S zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts te creëren. In onderstaande diagrammen vereenvoudigt de stroomopwaartse TN-C de distributie. In Fig 5.18 wordt de enige reden voor een TN-C-systeem stroomopwaarts geïllustreerd. Om een referentiepotentiaal te kunnen leveren, is het nodig om een 'schoon' distributiesysteem te maken door een transformator bij de ingang van de computerruimte te plaatsen (meestal met behulp van een PDU of iets dergelijks). Hoe groter de afstand D1 tussen de stroomopwaartse transformator en de uitgang van de UPS, hoe meer deze oplossing nodig is omdat de potentiaal van de nulleider kan worden beïnvloed door de stroomopwaartse distributie

) In dit geval zijn oplossingen die UPS'en met of zonder transformators gebruiken, identiek. De techniek zonder transformators biedt echter voordelen wat betreft efficiency, footprint, gewicht en nauwkeurigheid van spanningsregeling.

Oplossing met uitgangstransformator TN-C stroomopwaarts en TN-S stroomafwaarts

Oplossing zonder transformator TN-C stroomopwaarts en TN-S stroomafwaarts

LVMS

LVMS

L1 L2 L3 N

L1 L2 L3 N

Normal AC input

UPS

D1

UPS

Q1 Q4S

Rectifier/ charger Battery

QF1

Normal AC input

Bypass AC input

D1

Bypass AC input Q1 Q4S

Rectifier/ charger Battery

Static bypass

QF1

Static bypass

Q3BP

Q3BP

Inverter

Inverter

K3N

K3N

Q5N


PE

Q5N



LVS

PE

L1 L2 L3 N


LVS L1 L2 L3 N

Fig. 5.18. TN stroomopwaarts en stroomafwaarts.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 36

Technologie: UPS'en zonder transformators (vervolg)

Resultaten van de vergelijking Oplossingen met een uitgangstransformator ● De transformator bij de UPS-uitgang is van een speciaal type, is duurder en heeft meer ruimte nodig. ● Het is nodig om een transformator te plaatsen bij de bypassingang, dat wil zeggen: de installatie vereist vierpolige apparaten en een nulleider of er moet een uitgangstransformator worden geïnstalleerd. ● De geplaatste transformator bevindt zich niet zo dicht als mogelijk is bij de belastingen. Oplossingen zonder transformator ● De beperkingen die een UPS-uitgangstransformator met zich mee brengt, worden vermeden. ● Er wordt een transformator geïnstalleerd bij de ingang van de computerruimte, meestal in een PDU. Er zijn geen vierpolige apparaten nodig op de bypass of voor stroomopwaartse distributie van de nulleider. Er moet wel een transformator worden geplaatst, maar er zijn voordelen wat betreft: ● kosten voor de UPS, dat wil zeggen geen speciale uitgangstransformator en geen vierpolige apparaten en nulleider op de bypassleiding, ● kleinere footprint en lager gewicht, ● betere uitgangsregeling voor snelle belastingswisselingen.

) Gezien de vele voordelen wordt de technologie zonder transformator in snel tempo de voorkeursoplossing voor UPS'en.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 37

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)

Elektromagnetische storingen

Elektromagnetische storingen In alle elektromagnetische storingen zijn drie elementen betrokken.

Een bron Een natuurlijke bron (de atmosfeer, de aarde, zon, enz.) of, vaker voorkomend, een industriële bron (elektrische en elektronische apparaten). De bron creëert storingen door plotselinge (puls)variaties in elektrische waarden (spanning of stroom), zoals gedefinieerd door: • een golfvorm, • een golfamplitude (piekwaarde), • een spectrum van frequenties, • een energieniveau.

Een koppelingsmodus Koppelingen maken transmissie van storingen mogelijk en kunnen: • capacitief zijn (of galvanisch), bijvoorbeeld via transformatorwikkelingen, • inductief zijn, door straling van een magnetisch veld, • geleid zijn, door een gedeelde impedantie, via een aardverbinding.

Een object Dit is een willekeurig apparaat dat gestoord kan worden en dat een gestoorde werking heeft door de aanwezigheid van de storingen.

Voorbeelden Bronnen

In laagspannige installaties zijn bronnen bijvoorbeeld plotseling variërende stromen ten gevolge van: • storingen of kortsluitingen, • elektronische schakelaars, • harmonischen van hoge volgorde, • defecten vanwege bliksem of transformators. Frequenties kunnen laag zijn (< 1 MHz) voor vermogensfrequenties en hun harmonischen of hoog (> 1 MHz) voor bliksem.

Koppeling

• Capacitief: transmissie van een bliksemgolf via een transformator. • Inductief: straling van een magnetisch veld dat gecreëerd is door een van de hierboven genoemde stromen. Straling creëert een geïnduceerde elektromotorische kracht, dat wil zeggen een geïnduceerde storingsstroom, in de lussen van geleiders die bestaan uit de kabels die apparaten voeden en de aardgeleiders van de apparaten. Ter illustratie, een straling van 0,7 A/m kan een videomonitor storen. Dat komt overeen met het veld dat 2,2 m rondom een geleider die een stroom draagt van 10 A, wordt gecreëerd. • Geleid (gedeelde impedantie): verhoging in de potentiaal van een aardverbinding.

EMC-standaarden en aanbevelingen

Schneider Electric

Storingen

Ruis, immuniteit, vatbaarheid Een elektrisch apparaat wordt in een omgeving geïnstalleerd die meer of minder gestoord kan worden door elektromagnetische factoren. Dit moet worden gezien als zowel een bron als een mogelijk object van elektromagnetische storingen. Afhankelijk van het standpunt dat men inneemt, kan men spreken van: • het ruisniveau voor een bron, • het compatibiliteitsniveau voor een omgeving, • de immuniteits- en vatbaarheidsniveaus voor een object. Deze begrippen worden besproken op de volgende pagina in de sectie over storingsniveaus die door de standaarden zijn gedefinieerd.

Editie 09/2015

p. 38

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) (vervolg)

Storingsniveaus Standaard IEC 6100-2-4 definieert een aantal storingsniveaus voor EMC: • Niveau 0: geen storing, • Ruisniveau: maximale niveau dat is toegestaan voor een gebruiker op netstroom of voor een apparaat, • Compatibiliteitsniveau: maximale storingsniveau dat in een bepaalde omgeving wordt verwacht, • Immuniteitsniveau: niveau van storing dat een apparaat kan weerstaan, • Vatbaarheidsniveau: niveau vanaf wanneer een apparaat of systeem defecte werking vertoont. Daarom moet voor toestellen en apparaten die gezien worden als: • Bronnen, limieten (ruisniveaus) worden vastgesteld voor storingen die worden veroorzaakt door apparaten, om te voorkomen dat compatibiliteitsniveaus worden bereikt, • Objecten, er voor gezorgd worden dat deze ook storingsniveaus kunnen weerstaan die hoger zijn dan de compatibiliteitsniveaus, indien deze worden overschreden, wat toelaatbaar is als dit af en toe gebeurt. Deze hogere niveaus zijn de immuniteitsniveaus. Deze niveaus worden vastgesteld door EMC-standaarden. Î Lijst van EMC-standaarden, zie de sectie op pagina 34 over EMC-standaarden.

Fig. 5.19 EMC-storingsniveaus voor storende/gestoorde apparaten.

Gemeten waarden Apparaten worden aan tests onderworpen. Er worden vijf hoofdwaarden gemeten: • CE - conducted emissions (geleide ruis), • RE - radiated emissions (stralingsruis), • ESD - electrostatic discharges (elektrostatische ontladingen), • CS - conducted susceptibility (geleide vatbaarheid), • RS - radiated susceptibility (stralingsvatbaarheid). Voor de tests zijn ingewikkelde middelen nodig, namelijk een Kooi van Faraday voor geleide ruis en vatbaarheid en een anechoïsche kamer voor stralingsruis. Schneider Electric beschikt over gecertificeerde anechoïsche testkamers.

Fig. 5.20 Vijf belangrijke meetwaarden. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 39

UPS-standaarden

Bereik en naleving van standaarden

Bereik van standaarden Standaarden hebben betrekking op de volgende aspecten: • Ontwerp van de UPS, • Veiligheid van personen, • Prestatieniveaus, • Elektrische omgeving (met name harmonische storingen en EMC), • Milieu. Standaarden met betrekking tot UPS'en zijn veel nauwkeuriger geworden, vooral na de totstandkoming van de Europese EN-standaarden en hun harmonisatie met een deel van de eerder geldende IEC-standaarden.

Naleving van standaarden en certificering Dankzij de naleving van standaarden kunnen de betrouwbaarheid en kwaliteit van een UPS worden gegarandeerd, alsmede de compatibiliteit met de belastingen die worden gevoed en met de technische omgeving en mens en milieu. De verklaring van conformiteit met standaarden door een fabrikant is op zichzelf niet een voldoende bewijs van kwaliteit. Alleen certificering door erkende organisaties is een ware garantie van conformiteit. Daarom zijn de prestatieniveaus van UPS'en van Schneider Electric met betrekking tot standaarden gecertificeerd door organisaties zoals TÜV en Veritas.

