Betriebsweise und Funktion eines schwungradbasierten unterbrechungsfreien Stromversorgungssystems (USV)

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1 Betriebsweise und Funktion eines schwungradbasierten unterbrechungsfreien Stromversorgungssystems (USV) Technische Dokumentation W. Braker Lane, BK12 Austin, Texas

2 ZIELSETZUNG Dieser Beitrag beschreibt die Betriebsweise, den Aufbau und die Funktion eines integrierten schwungradbasierten USV-Systems. Diese Produktreihe arbeitet ganz ohne Batterien und beruht auf einem modularen Design, das eine Erweiterung der Kapazität im Feld und eine interne Redundanz ermöglicht. 2

3 KONFIGURATION Das USV-System CleanSource verwendet die in Abbildung 1 dargestellte batteriefreie Leistungseinheit als grundlegendes Bauteil. Diese Leistungseinheit umfasst die folgenden Hauptkomponenten: Eingangsschütz Statischer Trennschalter Netzdrossel Ausgangsschütz Integrierter Motor-Generator des Schwungrads Bidirektionaler Umrichter des Schwungrads Bidirektionaler Netzumrichter Filter des Netzumrichters Treiber für Feldspulen des Schwungrads Die Nenndaten des Systems sind 300 kva für 480-Volt-Systeme und 250 kva für 400-Volt- Systeme (380V, 400V, 415V). Eine oder mehrere parallele Leistungseinheiten sind mit einem automatischen Bypass, einem Erdungstransformator oder verschiedenen Optionen wie dem Statikschalterbypass und dem Wartungsbypass ausgestattet und bilden so ein vollständiges USV-Modul. USV-Module sind entweder als einzelne Leistungseinheit (SPS-System) oder als paralleles System mehrerer Leistungseinheiten (MPS-System) konfiguriert. Ein SPS-System, wie in Abbildung 1 dargestellt, enthält nur eine Leistungseinheit und kann nicht vor Ort erweitert werden. Systemkomponenten, wie der automatische Bypass, der Statikschalterbypass und der Ausgangstransformator sind auf nur eine Leistungseinheit ausgerichtet. Statischer Bypass Wirkleistung Trennschalter Wirkleistung Bypass-Schütz Blindstrom Ladestrom Startabfolge: Eingangsschütz Statischer Trennschalter Netzdrossel Halbleitersicherung Ausgangsschütz Blindleistung System im Bypass unter Spannung Einstellung des Schlüsselschalters auf Online Interne Tests Eingangsschütz schließt Statischer Schalter schaltet ein Netzstromrichter startet - Gleichrichter - geregelte Spannungsquelle - aktives Oberschwingungsfilter Ausgangsschütz schließt Ladestrom Schwungrad und Elektromaschine Filterdrossel Netzstromrichter Schwungradstromrichter 3 Abbildung 1: Übersichtsbild einer einzelnen Leistungsstufe der CleanSource-USV (SPS-System)

4 Ein MPS-System kann eine bis drei Leistungseinheiten zur Kapazitätssteigerung und eine weitere Leistungseinheit als Redundanz beinhalten. Das MPS-System kann bei 400 Volt ein bis vier Leistungseinheiten zur Kapazitätssteigerung sowie ein bis drei Leistungseinheiten und eine zusätzliche Leistungseinheit als Redundanz beinhalten. Leistungsbaugrößen bei 480 V sind 300 kva, 600 kva und 900 kva. Die entsprechenden 400 Volt Baugrößen sind 250 kva, 500 kva, 750 kva und 1000 kva. Die Systemkomponenten für die Integration der Leistungseinheiten in ein vollständiges USV- Modul besitzen immer das maximale Leistungsvermögen von 900 kva in 480-Volt- Systemen bzw kva in 400-Volt-Systemen. Ein MPS-Modul für 900 kva ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: CleanSource-USV 750/900 kva-system Eingangs- Leistungsschalter Schwungrad-MMUs Optionaler Wartungsbypass Ausgangs- Leistungsschalter Abbildung 3: Übersichtsschaltbild des parallelen MPS-Systems 4