CE-markering CE-markering is tot stand gekomen door middel van Europese wetgeving. Het is verplicht voor vrij verkeer van goederen in de EU. Het doel is te garanderen, middels inachtneming van de overeenkomstige Europese richtlijnen: • dat het product geen gevaar oplevert (Laagspanningsrichtlijn), • dat het geen vervuiling veroorzaakt (Milieurichtlijn) en zijn elektromagnetische compatibiliteit (EMC-richtlijn). Voordat de CE-markering op een product geplaatst kan worden, moet de fabrikant controles en tests uitvoeren of laten uitvoeren die conformiteit van het product met de vereisten in de geldende richtlijn(en) garanderen. Het is GEEN certificeringsstandaard of bewijs van conformiteit. Het betekent niet dat het product voldoet aan nationale of internationale standaarden. Het is geen certificering zoals gedefinieerd door Franse wetgeving (wet van 3 juni 1994). Bovendien wordt de CE-markering op een product geplaatst onder de exclusieve verantwoordelijkheid van de fabrikant of de importeur. Het betekent niet dat er een inspectie door een gecertificeerde externe organisatie heeft plaatsgevonden. ) Niet alle etiketten hebben dezelfde betekenis voor fabrikanten. Conformiteit met standaarden en opgegeven prestatieniveaus moeten gecertificeerd kunnen worden door een organisatie. Dit is niet het geval voor de CE-markering, die zelfcertificering toestaat.

Belangrijkste standaarden met betrekking tot UPS'en

UPS'en van Schneider Electric voldoen (gecertificeerd door TÜV en Veritas) aan de belangrijkste internationale standaarden.

Veiligheid

• IEC 60950-1 / EN 60950-1 Apparatuur voor informatietechnologie - Veiligheid - Deel: Algemene vereisten • IEC 62040-1 / EN 62040-1 Uninterruptible power systems (UPS) - Algemene en veiligheidsgerelateerde vereisten voor UPS. • IEC 62040-3 / EN 1000-3 Uninterruptible power systems (UPS) - Methode voor het specificeren van test- en prestatievereisten. • IEC 60439 Laagspanningsschakel- en verdeelinrichtingen. • Laagspanningsrichtlijn: 2006/95/EC

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 40

UPS-standaarden (vervolg)

Elektrische omgeving, harmonischen en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) Harmonischen

• IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2 Compatibiliteitsniveau voor laagfrequente geleide storingen en signaaloverdracht in openbare laagspanningsnetten. (zie Tabel 5-A op de volgende pagina) • IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2 Limietwaarden voor de emissie van harmonische stromen (ingangsstroom van de toestellen ≤ 16 A/f). • IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 Limietwaarden voor de emissie van harmonische stromen (ingangsstroom van de toestellen > 16 A/f). • IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5 Limietwaarden voor spanningswisselingen en flikkering. • EN 50160 Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten. (zie Tabel 5-B op de volgende pagina). • IEEE 519 Aanbevolen praktijken en vereisten voor controle van harmonischen in elektrische voedingssystemen.

EMC

• EN 50091-2 UPS - EMC. • IEC 62040-2 / EN 62040-2 Uninterruptible power systems (UPS) - Vereisten voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC). • EMC-richtlijn 2004/108/EC Voor apparatuur die elektromagnetische storingen kan veroorzaken of daardoor kan worden beïnvloed.

Kwaliteit

• Ontwerp, productie en onderhoud conform standaard ISO 9001 kwaliteitsorganisatie.

Milieu

• Fabricage conform standaard ISO 14001.

Akoestische ruis

• ISO 3746 Vermogensniveaus van geluid. • ISO 7779 / EN 27779 Meting van luchtlawaai afgegeven door computer- en kantoorapparatuur.

Tabellen met harmonischen-compatibiliteitsniveaus Tabel 5-A. Compatibiliteitsniveaus voor afzonderlijke harmonische spanningen in laagspanningsnetten zoals opgegeven in de standaarden IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2. Oneven harmonischen niet- Oneven harmonischen Even harmonischen veelvouden van 3 veelvouden van 3 Harmonische Harmonische Harmonische Harmonische Harmonische Harmonische spanning als spanning als volgorde n volgorde n spanning als volgorde n % van % van % van grondspanning grondspanning grondspanning 5 6 3 5 2 2 7 5 9 1.5 4 1 11 3.5 15 0.3 6 0.5 13 3 21 0.2 8 0.5 17 2 >21 0.2 10 0.5 19 1.5 12 0.5 23 1.5 >12 0.2 25 1.5 0.2 >25 0,2+0,5x25/n Resulterende THDU < 8% (voor alle harmonischen die worden aangetroffen tussen de aangegeven harmonischen). Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 41

UPS-standaarden (vervolg)

Tabel 5-B. Compatibiliteitsniveaus voor harmonische spanningen volgens het type apparatuur zoals aangegeven in standaard EN 50160. (1) Klasse 2 Klasse 1 Volgorde van de Klasse 3 (gevoelige systemen (industriële en gegenereerde (voor aansluiting van spanningsharmonisch en apparatuur) % van openbare grote vervuilers) % van grondspanning en elektriciteitsnetten) % grondspanning van grondspanning 2 2 2 3 3 3 5 6 4 1 1 1.5 5 3 6 8 6 0.5 0.5 1 7 3 5 7 8 0.5 0.5 1 9 1.5 1.5 2.5 10 0.5 0.5 1 11 3 3.5 5 12 0.2 0.2 1 13 3 3 4.5 TDHU 5% 8% 10% (1) Klasse 2 komt overeen met de limietwaarden van Tabel A in de standaarden IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 42

Energieopslag

Mogelijke technologieën

Energieopslag in UPS'en De energieopslagsystemen die door UPS'en worden gebruikt als back-up voor de primaire voedingsbron, hebben de volgende kenmerken: • Onmiddellijke beschikbaarheid van elektrische voeding, • Voldoende nominaal vermogen om de belasting te voeden, • Voldoende back-uptijd en/of compatibiliteit met systemen die lange back-uptijden bieden (bijvoorbeeld een motorgenerator of brandstofcellen).

Evaluatie van de beschikbare technologieën Zie WP 65 Î

Het technische onderzoeksteam dat door Schneider Electric werd ingesteld, verrichtte diepgaand onderzoek van de volgende technologieën: • Batterijen, • Supercondensators (ultracondensators), • Vliegwielen, • Supergeleidende magnetische energieopslag (SMES). Î Zie voor meer informatie WP 65 (White paper 65: "Comparing Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors" (Vergelijking van batterijen, vliegwielen en supercondensatoren in datacenters).

Oplossingen met batterijen en vliegwielen worden hieronder besproken.

Batterijen

De batterij-oplossing Batterijen zijn momenteel verreweg de meest gebruikte oplossing voor energieopslag in UPS'en. Ze zijn de dominante oplossing vanwege lage kosten, bewezen effectiviteit en opslagcapaciteit, maar hebben toch een aantal nadelen wat betreft omvang, onderhoud en het milieu. Bij de nominale vermogens waar we nu naar kijken, bieden zij back-uptijden in het tien-minutenbereik, voldoende om lange stroomonderbrekingen uit te zitten en te wachten op het opstarten van een motorgenerator voor langere gebruiksduur. Voor de SymmetraTM PX-serie biedt Schneider Electric ook oplossingen voor langere gebruiksduur op basis van brandstofcellen, met de FCXR-productserie (Fuel Cell eXtended Run). Deze oplossing vermindert de belasting op het milieu en de vereisten aan vloeroppervlak aanzienlijk ten opzichte van oplossingen met een combinatie van batterijen en een motorgenerator. ) Elektrochemische energieopslag met behulp van batterijen, waar mogelijk ondersteund door een thermische motorgenerator, is de meestgebruikte oplossing voor het beschermen van kritieke belastingen die gebruikmaken van UPS'en.

Fig. 5.21. Energieopslag met behulp van een batterij en motorgenerator voor lange backuptijden.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 43

Energieopslag (vervolg)

Soorten industriële batterijen Batterijgroepen

Een batterij is een groep cellen die met elkaar in verbinding staan. Afhankelijk van het type cel, zijn er twee hoofdgroepen batterijen: • Loodzuurbatterijen, • Nikkel-cadmiumbatterijen. Cellen kunnen ook zijn van het : • Recombinatietype Æ verzegelde batterijen Het gasrecombinatiepercentage is ten minste 95% en daardoor hoeft er geen water te worden toegevoegd tijdens de levensduur (vandaar de term 'verzegeld'), • geventileerde type Æ geventileerde batterijen Deze zijn uitgerust met poorten die: - de zuurstof en waterstof die tijdens de verschillende chemische reacties worden geproduceerd, afgeven aan de atmosfeer, - bijvullen van de elektrolyt door gedestilleerd of gedemineraliseerd water toe te voegen, mogelijk maken.

Batterijen die in UPS'en worden gebruikt De belangrijkste typen batterijen die samen met UPS'en worden gebruikt, zijn: • Verzegelde loodzuurbatterijen, deze worden 95% van de tijd gebruikt omdat ze gemakkelijk in onderhoud zijn en geen speciale ruimte vereisen. Deze batterijen kunnen in kantooromgevingen en in elke positie worden geïnstalleerd, • Geventileerde loodzuurbatterijen, • Geventileerde nikkel-cadmiumbatterijen. Geventileerde batterijen kennen grotere beperkingen wat betreft onderhoud (controles op het niveau van de elektrolyt) en positie (kunnen alleen in verticale positie worden geplaatst). Lithium-polymeerbatterijen worden momenteel onderzocht op mogelijk gebruik in UPS'en. Schneider Electric raadt verzegelde loodzuurbatterijen aan voor gebruik samen met zijn UPS-series, maar biedt ook een groot assortiment andere typen aan. Alle drie de typen batterijen zijn leverbaar voor alle beschikbare levensduren. Capaciteitsniveaus en back-uptijden kunnen worden aangepast aan de behoeften van de gebruiker. De aanbevolen batterijen zijn ook zeer geschikt voor UPS-toepassingen omdat zij het resultaat zijn van samenwerking met toonaangevende batterijfabrikanten. Î Batterijselectie, zie "Belangrijke factoren in UPS-installaties" p. 46.