5 BETRIEBSARTEN Anhand einer SPS-Ausführung der USV, wie in Abbildung 1 gezeigt, werden die verschiedenen Betriebsmodi erläutert. In MPS-Systemen (siehe Abbildung 3) sind alle Leistungseinheiten parallel geschaltet und arbeiten identisch, bis auf die redundante Leistungseinheit in den Systemen, die für den N+1- Betrieb programmiert sind. Der N+1- Betrieb wird ebenfalls betrachtet. Startvorgang Der USV-Ausgang wird über den Bypass versorgt, sobald Netzspannung angelegt wird. Daraufhin wird die USV in einem vollständig automatischen Prozess gestartet. Der Systemstart beginnt mit dem Einstellen eines Schlüsselschalters auf die Online-Position. Die USV führt interne Tests durch, um sicherzustellen, dass alle Steuerungs- und Überwachungsfunktionen fehlerfrei ablaufen und das Eingangsschütz schließt. Der statische Trennschalter schaltet sich ein. Der Stromflusswinkel der Thyristoren erhöht sich schnell von null auf einen Winkel, bei dem die DC-Bus-Spannung zwischen dem Netzstromrichter und dem Schwungradstromrichter aufgrund der Gleichrichterfunktion der Freilaufdioden im Netzstromrichter etwa 650 Volt erreicht. Sobald dieser Gleichspannungswert erreicht ist, schaltet der statische Trennschalter vollständig ein. Die IGBT (insulated gate bipolar transistor) des Netzstromrichters nehmen ihre Arbeit auf und der Stromrichter arbeitet als Gleichrichter, geregelte Spannungsquelle und aktives Oberschwingungsfilter. Die DC-Busspannung erhöht sich dann auf die normale Betriebsspannung von etwa 800 Volt, wobei der Ausgangsbus vom Bypass auf die Leistungseinheit umgeschaltet wird. Das Umschalten erfolgt durch Schließen des Ausgangsschützes und Öffnen des Bypasses mit Überlappung. Die Zündung des Thyristorgleichrichters im statischen Trennschalter wird jetzt so geändert, dass jeder Thyristor in jeder Phase nur während einer Halbwelle leitend wird, sodass Wirkleistung nur von der Netzversorgung zur USV fließen kann. Dieses Zündmuster verhindert, dass Strom vom Schwungrad zurück in die Versorgung fließt und stellt sicher, dass die gesamte Schwungradenergie für die Last zur Verfügung steht. Unmittelbar nach dem Transfer des Ausgangs vom Bypass zur Leistungseinheit wird die Feld im Schwungrad erregt, das u.a. durch eine magnetische Hubkraft eine Entlastung der Schwungradlager bewirkt. Anschließend wird der Schwungrad-Wechselrichter eingeschaltet, der die Frequenz gleichmäßig erhöht, um das Schwungrad so auf etwa 60 U/min zu beschleunigen. Hat das Schwungrad 60 U/min erreicht, steuert der Schwungrad-Wechselrichter die Beschleunigung derart, dass die Ströme unter den Einstellwerten von maximaler Ladung und maximalen Eingangsgrößen bleiben. Sobald das Schwungrad U/min erreicht hat, ist die USV voll funktionsfähig und damit in der Lage, die Last während eines Netzausfalls zu versorgen. Die Beschleunigung wird fortgesetzt, bis das Schwungrad die volle Ladekapazität bei U/min erreicht hat. Die Gesamtzeit zur Durchführung der Startsequenz beträgt weniger als fünf Minuten. Normalbetrieb Nach dem Start des Systems und nachdem das Schwungrad eine Drehzahl von über U/min erreicht hat, läuft die USV im Normalbetrieb. In diesem Betriebsmodus regelt die USV die Ausgangsspannung und liefert den für die Last erforderlichen Blind- und Oberschwingungsstrom. Gleichzeitig kompensiert sie den Einfluss des Last- Oberschwingungsstroms auf die USV-Ausgangsspannung. Der Verlauf der Ein- und Ausgangsströme ist in Abbildung 1 skizziert. Die Darstellung erleichtert das Verständnis für den Normalbetrieb der USV. 5