Installatiemodi Afhankelijk van de UPS-serie, de batterijcapaciteit en de back-uptijd, is de batterij: • van het verzegelde type en wordt deze geplaatst in de UPS-behuizing, • van het verzegelde type en wordt deze geplaatst in een tot drie kasten, • van het geventileerde of verzegelde type en wordt deze geplaatst in een rek.

Plaatsing in kast Deze installatiemethode (zie fig. 5.15) is geschikt voor verzegelde batterijen. Deze methode is gemakkelijk uit te voeren en biedt maximale veiligheid.

Batterijen die in rekken worden geïnstalleerd

• Op planken (figuur 5.16) Deze installatiemethode is mogelijk voor verzegelde batterijen of onderhoudsvrije geventileerde batterijen waar de elektrolyt niet hoeft te worden bijgevuld. • Plaatsing in rijen (figuur 5.17) Deze installatiemethode is geschikt voor alle typen batterijen en vooral voor geventileerde batterijen aangezien het controleren van het niveau en het bijvullen gemakkelijk worden gemaakt.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 44


Fig. 5.22. Plaatsing in kast.

Fig. 5.23. Plaatsing op planken. Fig. 5.24. Plaatsing in rijen.

Beperkingen op batterijen Atmosferische beperkingen

De batterijen die bij UPS'en van Schneider Electric worden geleverd, werken onder de volgende omgevingsomstandigheden: • Optimaal temperatuurbereik: 15°C tot 25°C, • Optimaal relatief vochtigheidsbereik: 5% tot 95%, • Atmosferische druk: 700 tot 1060 hPa (0,7 tot 1,06 bars). Neem contact met ons op voor de overige werkingsomstandigheden.

Toegang Er moet toegang worden geboden voor testactiviteiten. • Batterijen die zijn geplaatst in een UPS-kast of andere kast: houd u aan de vereiste vrije ruimte die is aangegeven in "Afmetingen en gewichten" in hoofdstuk 4. • Batterijen die in rekken worden geplaatst: kies een installatiemethode die geschikt is voor het type batterij. • Voorbereidend werk: dit aspect is belangrijk omdat het betrekking heeft op veiligheid. Het wordt besproken in "Belangrijke factoren in UPS-installaties" p. 49.

Belangrijkste batterijparameters Back-uptijd

Voor een gegeven batterij hangt de back-uptijd af van: • het vermogen dat moet worden geleverd, een lage waarde verhoogt de beschikbare autonomie, • de ontladingsomstandigheden, een hoge ontladingssnelheid maakt een lagere spanning voor uitschakeling mogelijk en verhoogt dus de back-uptijd, • temperatuur, binnen de aanbevolen werkingsgrenzen, stijgt de back-uptijd met het toenemen van de temperatuur. Een hoge temperatuur heeft echter wel nadelige gevolgen voor de levensduur van de batterij, • Ouderdom, back-uptijd van de batterij neemt af als de batterij ouder wordt. Schneider Electric biedt een aantal verschillende standaardback-uptijden (5, 6, 8, 10, 15 of 30 minuten en levensduren (5 of 10 jaar of langer) en komt ook tegemoet aan alle specifieke vereisten.

Levensduur Een batterij heeft het einde van zijn levensduur bereikt wanneer de werkelijke backuptijd is teruggevallen tot 50% van de opgegeven back-uptijd. De levensduur van een batterij wordt in principe verlengd door: • bescherming tegen te diepe ontlading, • correcte laadinstellingen, vooral de rimpelfactor van de lading of druppellading, • een optimale werkingstemperatuur, die tussen de 15°C en 25°C moet liggen.

Oplaadmodus De oplaadcyclus vindt plaats in twee stappen: • Stap 1, een constante stroom beperkt tot 0,1 C10 (eentiende van de batterijcapaciteit voor een tien uur durende ontlading), • Stap 2, een constante spanning, op de maximaal toelaatbare waarde. De oplaadstroom neemt regelmatig af en bereikt de druppellaadwaarde.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 45


Fig. 5.25. Batterijoplaadcyclus.Batterijbeheer

voor Galaxy-series

DigibatTM Om bovenstaande parameters te kunnen regelen, worden alle Galaxy UPS'en van Schneider Electric standaard geleverd met het microprocessor-gebaseerde DigibatTM-batterijbewakingssysteem (toepassingsgerichte DSP voor real-time verwerking). DigibatTM, een gemakkelijk te gebruiken systeem, biedt geavanceerde en flexibele functies en fysieke en computergestuurde bescherming voor de batterij. Het biedt een hoge mate van veiligheid, nauwkeurige meting van de back-uptijd en optimaliseert de levensduur van de batterij. Voor een Galaxy 5000-UPS, bijvoorbeeld, omvatten de functies: • automatische invoer van batterijparameters, • meting van de werkelijke resterende back-uptijd, waarbij rekening wordt gehouden met de ouderdom van de batterij, de temperatuur en het belastingsniveau, • schatting van de resterende levensduur van de batterij (1), • batterijtest om functionele defecten van batterij preventief op te sporen (1), • regeling van de batterijspanning ten opzichte van de temperatuur om de levensduur van de batterij te verlengen, • automatische batterij-ontladingstest op aan te passen tijdsintervallen. Bescherming omvat: • Bescherming tegen te diep ontladen (afhankelijk van de ontladingssnelheid) en isolatie van de batterij met een stroomonderbreker die automatisch opengaat wanneer de back-uptijd, vermenigvuldigd met twee plus twee uur, is verstreken, • Beperking van de oplaadstroom in de batterij (0,05 C10 tot 0,1 C10), • Progressief hoorbaar alarm dat het einde van de back-uptijd aangeeft, • Vele automatische tests. (1) Schneider Electric exclusieve patenten.

Fig. 5.26. Digibat

TM

Temperatuurcontrole Galaxy -UPS'en kunnen ook worden uitgerust met de Temperatuurcontrolemodule die wordt gebruikt om: • de oplaadspanning te optimaliseren ten opzichte van de temperatuur in de batterijruimte, • de gebruiker te waarschuwen wanneer vooraf ingestelde toegestane temperatuurlimieten worden overschreden, Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 46


• een preciezere schatting te geven van de back-uptijd van de batterij, die door het standaardsysteem wordt uitgevoerd. Natuurlijke ventilatie van de batterijkasten voorkomt stijging van batterijtemperatuur. Milieusensor is ook een eenvoudig middel om de temperatuur en vochtigheid te controleren. Dit kan worden gebruikt om het systeem uit te schakelen wanneer het wordt gecombineerd met software die de module uitvoert.

Batterijen monitoren Schneider Electric biedt ook de B2000 en Cellwatch, autonome en communicerende batterijcontrolesystemen die onmiddellijk alle batterijdefecten opsporen en lokaliseren. Deze systemen controleren elk batterijblok of elke batterijcel en maken voorspellend onderhoud mogelijk.

Vliegwielen

Energieopslag door middel van een vliegwiel Werkingsprincipe

Het energieopslagsysteem middels een vliegwiel is een 'mechanische batterij' die energie in kinetische vorm opslaat, als roterende massa. Wanneer dit nodig is tijdens een stroomstoring, wordt de energie die in de roterende massa is opgeslagen, omgezet in elektrische energie via de in het vliegwiel ingebouwde elektrische generator. De hoeveelheid energie die in een vliegwiel is opgeslagen, wordt uitgedrukt door: E = kMω2 waarbij k afhankelijk is van de vorm van de roterende massa, M de massa van het vliegwiel is en ω de hoeksnelheid. ) Merk op dat de opgeslagen energie proportioneel is aan het kwadraat van de hoeksnelheid. Dit is een van de redenen dat Schneider Electric aanraadt dat vliegwielen op relatief hoge snelheden moeten draaien. Dit vermindert zowel het gewicht als de footprint van het energieopslagsysteem.

UPS-toepassingen Vliegwieleenheden kunnen traditionele UPS-batterijen vervangen of samenwerken met batterijen om zeer betrouwbare, onmiddellijk beschikbare back-upvoeding te leveren voor de bedrijfskritieke toepassingen van vandaag de dag (datacenters, ziekenhuizen, televisiestudio's, luchthavens en fabrieken). Ze hebben een interface met de gelijkstroombus van de UPS, net als een batterij, en ontvangen laadstroom van de UPS en leveren gelijkstroom naar de inverter van de UPS tijdens de ontlading.

UPS Critical loads

AC input Rectifier

Flywheel

Inverter

Battery

Fig. 5.27. Vereenvoudigd diagram van een UPS met energieopslag via vliegwielen in parallel aangesloten met een batterij.

Energieopslagsystemen middels vliegwielen kennen twee toepassingen, afhankelijk van of een generator wel of niet deel uitmaakt van de installatie.

Verlenging van de levensduur van de batterij voor installaties zonder generatoren Voor installaties zonder generator kan een energieopslagsysteem middels vliegwielen in parallel werken met batterijen. Deze vliegwieltoepassing ontziet de batterij en verlengt dus de levensduur van de batterij. In een dergelijke configuratie vormt het vliegwiel de eerste verdedigingslinie tegen stroomstoringen en biedt het hogere beschikbaarheid terwijl de batterijen worden Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 47


gespaard voor gebruik bij een langer durende stroomuitval. Door als eerste de benodigde energie te leveren tijdens stroomstoringen, verlengt het vliegwielsysteem de levensduur van de batterij aanzienlijk door 98% van de ontladingen te voorkomen die anders door de batterijen geleverd zouden moeten worden. Het verlengen van de levensduur van batterijen middels vliegwielen biedt een aantal voordelen. • Minder oplaad-ontlaadcycli voor batterijen, dus de levensduur van de batterij wordt verlengd • Vervanging van batterijen hoeft minder vaak plaats te vinden met bijbehorend ongemak van afvoeren van loodzuur • Hogere beschikbaarheid van kritieke gelijkstroombus

Vervanging van de batterij voor installaties met generatoren Generatoren zijn meestal in staat om de belasting over te nemen binnen 10 seconden van het optreden van een stroomstoring. Hoewel UPS-batterijen stroom kunnen leveren tijdens deze omschakeling, is hun betrouwbaarheid altijd in het geding. Zijn ze wel geheel opgeladen? Is er soms een cel defect in de batterijreeks? Wanneer zijn ze voor het laatst gecontroleerd? Vliegwielsystemen bieden daarentegen betrouwbare, onmiddellijke energieopslag waarmee een voorspelbare omschakeling naar de generator die stand-by staat, kan worden gegarandeerd, dit alles in een compacte footprint. Een vliegwielsysteem dat 10 of 20 seconden lang energie kan leveren, biedt een aantal voordelen boven batterijen voor installaties met generatoren. • Zeer betrouwbare en voorspelbare energieopslag: - geschat 54.000 uur MTBF - continue bewaking biedt zeer voorspelbare prestaties • Milieuvriendelijk alternatief voor batterijen: - geen lood, geen zuur, kleine koolstof-footprint • Lagere TCO (eigendomskosten): - nuttige levensduur van 20 jaar - weinig onderhoud nodig - kleine afmetingen en laag gewicht - kan werken bij temperaturen tot 40°C

Soorten vliegwielen Vliegwielen voor UPS'en kunnen in verschillende typen worden onderverdeeld, afhankelijk van hun snelheid, materiaal en de configuratie van de motorgenerator.

Snelheid van vliegwielen

• Vliegwielen met lage snelheid - Hoeksnelheid <10.000 rpm - Energie voor hoge vermogens vereist zware stalen vliegwielen (zwaar en omvangrijk) - Periodiek onderhoud en vervanging van de mechanische lagers - Grote hoeveelheid parasitaire energieverliezen - Vereist speciale installatiespecificaties met betonnen platen • Vliegwielen met hoge snelheid - 30.000 tot 60.000 rpm (mogelijk tot 100.000 rpm) - Veel lichter voor hogere vermogensvereisten (energie opgeslagen via hogere draaisnelheid) - Volledige magnetische levitatie - Minder periodiek onderhoud - Kleinere footprint en lager gewicht - Gemakkelijk in gebruik te nemen, op te starten en uit te schakelen Zoals al genoemd, werken vliegwielen die bij UPS'en van Schneider Electric worden geleverd, met relatief hoge snelheden (36.000 rpm wanneer volledig opgeladen) en bieden zij alle bijbehorende voordelen.

Materiaal van de vliegwielen

• Vliegwielen van koolstofvezel Vliegwielen van koolstofvezel worden meestal gemaakt door lange draden koolstofvezel op een spoel te draaien. Deze worden bij elkaar gehouden door een epoxyhars. Onvolkomenheden in het fabricageproces en gaten tussen de vezels kunnen leiden tot het uit balans raken van het wiel na verloop van tijd door de druk die het wiel Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 48


ondervindt wanneer het van hoge snelheid naar lage snelheid wordt gebracht en vice versa, hetgeen tijdens elke ontlading plaatsvindt. Zodra het vliegwiel van koolstof uit balans raakt, moet de gehele vliegwielmodule worden vervangen, wat een kostbaar en tijdrovend proces is. • Vliegwielen van staal De vliegwielen die geleverd worden bij UPS'en van Schneider Electric zijn vervaardigd van staal van aeronautische kwaliteit, 4340. De materiaaleigenschappen zijn goed bekend, deze zijn beschikbaar van vele leveranciers en dit materiaal wordt gebruikt in veel roterende toepassingen op hoge snelheid. Het belangrijkste is dat de integriteit van het materiaal kan worden gemeten, via monsters van de kern en ultrasone golven om er zeker van te zijn dat het voldoet aan de toepassingsspecificaties. Dit vliegwiel wordt niet alleen gebruikt in UPStoepassingen, maar ook in regeneratieve toepassingen met hoge omwentelingen zoals in elektrische motoren van hijskranen en elektrische treinen. Deze toepassingen stellen aan het vliegwiel de eis dat er tot wel 20 keer per uur opgeladen en ontladen moet worden. Deze toepassingen leveren het bewijs voor de duurzaamheid van staal van aeronautische kwaliteit als preferent materiaal voor vliegwielen.

Configuratie van motorgeneratoren Het andere verschil dat kan worden aangetroffen in energieopslagsystemen met vliegwielen, is gelegen in de configuratie van motorgeneratoren. • Vliegwielsystemen die door Schneider Electric worden geleverd, gebruiken een type motorgenerator met permanente magneet. Het voordeel hiervan is tweeërlei: - Hogere efficiency van de motorgenerator bij het opladen en ontladen, dat leidt tot de hoge omwentelingscapaciteit van het vliegwiel - Het vliegwiel kan zijn eigen stroom opwekken om de levitatie van het vliegwiel in stand te houden, zelfs als controlevoeding wegvalt of als er storing optreedt in de vermogenselektronica. • Andere vliegwielfabrikanten gebruiken een synchrone weerstandsmotor die niet zelf stroom kan opwekken als er een defect optreedt in de vermogenselektronica - De eenheid heeft daarom een back-upvoeding nodig van een kleine UPS om backupstroom te kunnen leveren aan de magnetische lagers.

Installatie Kasten voor vliegwielen Energieopslagsystemen met vliegwielen worden in aparte kasten geleverd die aansluiten op de gelijkstroombus, net als batterijkasten. Meerdere vliegwielkasten kunnen in parallel worden geplaatst voor meer vermogen, langere werkingsduur of redundantie.

Voorbereiding van de locatie Er is een minimale voorbereiding van de locatie nodig voor de installatie van vliegwielkasten. Voordat de installatie plaatsvindt, moet u rekening houden met een aantal aspecten. • Bedrading en bekabeling naar UPS'en en andere apparatuur • Toegang voor onderhoud • Vrije ruimte voor koeling • Montage aan de vloer

Beperkingen van vliegwielen Atmosferische beperkingen

De energieopslagsystemen middels vliegwielen die bij UPS'en van Schneider Electric worden geleverd, werken onder de volgende omstandigheden: • Bedrijfstemperatuur: -20°C tot 40°C (zonder reductie) • Minimumtemperatuur voor koude start: 0°C • Relatieve luchtvochtigheid: tot 95% (niet-condenserend) Neem contact met ons op voor de overige werkingsomstandigheden.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 49


Belangrijkste vliegwielparameters Uitgangsvermogen en back-uptijd

De energieopslagsystemen middels vliegwielen die bij UPS'en van Schneider Electric worden geleverd, bieden flexibiliteit bij het selecteren van de beste combinatie van vermogensniveau en werkingsduurom te voldoen aan de vereisten van de toepassing. • Er zijn allleenstaande eenheden beschikbaar in de nominale vermogens 215 kW en 300 kW. • Het 300 kW-model kan 160 kW gedurende ~18,75 seconden of 220 kW gedurende ~10 seconden leveren. Dit is meestal voldoende voor het ontzien van de batterijen of voor opstarttoepassingen van generatoren. • Meerdere vliegwieleenheden kunnen in parallel worden opgesteld voor een hogere capaciteit, redundantie of werkingsduur.

Levensduur

• De levensduur van een energieopslagsysteem middels vliegwielen is meestal veel langer dan van loodzuurbatterijen. • De energieopslagsystemen met vliegwielen die bij UPS'en van Schneider Electric worden geleverd, hebben een levensduur van 20 jaar voor werkingstemperaturen van maximaal 40°C en frequente laad-ontlaadcycli.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 50

Combinatie UPS-/generatorset

Gebruik van een generator

Lange back-uptijden Een motorgenerator bestaat uit een verbrandingsmotor die een generator aandrijft die het distributiesysteem voedt. De back-uptijd van een motorgenerator is afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare brandstof. In sommige installaties is de vereiste back-uptijd in het geval van een stroomuitval van dien aard dat het beter is om een motorgenerator te gebruiken als back-up van netstroom (figuur 5.28). Deze oplossing voorkomt het gebruik van grote batterijen met zeer lange backuptijden. Hoewel hier geen algemene regel voor geldt, wordt een generator vaak gebruikt voor back-uptijden die langer zijn dan 30 minuten. Kritieke installaties die zeer hoge beschikbaarheidsniveaus vereisen en te maken hebben met hoge kosten voor downtime (bijvoorbeeld datacenters) combineren systematisch UPS'en vaak met motorgeneratoren. De back-uptijd van batterijen van de UPS moet voldoende zijn voor het opstarten van een generator en de aansluiting op de elektrische installatie. Aansluiting wordt meestal uitgevoerd op het primaire laagspanningsschakelbord met behulp van een automatisch bronomschakelsysteem. De vereiste tijd voor de omschakeling hangt af van de specifieke kenmerken van elke installatie, vooral van de opstartvolgorde, 'load shedding', enz.

Fig. 5.28. Combinatie van UPS met generator.

Combinatie UPS/generatorset

Compatibiliteit van UPS met generator Er moet rekening worden gehouden met een aantal factoren wanneer u een motorgenerator gebruikt om UPS'en te voeden gedurende lange back-uptijden.