6 Eine Komponente des Eingangsstroms ist der Wirkstrom, der an die Last weitergereicht wird. Der Wirkstrom ist mit der Versorgungsspannung in Phase und bestimmt die Wirkleistung (kw) für die Last. Diese Komponente des Eingangsstroms verursacht an der Netzdrossel im wesentlichen eine Phasenverschiebung statt einer Erhöhung oder Verringerung der Spannung. Die Impedanz der Netzdrossel wurde so gewählt, dass die Phasenverschiebung auf weniger als 10 Grad bei voller Last begrenzt wird. Das Einhalten einer so kleinen Phasenverschiebung stellt sicher, dass die Last unmittelbar auf den Bypass transferiert werden kann, ohne unzulässige Transienten in der Amplitude oder der Phasenlage der Lastspannung zu verursachen. Die zweite Komponente des Eingangsstroms ist der Blindstrom, der zwischen dem Eingang und dem Netzstromrichter zirkuliert. Dieser ist notwendig, damit die Ausgangsspannung geregelt werden kann. Voreilender Blindstrom (der Spannung um 90 Grad voreilend) verursacht in der Netzdrossel eine Spannungserhöhung. Nacheilender Blindstrom (der Spannung um 90 Grad nacheilend) verursacht eine Spannungserniedrigung. Durch die Steuerung des Netzstromrichters für die Nenn- Ausgangsspannung wird der Netzdrossel genau die richtige Menge vor- oder nacheilendem Blindstrom zugeführt, um ständig den Unterschied zwischen Eingangsspannung und nominaler Ausgangsspannung auszugleichen. Die Eingangsspannung wird alle 50 Mikrosekunden abgefragt. Hierdurch ist es dem Netzstromrichter möglich, auf Transienten der Eingangsspannung und dauernde Spannungsabweichungen sehr schnell zu reagieren. Die letzte Komponente des Eingangsstroms ist derjenige Wirkstrom, der das Schwungrad voll geladen hält, bzw. dafür sorgt, dass das Schwungrad nach einer Entladung wieder beschleunigt wird. Die Leistung, die zum Erhalt der Ladung erforderlich ist, beträgt weniger als 2 kw, ist also während des Normalbetriebs gering. Der Netzstromrichter richtet die Wechselspannung gleich und liefert Gleichspannung an den Schwungradstromrichter. Die IGBTs des Schwungradumrichters sind so gesteuert, dass kleine Motorstromimpulse das Schwungrad auf Dauerdrehzahl halten. Der Laststrom verfügt neben dem Wirkstrom aus der Eingangsquelle über zwei weitere Komponenten. Diese Komponenten sind Blindstrom und Oberschwingungsstrom. Der Netzstromrichter erzeugt beide dieser zusätzlichen Komponenten. Da diese Komponenten des Laststroms keine Nutzleistung für die Last darstellen, wird keine Schwungradenergie zu deren Erzeugung verwendet. Sie zirkulieren zwischen dem Netzstromrichter und der Last. Die Steuerung der Leistungseinheit analysiert den für die Last notwendigen Oberschwingungsstrom und stellt die Zündung der IGBTs ein, um den Netzstromrichter zu einer Quelle mit sehr niedriger Impedanz für die vorhandenen Oberschwingungsströme zu machen. Daher werden stark nichtlineare Lastströme praktisch ausschließlich vom Netzstromrichter erzeugt. Dies bewirkt nur geringfügige Auswirkungen auf die Qualität der Kurvenform der Ausgangsspannung der USV und es werden fast keine Oberschwingungsströme von der Last an den Eingang der USV übertragen. Bei einer Änderung der Oberschwingungsströme der Last wird die Ansteuerung des Netzstromrichters so angepasst, dass für die geänderte Last eine dynamische Oberschwingungsunterdrückung erreicht wird. Da die Oberschwingungs- und Blindstromkomponenten des Laststroms von Netzstromrichter stammen, hat der Leistungsfaktor der Last nur geringe Auswirkungen auf den Eingangsleistungsfaktor. Der Betrag des Blindstroms am Eingang wird fast ausschließlich durch den Unterschied zwischen den Effektivwerten von aktueller Eingangsspannung und Nennspannung bestimmt. Bei Nennspannung ist der Eingangsleistungsfaktor Eins, unabhängig vom Leistungsfaktor der Last. Bei einer bestimmten Eingangsspannungsabweichung über oder unter der Nennspannung muss zum Ausgleich ein bestimmter nacheilender bzw. voreilender Strom zwischen Netzeingang und 6