Wijzigingen in laadstappen Als er in geval van nood aansluiting van de installatie aan de motorgenerator nodig is, kunnen zware belastingen leiden tot hoge inschakelstromen die ernstige problemen kunnen veroorzaken voor de werking van de motorgeneratoren. Om zulke problemen te vermijden, zijn UPS'en van Schneider Electric uitgerust met een systeem dat geleidelijk starten van de oplader mogelijk maakt. De geleidelijke start duurt ongeveer tien seconden. Bovendien kan, zodra de netstroom weer beschikbaar is, de oplader geleidelijk worden gestopt via een hulpschakelaar om verstoring van de andere belastingen te voorkomen. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 51

Combinatie van UPS met generator (vervolg)

Fig. 5.29. Geleidelijk opstarten van de UPS-gelijkrichter tijdens werking op generatorstroom.

Capacitieve stromen De generator kan alleen relatief lage capacitieve stromen 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. Gebruik van gecompenseerde LC-filters met een contactor lost dit probleem op. Voor UPS'en met een PFC-gelijkrichter, is de compatibiliteit volledig. Î LC-filters en generatoren, zie Hfst. 1 p. 26.

Respectieve nominale vermogens van UPS'en en generatoren Een UPS die is uitgerust met een PFC-gelijkrichter heeft een hoge ingangsvermogensfactor (hoger dan 0,9). De motorgenerator kan daarom worden gebruikt tot maximale effectiviteit. Voor LC-filters lossen gecompenseerde filters met een contactor het probleem met capacitieve stromen op. ) Compatibiliteit van nominale vermogens tussen moderne UPS'en en motorgeneratoren voorkomen alle problemen met reductie.

Stabiliteit van generatorfrequentie Tijdens werking op motorgeneratorvoeding, kunnen er fluctuaties optreden in de generatorfrequentie vanwege variaties in de snelheid van de thermische motor waarvoor de regelingsfuncties niet onmiddellijk actief zijn. Deze variaties treden op vanwege veranderingen in de belasting. Voorbeelden zijn opstarten van de motorgenerator zelf (totdat deze zijn nominale snelheid bereikt), opstarten van andere belastingen die door de motorgenerator worden gevoed (liften, airconditioningsystemen), of het afstoten van belastingen. Dit kan problemen veroorzaken met lijninteractieve UPS'en waarvan de uitgangsfrequentie identiek is aan de ingangsfrequentie. Variaties in generatorfrequentie kunnen leiden tot meerdere omschakelingen op batterijvoeding (frequentie valt buiten toleranties) en terugschakelingen naar netstroom (wanneer de inverter de frequentie heeft gestabiliseerd, maar de generator zelf nog niet is gestabiliseerd), hetgeen leidt tot 'jagende' verschijnselen (instabiliteit rondom het frequentie-instelpunt). Bij UPS'en met dubbele conversie wordt dit probleem voorkomen dankzij de regeling van het uitgangsvermogen door de inverter. ) UPS'en met dubbele conversie zijn geheel compatibel met de fluctuaties in de frequentie van motorgeneratoren. Dit is niet het geval voor lijninteractieve UPS'en.

Harmonischen De subtransiente reactantie X"d van een generator is meestal hoger dan de kortsluitingsspanning Uscx van een transformator (twee tot vier keer hoger). Als er harmonische stromen door de UPS-gelijkrichter worden opgenomen, kunnen deze een grotere invloed hebben op de harmonische vervorming van de spanning op de stroomopwaartse busbars. Met de PFC-gelijkrichtertechnologie voorkomt de afwezigheid van stroomopwaartse harmonischen dit probleem.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 52

Combinatie van UPS met generator (vervolg)

Overzicht van inschakelstroom Tijdens het opstarten veroorzaken een aantal belastingen aanzienlijke inschakelstromen (inschakelpieken), die een bepaalde tijd duren. Voor de UPS vormen deze stromen een schijnbare belasting Sa (kVA) die groter is dan Sn (kVA), die kan worden gevoed onder stationaire omstandigheden. De waarde van Sa waar rekening mee moet worden gehouden bij het vaststellen van de hoeveelheid UPS-vermogen, wordt berekend op basis van deze inschakelstromen. Hieronder vindt u gegevens over deze stromen die door normale belastingsapparaten worden veroorzaakt.

Motoren Motoren zijn over het algemeen van het driefasige, asynchrone type (95% van alle motoren). De aanvullende vermogensvereisten komen overeen met de opstartstroom die is gedefinieerd door (fig. 5.30): • Id (5 tot 8 In, nominale rms-waarde) voor een tijdsduur td (1 tot 10 seconden), • Imax = 8 tot 12 In, voor 20 tot 30 milliseconden. Het opgenomen vermogen waar rekening mee moet worden gehouden (zonder te letten op het piekeffect van Imax) is: Sa (kVA) = Un Id 3 gedurende td.

LV/LV-transformators Omschakelen van transformators produceert stroompieken met amplituden die worden gematigd volgens een exponentieel verval met een tijdconstante (zie fig. 5.31). • i = I1e piek exp -t/τ waarbij τ een paar cycli is (30 tot 300 ms). • I1e piek = k In (waarbij k gegeven is, meestal 10 tot 20). Indicaties omvatten meestal het aantal cycli gedurende welke het verschijnsel zich voordoet en de waarde van de verschillende pieken als een percentage van I1e piek. De overeenkomstige inschakelstroom wordt meestal berekend op grond van (zie voorbeeld): • Sa (kVA) = Un I1e piek 3 , dus Sa (kVA) = k Un In 3 gedurende het aantal cycli. • Voorbeeld van een inschakelstroom die in vier cycli wordt gematigd met: 1e piek (100%): k In (k van 10 tot 20), 2e piek 30 %: 0,3 k In, 3e piek 15 %: 0,15 k In, Het totaal van de rms-waarden van de stromen die overeenkomen met de verschillende pieken (Ipiek / 2 ) (1) is: k In (1 + 0,3 + 0,15) K In 1,45 = ≈ k In 2 2 Dit is ongeveer gelijk aan de waarde van alleen de eerste piek. (1)

Als de stroompieken als sinusgolven worden gezien, is het zo dat sommige fabrikanten een rms-waarde van Ipeak / 2 aangeven.

Computerbelastingen Omschakelende stroomvoedingen zijn niet-lineaire belastingen. De stroom voor een enkelfasige belasting heeft een golfvorm die lijkt op die in figuur 5.32. Er kan een piek voorkomen tijdens de eerste halve golf van ongeveer 2 In. Deze is echter over het algemeen veel lager dan dit en kan worden genegeerd.

Fig. 5.30. Curve voor direct on- Fig. 5.31. LV/LV-transformator Fig. 5.32. Startstroom van line starten van een driefasige die stroom omschakelt. computerbelasting. asynchrone motor. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 53

Harmonischen (vervolg)

Harmonischen

Oorsprong van harmonischen Door het toenemende gebruik van computers, telecommunicatietoestellen en vermogenselektronica is het aantal niet-lineaire belastingen dat is aangesloten op stroomsystemen, sterk gestegen. Deze toepassingen hebben omschakelende stroomvoedingen nodig die de sinusgolf van de spanning omschakelen naar periodieke signalen met verschillende golfvormen. Al deze periodieke signalen van frequentie f zijn het product van toegevoegde sinusvormige signalen met frequenties die veelvouden zijn van f, ook wel harmonischen genoemd (zie de sectie "Kenmerkende harmonische waarden" waarin de Stelling van Fourier wordt besproken hieronder, op pagina 40). Figuur 5.32 illustreert dit door de beginstroom te tonen (de grondfrequentie) en de 3e harmonische. Deze figuur toont wat er gebeurt wanneer een derde harmonische (150/180 Hz) wordt toegevoegd aan de grondfrequentie (50/60 Hz). De frequentie van het resulterende periodieke signaal is de grondfrequentie, maar de golfvorm is vervormd.

Fig. 5.33. Voorbeeld van harmonischen.

De toenemende aanwezigheid van harmonischen is een verschijnsel dat een probleem vormt voor alle elektrische installaties, commercieel en industrieel, maar ook binnen onze woningen. Geen enkele moderne elektrische omgeving ontkomt aan deze storingen die worden veroorzaakt door apparaten zoals pc's, servers, tlbuizen, airconditioners, aandrijvingen met variabele snelheid, ontladingslampen, gelijkrichters, statische voedingseenheden, magnetronovens, televisies, halogeenlampen, enz. Al deze belastingen worden 'niet-lineair' genoemd.

Gevolgen van harmonischen Harmonischen verstoren, in steeds ernstigere mate, allerlei soorten activiteiten, bijvoorbeeld in fabrieken die elektronische onderdelen en gegevensverwerkingsystemen produceren, in gemalen, telecommunicatiesystemen, televisiestudio's enz, omdat zij een groot deel van de opgenomen stroom vertegenwoordigen. Er zijn drie soorten negatieve gevolgen voor gebruikers:

Invloed op de elektrische installatie Harmonischen verhogen de waarde van de rms-stroom ten opzichte van de waarde van de nominale sinusvormige stroom. Het resultaat is een stijging van de temperatuur (soms drastisch) in leidingen, transformators, generatoren, condensators, kabels, enz. De verborgen kosten van versnelde slijtage in zulke apparaten kunnen zeer hoog zijn.

Invloed op toepassingen Harmonische stromen circuleren in de bron- en leidingimpedanties en genereren op die manier spanningsharmonischen die leiden tot spanningsvervormingen op de busbar stroomopwaarts van de niet-lineaire belastingen (figuur 5.34). De vervorming van de voedingsspanning (stroomopwaartse THDU - Total harmonic distortion in voltage) kan de werking van bepaalde gevoelige apparatuur die op deze busbars is aangesloten, verstoren. Bovendien cumuleert voor TNC-systemen waarbij N- en PE-geleiders zijn gecombineerd om een PEN -geleider te vormen, de derde harmonische met nulsequentie in de nulgeleider. Deze niet-gebalanceerde stroom in de nulleider kan circuits storen die apparaten met laag stroomverbruik met elkaar verbinden en kunnen een te grote omvang van de nulleider vereisen. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 54


Fig. 5.34. Spanningsvervorming vanwege herintroductie van harmonische stromen door nietlineaire belastingen.

Invloed op de beschikbare elektrische voeding Harmonischen veroorzaken een duidelijk stroomverlies (tot 30% hoger stroomverbruik). De gebruiker betaalt meer voor minder stroom.

Voorzorgsmaatregelen Algemeen

Er zijn een aantal traditionele oplossingen om harmonischen te beperken: • installatie van afgestelde passieve filters, • installatie in parallel van verschillende kabels met middelgrote dwarsdoorsneden, • scheiding van niet-lineaire belastingen en gevoelige belastingen achter isolerende transformators. Deze oplossingen hebben echter twee grote nadelen: • beperking van harmonischen is alleen effectief in de bestaande installatie (als er belastingen worden toegevoegd of verwijderd, kunnen de maatregelen hun doel al missen), • implementatie is moeilijk in bestaande installaties. Actieve harmonische spanningsregelaars van AccuSine (zie hoofdstuk 3) vermijden deze nadelen. Deze oplossingen zijn veel effectiever dan andere oplossingen. Ze kunnen worden gebruikt bij alle soorten belastingen en kunnen op selectieve basis harmonischen elimineren van de 2e tot de 25e rangorde. Î Elimineren van harmonischen, zie "elimineren van harmonische stromen"

UPS'en

• Door de gelijkrichter/oplader is een UPS een niet-lineaire belasting voor zijn voedingsbron. UPS'en van Schneider Electric bieden een perfecte controle over stroomopwaartse harmonischen door het gebruik van 'schone' PFC-gelijkrichters of filters (Galaxy PW en 9000). Stroomopwaarts van de UPS blijft de totale spanningsvervorming binnen acceptabele grenzen voor de andere apparaten die op dezelfde busbars zijn aangesloten.

Gebruikelijke harmonische waarden

Stroomwaarden Harmonische expansie van een periodieke stroom De Stelling van Fourier geeft aan dat een willekeurige periodieke functie met een frequentie f kan worden uitgedrukt als de som van termen (series) die bestaan uit: • een sinusvormige term met frequentie f, de grondfrequentie genoemd, • sinusvormige termen met frequenties die gehele veelvouden zijn van de grondfrequentie, dus de harmonischen, • een gelijkstroomcomponent, indien van toepassing. Toepassing van de Stelling van Fourier op de stromen van niet-lineaire belastingen laat zien dat een periodieke stroom I(t), van willekeurige vorm op frequentie f (50 of 60 Hz), de som is van harmonische sinusvormige stromen die worden gedefinieerd door: ∞

I( t) = IH1 2 sin(ωt + ϕ1) +

∑ IHn

2 sin(nωt + ϕn)

n= 2

waarbij • IH1 de rms-waarde is van de grondstroom op frequentie f (50 of 60 Hz), Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 55


• ω = 2 π f de hoekfrequentie is van de grondfrequentie, • ϕ1 de faseverschuiving is tussen de grondstroom en de spanning, • IHn de rms-waarde is van de ne harmonische, op frequentie nf, • ϕn de faseverschuiving is tussen de ne harmonische stroom en de spanning. Het is belangrijk om de harmonischen te evalueren (n ≥ 2) met betrekking tot de grondfrequentie (n = 1) om vast te stellen in welke mate de functie verschilt van de grondfrequentie. Daarom wordt rekening gehouden met onderstaande waarden.

Afzonderlijke harmonische inhoud van de stroom Deze waarde duidt de verhouding aan in percentages tussen de rms-waarde van de gegeven harmonische en die van de grondfrequentie. IHn Ihn % = 100 IH1 Alle harmonischen die in een gegeven stroom aanwezig zijn met aanduiding van hun relatieve belang (Ihn-waarden) vormen het harmonische spectrum van de stroom. Over het algemeen kan men stellen dat de invloed van de rangorden boven de 25e te negeren is.

Totale harmonische vervorming van stroom Deze vervorming wordt THDI genoemd (Total Harmonic Distortion, waarbij I voor de stroom staat). Het drukt de verhouding tussen de rms-waarde van alle harmonischen uit (n ≥ 2) en die van de grondfrequentie. De THDI wordt ook uitgedrukt in termen van de afzonderlijke harmonischen. ∞

∑ IH

n

2 ∞

n= 2

THDI% = 100

= 100

IH1

⎡ IHn ⎤ ⎢ ⎥ IH n= 2 ⎣ 1 ⎦

∑

∞

2

=

∑ (Ih %) n

2

n= 2

Opmerking. Harmonische inhoud wordt soms uitgedrukt met betrekking tot de complete signaal-Irms en niet de grondfrequentie (IEC-documenten). Hier gebruiken we de definitie van de CIGREE, die de grondfrequentie gebruikt. Voor de lage harmonische inhoud die op de volgende pagina's wordt geanalyseerd, produceren de twee definities nagenoeg identieke resultaten.

Rms-waarde van een stroom met harmonischen De rms-waarde van een wisselstroom met een periode T is: Irms =

1 T

∫

T

0

I( t) dt 2

Na berekening en met gebruik van de harmonische weergave, kan dit worden uitgedrukt als: ∞

Irms =

∑ IH

n

2

n =1

waarbij IHn = rms-waarde van de ne harmonische. De rms-waarde wordt ook uitgedrukt als: ∞

Irms = IH12 +

∑ IH

n

2

of:

n= 2 ∞

Ieff = IH1 1 +

∑ n=2

⎡ IHn ⎤ ⎢ ⎥ ⎢⎣ IH1 ⎥⎦

2

dus:

∞

Irms = IH1 1 +

∑ Ih

n

2

= IH1 1 + THDI2

n= 2

• Ihn = Ihn% / 100 (afzonderlijk niveau uitgedrukt als een waarde en niet als een percentage). • THDI = THDI% / 100 (vervorming uitgedrukt als een waarde en niet als een percentage).

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 56


De rms-waarde van de stroom is die van de grondfrequentie, vermenigvuldigd met een coëfficiënt dat afkomstig is van de harmonischen en een functie van de vervorming is. ) Eén effect van harmonischen is daarom het verhogen van de rms-waarde van de stroom, wat kan leiden tot temperatuurstijging en daarom grotere geleiders vereist. Hoe lager de vervorming, hoe minder noodzaak voor grotere geleiders.

Voorbeeld Ingangsstroom van een driefasige gelijkrichter. Harmonische vervormingsniveaus

Ih5 = 33% Ih7 = 2.7% Ih11 = 7.3% Ih13 = 1.6% Ih17 = 2.6% Ih19 = 1.1% Ih23 = 1.5% Ih25 = 1,3% THDI = 35% Fig 5.35. Voorbeeld van het spectrum van een harmonische stroom. ∞

THDI% =

∑ (Ih %)

2

n

n= 2

De waarde onder het wortelteken is: 332 + 2.72 + 7.32 + 1.62 +2.62 + 1.12 + 1.52 +1.32 = 1164 daarom THDI% ≈ 34% en THDI = 0,34.

Ieff = IH1 1+ THDI2 = IH1 1 + 0.342 = 1,056 x I1 De rms-waarde van deze stroom is daarom 5,6% hoger dan de rms-waarde van de grondfrequentie, dus dan de nominale stroom die geen harmonischen bevat, met een overeenkomstige temperatuurstijging.

Spanningswaarden Bij de terminals van een niet-lineaire belasting, waardoor een vervormde periodieke wisselstroom loopt, is de spanning ook periodiek met een frequentie f en wordt deze ook vervormd ten opzichte van de theoretische sinusvormige golf. De verhouding tussen spanning en stroom valt niet meer onder de lineaire wet van Ohm, omdat deze alleen geldt voor sinusvormige spanningen en stromen. Het is echter wel mogelijk om een uitbreiding van Fourier toe te passen voor de spanning en de volgende waarden te definiëren, net als bij de stroom en met dezelfde resultaten: Afzonderlijke harmonische inhoud van de spanning UHn Uhn % = 100 UH1 Het harmonische spectrum kan ook worden berekend voor de spanning. Totale harmonische vervorming van spanning ∞

∑ UH

n

THDU% = 100

2

n= 2

UH1

∞

= 100

⎡ UHn ⎤ ⎢ ⎥ UH1 ⎦ n= 2 ⎣

∑

∞

2

=

∑ (Uh )

2

n

n= 2

THDU voor Total Harmonic Distortion, waarbij U voor de spanning staat.

Rms-waarde van een spanning met harmonischen ∞

Irms =

∑ IH

n

2

n =1

Dit kan, net als bij de stroom, ook worden uitgedrukt als:

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 57


∞

Urms = UH1 1+

∑Uh

n

2

= IH1 1+ THDU2

n=2

) De rms-waarde van de spanning is die van de grondfrequentie, vermenigvuldigd met een coëfficiënt die afkomstig is van de harmonischen.

Vermogenswaarden

Vermogensfactor in de aanwezigheid van harmonischen Op grond van het actieve vermogen op de terminals van een niet-lineaire belasting P (kW) en het geleverde schijnbare vermogen S (kVA), wordt de vermogensfactor bepaald door: P (kW ) λ= S (kVA ) Deze vermogensfactor weerspiegelt niet de faseverschuiving tussen de spanning en de stroom omdat deze niet sinusvormig zijn. Het is echter mogelijk om de verschuiving te bepalen tussen de grondspanning en de grondstroom (beide sinusvormig) door: P1(KW ) cos ϕ1 = S1(kVA ) waarbij P1 en S1 respectievelijk het actieve en reactieve vermogen zijn, overeenkomstig met de grondwaarden. Standaard IEC 146-1 definieert de vervormingsfactor: λ ν= cos ϕ1 Wanneer er geen harmonischen zijn, is deze factor gelijk aan 1 en is de vermogensfactor gewoon de cos ϕ.

Vermogen in de aanwezigheid van harmonischen

• Langs de terminals van een gebalanceerde, driefasige lineaire belasting, gevoed door een fase-naar-fase-spanning u(t) en een stroom I(t), waarbij de verschuiving tussen u en i ϕ bedraagt, is het schijnbare vermogen in kVA, afhankelijk van de rmswaarden U en I: S = UI 3 Het actieve vermogen in kW is: P = S cos ϕ Het reactieve vermogen in kvar is: Q = S sin ϕ waarbij:

S=

P 2 + Q2

• Op de terminals van een niet-lineaire belasting is de wiskundige definitie van P veel ingewikkelder, omdat U en I harmonischen bevatten. Dit kan echter eenvoudig worden uitgedrukt als: .P = S λ. (λ = vermogensfactor) Als U1 en I1 de grondwaarden zijn die worden verschoven door ϕ1, is het mogelijk om het overeenkomstige schijnbare, actieve en reactieve vermogen te berekenen middels: S1= U1 I1 3

P1 = S1 cos ϕ1 en Q1 = S1 sin ϕ1. Het totale schijnbare vermogen is:

S = P12 + Q12 + D2 waarbij D het vervormende vermogen is, vanwege de harmonischen.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 58

Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg) Prestaties voor niet-lineaire belastingen van UPS'en die PWM-gebruiken

Belang van de uitgangsimpedantie van de UPS Overeenkomstig diagram van een inverteruitgang

Wat betreft de belasting, is een inverter een perfecte bron van sinusvormige spanning V0 in series met een uitgangsimpedantie Zs. Figuur 5.36 toont het overeenkomstige diagram van de inverteruitgang wanneer er een belasting aanwezig is.

Vc = impedantie langs de belastingsterminals. Vs = impedantie bij de inverteruitgang. ZL = lijnimpedantie. Zc = belastingsimpedantie. Fig. 5.36. Overeenkomstig diagram van een inverteruitgang. De inverteruitgang is een perfecte spanningsbron V0 in series met een uitgangsimpedantie Zs.

Effecten van verschillende soorten belasting

• Voor een lineaire belasting worden de impedanties Zs, ZL, Zc geëvalueerd op de hoekfrequentie ω = 2 π f overeenkomstig de distributiefrequentie (f = 50 of 60 Hz), hetgeen V0 = (Zs + ZL + Zc) I oplevert • Voor een niet-lineaire belasting vloeien de harmonische stromen die door de belasting worden opgenomen, door de impedanties. Voor de grondfrequentie en elke afzonderlijke harmonische staan de rms-waarden van de stroom en de spanning in dezelfde verhouding en kunnen deze worden uitgedrukt als: - voor de grondfrequentie: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1 - voor elke harmonische rangorde k: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK De impedantiewaarden worden geëvalueerd op de frequentie kf van de gegeven rangorde. De spanningsvervorming neemt af met de afzonderlijke niveaus van de spanningsharmonischen UK / U1. Deze niveaus staan in verhouding tot die van de harmonische stromen IK/ I1 middels de vergelijking: [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc). ) Daarom verminderen, voor een gegeven spectrum van een belastingsstroom, de afzonderlijke niveaus van spanningsharmonischen en de totale vervorming (THDU), met de impedantie van de bron en de kabels op de gegeven frequenties.

Gevolgen van niet-lineaire belastingen Om de effecten van de harmonische stromen tegen te gaan (THDU op B en C), is het nodig, voor zover mogelijk, om: • de lijnimpedantie te verminderen, • voor een lagere bronimpedantie te zorgen op de verschillende harmonische frequenties. ) Goed functioneren van een UPS die niet-lineaire belastingen voedt, vereist een lage uitgangsimpedantie op de verschillende harmonische frequenties. Hieronder staan de voordelen genoemd van de PWM-afsnijtechniek (pulse width modulation) in dit verband.

Werkingsprincipe UPS

Afsnijden van de gelijkstroomspanning door de inverter met filtering Een inverter bestaat uit een omvormer die gelijkstroom die door de gelijkrichter/oplader of de batterij wordt geleverd, omvormt in wisselstroom. Bij een enkelfasige UPS zijn er bijvoorbeeld twee manieren om gelijkstroom om te vormen, door ofwel een halve brug te gebruiken (zie fig. 5.37) of een hele brug (zie fig. 5.38). Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 59

Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg) De blokgolfspanning die tussen A en B wordt verkregen, wordt vervolgens gefilterd om een sinusvormige spanning te produceren met een lage mate van vervorming bij de uitgang.

De schakelaars die hier zijn afgebeeld om het principe te illustreren, zijn beheerde IGBT's. Fig. 5.37. Gelijkstroom-/wisselstroomomvormer met halve brug. Fig. 5.38. Gelijkstroom/wisselstroomomvormer met hele brug.

In de praktijk zijn de schakelaars die in de figuren 5.37 en 5.38 zijn afgebeeld, IGBT's waarbij het mogelijk is om de relatieve aan- en uit-tijden in te stellen. Door de aan- en uit-tijden in te stellen, is het mogelijk om de spanning over de sinusvormige referentiegolf te 'distribueren'. Dit principe wordt PWM (pulse width modulation: pulsbreedtemodulatie) genoemd. Het wordt vereenvoudigd weergegeven, met vijf blokvormige pulsen, in figuur 5.39. Het gebied van de sinusvormige spanningsgolf is gelijk aan dat van de blokvormige pulsen die werden gebruikt om het te genereren. Deze gebieden vertegenwoordigen de door de inverter geleverde voeding aan de belasting gedurende een bepaalde tijd, dus

T

∫ VIdt 0

Hoe hoger de afsnijfrequentie (hoe hoger het aantal blokvormige pulsen), hoe beter de regeling is met betrekking tot de referentiegolf. Afsnijden vermindert ook de grootte van het benodigde interne filter op de LC-uitgang (zie fig. 5.40).

Fig. 5.39. Uitgangsspanning van gelijkstroom- Fig. 5.40. Uitgangsfilter van inverter. /wisselstroomomvormer met vijf blokvormige pulsen per halve golf.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 60

Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg) PWM-inverters PWM-afsnijding

De afsnijtechniek bij PWM (pulse width modulation) combineert het afsnijden van hoge frequenties (een paar kHz) van de gelijkstroomspanning door de inverter en de regeling van de pulsbreedte voor de inverteruitgang, om te voldoen aan een sinusvormige referentiegolf. Deze techniek gebruikt IGBT's (insulated gate bipolar transistors) die de voordelen van spanningsregeling en zeer korte commutatietijden bieden. Vanwege de hoge frequentie kan het regelsysteem snel reageren (bijvoorbeeld 333 nanoseconden voor een frequentie van 3 kHz) om de pulsbreedten binnen een gegeven tijdsduur aan te passen. ) Vergelijking met de referentiespanningsgolf maakt het mogelijk om de uitgangsspanning van de inverter binnen strikte vervormingstoleranties te houden, zelfs voor ernstig vervormde stromen.

Functioneel diagram van een PWM-inverter Figuur 5.41 toont het functionele diagram van een PWM-inverter. De uitgangsspanning wordt doorlopend vergeleken met de referentiespanning Vref die een sinusvormige golf is met een zeer lage mate van vervorming (< 1%). Het verschil in de spanning ε wordt verwerkt door een corrector, volgens een omschakelfunctie C(p), die bedoeld is om de prestaties en stabiliteit van het beheer te waarborgen. De spanning van de corrector wordt vervolgens versterkt door de gelijkstroom/wisselstroomomvormer en zijn beheersysteem met een winst A. De spanning Vm die door de converter wordt geleverd, wordt gefilterd door het LC-filter om de uitgangsspanning Vs te leveren. In de praktijk is het nodig om rekening te houden met de impedantie van de uitgangstransformatior wanneer deze er is, om de totale inductiviteit L te verkrijgen. Vaak is de inductiviteit in de transformator ingebouwd, en daarom is deze niet opgenomen in diagrammen.

Fig. 5.41. Functioneel diagram van een PWM-inverter.

Uitgangsimpedantie van een PWM-inverter Het is mogelijk om bovenstaande gelijkstroom-/wisselstroomomvormer en filter als een seriële impedantie Z1 en een parallelle impedantie Z2 weer te geven (zie de linkerkant van fig. 5.42). Het diagram kan worden gewijzigd om de uitgangsimpedantie Zs weer te geven. Het betreffende diagram (rechterkant van fig. 42) toont: Z2 • V'm = spanning gemeten tijdens ontbreken van belasting, dus. V'm = Vm Z1 + Z 2 • Zs = impedantie gemeten bij de uitgang met kortsluiting bij V'm, dus: Z1 Z 2 Zs = Z1 + Z 2

Fig. 5.42. Overeenkomstig diagram van een inverter zoals gezien vanaf de uitgang. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 61

Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg) Z2 is de omschakelfunctie van het filter, H(p) genoemd. Z1 + Z 2 Vereenvoudigd: C(p) x A wordt vervangen door μ(p) die de omschakelfunctie van de correctie en versterking vertegenwoordigt. Op die manier is het mogelijk om fig. 5.41 te vervangen door het functionele diagram in fig. 5.43. De verhouding

Fig. 5.43. Getransformeerd functioneel diagram van een PWM-inverter met afsnijfunctionaliteit, uitgerust met een regelsysteem voor de uitgangsspanning met een gemoduleerde afsnijfrequentie.

Het is mogelijk om te laten zien dat de uitgangsimpedantie Zs van de inverter in dit geval gelijk is aan: Z1 Z' s ≈ μ (p) (raadpleeg Schneider Electric Cahier Technique document no. 159 voor meer informatie). Dit betekent dat in het doorlaatbereik van de regeling de uitgangsimpedantie van de inverter gelijk is aan de impedantie van de filterserie, gedeeld door de toename van de correctie en versterking. Gezien de hoge toename in het doorlaatbereik van de regeling, wordt de uitgangsimpedantie aanzienlijk gereduceerd vergeleken met impedantie Z1 van een inverter zonder dit type regeling. Buiten het doorlaatbereik is de uitgangsimpedantie van de inverter gelijk aan die van het filter, maar blijft deze laag omdat deze overeenkomt met de impedantie van een hoogfrequente condensator. Daarom is de uitgangsimpedantie een functie van de frequentie (zie fig. 5.44). ) De vrije-frequentie PWM-techniek (pulse width modulation) beperkt de uitgangsimpedantie aanzienlijk.

Vergelijking van verschillende bronnen

Uitgangsimpedantie van verschillende bronnen De curven in figuur 5.44 tonen de uitgangsimpedanties voor verschillende bronnen met gelijke uitgangsvermogens als een functie van de wisselstroomfrequentie. De impedanties worden uitgezet als een percentage van de belastingsimpedantie Zc. • Transformators en generatoren - de curve is een rechte lijn die overeenkomt met het effect van de inductiviteit L (de term die steeds vaker wordt gebruikt in de reactantie met betrekking tot de weerstand en die lineair toeneemt als een functie van de frequentie). • Moderne inverters implementeren de PWM-afsnijtechniek met gemoduleerde afsnijfrequentie, op alle harmonische frequenties is de Zs/Zc-verhouding: - minder dan die die voor andere bronnen is vastgesteld, - laag en nagenoeg constant.

Conclusie De PWM-inverter is de bron die verreweg de laagste uitgangsimpedantie biedt als er sprake is van harmonischen. Het is duidelijk de beste bron op de markt wat betreft het vermogen om de spanningsvervorming die wordt veroorzaakt door niet-lineaire belastingen, te minimaliseren. Het is vijf tot zes keer beter dan een transformator met een identiek nominaal vermogen. ) De nieuwe generatie UPS'en die IGBT's en de PWM-afsnijtechniek implementeren met frequentiemodulatie zijn de beste bronnen van sinusvormige spanning, wat het type stroom ook mag zijn dat door de belasting wordt opgenomen. Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 62

Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)

Fig. 5.44. Uitgangsimpedantie van verschillende bronnen afhankelijk van de frequentie.

Chopping met vrije frequenties

Chopping met vrije frequenties Vrije frequentie is een verbetering van de PWM-techniek. PWM-afsnijden kan een van twee technieken gebruiken (fig. 5.45). Afsnijden van de vaste frequentie De afsnijpunten bevinden zich op vaste, regelmatige intervallen die overeenkomen met de afsnijdfrequentie gedurende een periode. De breedte van de pulsen (blokvormige pulsen) kan worden gemoduleerd om te voldoen aan de referentie binnen het vastgestelde tijdsinterval. De twee sinusgolven die in het diagram zijn afgebeeld, komen overeen met de tolerantie (< 1%) rond de referentiesinusgolf. Chopping met vrije frequenties De afsnijpunten komen niet per se voor op vaste intervallen. Afsnijden past zich aan de vereisten van de regeling aan, dat wil zeggen de veranderingssnelheid van de referentie. De breedte van de commutatiepunten neemt af (de afsnijdfrequentie neemt toe) naarmate de veranderingssnelheid van de referentiesinusgolf toeneemt. Omgekeerd neemt de breedte van de commutatiepunten toe (de afsnijdfrequentie neemt af) naarmate de veranderingssnelheid van de referentie afneemt. Over het algemeen is de gemiddelde afsnijdfrequentie dezelfde als die voor techniek met vaste frequentie (ongeveer 3 kHz). Maar de regeling is beter omdat de commutatie toeneemt in de zones waar de veranderingssnelheid hoog is (zie fig. 5.46). Het kan acht commutaties per milliseconde bereiken, dus een regeltijd die slechts 125 nanoseconden bedraagt (vergeleken met 300 ns voor de techniek met vaste frequentie). ) De vrije-frequentie techniek verhoogt de precisie van de spanningsregeling in PWM-inverters vergeleken met de techniek met vaste frequentie.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 63

Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)

De afsnijdfrequentie is vast. Modulatie vindt plaats binnen vaste intervallen, ongeacht de veranderingssnelheid van de referentiesinusgolf.

Vaste frequentie.

De vrije afsnijdfrequentie neemt toe waar de veranderingssnelheid van de referentie hoog is. Modulatie vindt daarom plaats binnen intervallen die korter zijn wanneer de veranderingssnelheid van de referentiesinusgolf toeneemt. Vrije frequentie.

Fig. 5.45. PWM-afsnijden met regeling met vaste frequentie en vrije frequentie.

Free-frequency switching

Quality band with variations < 1% Output voltage curve

Up to 8 commutations per millisecond

Fig. 5.46. Regeling die gebruikmaakt van commutatie met vrije frequentie.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 64

PFC-gelijkrichters

Standaard- en PFC-gelijkrichters 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 opneemt. Met betrekking tot harmonischen zijn er twee soorten gelijkrichters.

Standaardgelijkrichters Dit zijn driefasige gelijkrichters die SCR's bevatten en een zesfasige brug gebruiken met standaard afsnijding van de stroom. Dit type brug neemt harmonische stromen op met rangorden 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.

'Schone' PFC-gelijkrichter (Power Factor Correction) Dit type gelijkrichter bestaat uit ingebouwde IGBT's en een regelsysteem 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 ingangsvermogensfactor hebben dichtbij 1. Met dit soort gelijkrichter zijn er geen filters nodig.

PFC-gelijkrichters Werkingsprincipe

Het principe achter PFC-gelijkrichters is dat de opgenomen stroom wordt gedwongen om sinusvormig te blijven. Daartoe wordt de bovenstaande PWMtechniek gebruikt. Het principe is dat van een 'spanningsbron'-converter (zie fig. 5.47), terwijl de actieve harmonische spanningsregelaar van AccuSine een 'stroombron'-converter gebruikt. De converter fungeert als een achterwaartse elektromotorische kracht (een 'sinusvormige spanningsgenerator') op het distributiesysteem en de sinusvormige stroom wordt verkregen door een inductor te plaatsen tussen de netstroom en de spanningsbron. Zelfs als andere niet-lineaire belastingen de spanningsvervorming opvoeren op het distributiesysteem, kan de regeling zich aanpassen om een sinusvormige stroom op te nemen. De frequentie van harmonische stromen met laag residu is de frequentie van de modulatie en zijn veelvouden. Frequentie hangt af van de mogelijkheden van de gebruikte halfgeleiders.

Fig. 5.47. Werkingsprincipe van een schone 'spanningsgenerator'-converter.

Implementatie Enkelfasige gelijkrichter Figuur 5.48 toont de werking van een enkelfasige gelijkrichter. Spanningsmodulatie wordt verkregen door een controller die de stroom dwingt een sinusvormige stroomreferentie te volgen. Transistor T en diode D vormen de spanningsregelaar. De spanning u verandert dus tussen 0 en Vs al naar gelang transistor T in de aan- of uit-stand staat. Wanneer transistor T geleidt, kan de stroom in inductor L alleen toenemen als de spanning positief is en u = 0. Daarom: di e = >0 dt L Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 65

Wanneer transistor T uit staat, neemt de stroom L af, mits Vs groter is dan V, zodat: di e − Vs = >0 dt L Deze voorwaarde kan pas vervuld worden als spanning Vs groter is dan de piekspanning V, dat wil zeggen, de rms-waarde van de gelijkstroomspanning vermenigvuldigd met 2 Als deze voorwaarde is vervuld, kan de stroom in L worden verhoogd of verlaagd op elk gewenst moment. De variatie van de stroom in L met tijd kan worden afgedwongen door de respectievelijke aan- en uit-tijden van transistor T te bewaken. Figuur 5.49 toont de ontwikkeling van stroom IL ten opzichte van een referentiewaarde.

Gezien vanuit de bron moet de converter handelen als een weerstand, dus stroom i moet sinusvormig zijn en in fase met e (cos ϕ = 1). Door de transistor T aan te sturen, dwingt de controller IL een sinusvormige stroomreferentie te volgen met gelijkrichting van de volledige golf. De vorm van I is daarom per definitie sinusvormig en in fase met e. Bovendien past de controller de gemiddelde waarde van IL aan om de spanning Vs op zijn nominale waarde te houden bij de uitgang.

Fig. 5.48. Diagram van een schone, enkelfasige gelijkrichter die een sinusvormig signaal opneemt.

Fig. 5.49. Ontwikkeling van stroom IL met betrekking tot de referentie.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 66

Driefasige gelijkrichter/oplader Het hoofdcircuitsysteem wordt afgebeeld in fig. 5.50. Het lijkt op dat in fig. 5.48, waarbij de inductor stroomopwaarts van de gelijkrichters wordt geplaatst. Het werkingsprincipe is ook hetzelfde. Het bewakingssysteem stuurt elke vermogensarm aan en dwingt de stroom die op elke fase wordt opgenomen, om de sinusvormige referentie te volgen

Fig. 5.50. Diagram van een schone, driefasige gelijkrichter die een sinusvormig signaal opneemt.

Schneider Electric

Editie 09/2015

p. 67

Overzicht van de theorie

Recommend Documents