7 Netzstromrichter fließen. Da der Eingangsleistungsfaktor das Verhältnis zwischen Wirkstrom und zum Gesamtstrom darstellt, hängt der Eingangsleistungsfaktor sowohl vom Blindstrom als auch vom Wirkstrom ab. Daher ist der Eingangsleistungsfaktor eine Funktion aus der Abweichung der Eingangsspannung von der Nennspannung und der Wirkleistung der Last (kw). Bei geringen Lasten ist der Gesamtstrom geringer, während der Blindstrom für eine bestimmte Eingangsspannungsabweichung gleich bleibt. Demnach umfasst der Eingangsleistungsfaktor bei partieller Last einen größeren Bereich, bleibt aber für niedrige Spannungen voreilend und für höhere Spannungen nacheilend. Diese Eigenschaft des Eingangsleistungsfaktors ist wesentlich wünschenswerter als diejenige herkömmlicher Doppelwandler-USV, da sie sich nicht störend auf die Spannungsregelung von Netzersatzanlagen auswirkt. Tatsächlich werden Generatoren durch diese Eigenschaft bei der Spannungsregelung unterstützt. Voreilender Strom hilft Generatoren die Spannung zu erhöhen, wenn diese niedrig ist; nacheilender Strom hilft Generatoren die Spannung zu reduzieren, wenn diese hoch ist. Im Vergleich dazu weist eine typische Doppelwandler-USV einen sehr voreilenden Eingangsleistungsfaktor bei geringer Last auf, unabhängig davon, ob die Eingangsspannung niedrig oder hoch ist. Während der ansteigenden Belastung durch die USV nach einem Transfer zu einer Netzersatzanlage kann dieser voreilende Strom dazu führen, dass die Ausgangsspannung des Generators zu stark ansteigt und ein Abschalten des Aggregats verursacht. Entladebetrieb Die USV ermittelt im laufenden Betrieb Spannungs- oder Frequenzabweichungen von den vorgegebenen Toleranzwerten. Nach deren Erkennung trennt sich die USV durch das Abschalten des statischen Trennschalters und das Öffnen des Eingangsschützes schnell von der Netzversorgung. In den meisten Fällen trennt sich die USV sofort, in jedem Fall aber innerhalb einer Halbwelle. Gleichzeitig beginnt der Netzstromrichter mit der Lieferung von Leistung vom DC-Bus zur Last und der Schwungradstromrichter verändert den Zündzeitpunkt seiner IGBTs zur Lieferung von Leistung an den Netzstromrichter über den DC-Bus. Die USV versorgt die Last mit sauberer Ausgangsspannung. Die Transienten der Ausgangsspannung für den Netzausfall und -wiederkehr liegen unter voller Last bei weniger als 3 Prozent. Die USV nutzt verschiedene Verfahren, um Netzstörungen schnell zu ermitteln. Das erste ist die Messung des Spannungseffektivwertes. Bei jedem fünften Zyklus wird der Effektivwert der Eingangsspannung aus 334 Abfragewerten errechnet, die während einer vollständigen Periode der Eingangsspannung erfasst wurden. Weicht der Effektivwert der Eingangsspannung vom Nennwert um mehr als den in der USV voreingestellten Grenzwert ab, trennt sich die USV vom Netzeingang und geht in den Entlademodus über. Die Messung des Spannungseffektivwertes ist bei relativ langsamen Veränderungen der Eingangsspannung ein wirkungsvolles Verfahren. Die USV erfasst auch Transienten der Eingangsspannung, indem sie die Eingangsspannung alle 50 Mikrosekunden abfragt und mit dem entsprechenden Punkt eines gespeicherten Sinus vergleicht, der den gleichen Wert im RAM, wie eine frühere Messung des Eingangsspannungseffektivwertes aufweist. Weicht der abgefragte Wert um mehr als die in der USV vorgegebene Spanne vom gespeicherten Sinus ab, trennt sich die USV von der Eingangsquelle und schaltet in den Entlademodus um. Die Erkennung der Transienten erfolgt sehr schnell. Die gesamte Zeitspanne zwischen der Abfrage der Eingangsspannung und der Versorgung über das Schwungrad beträgt etwa 500 Mikrosekunden. Das dritte Verfahren zum Erkennen einer Netzstörung sind Änderungen der DC-Bus- Spannung. In einigen Fällen scheint die Eingangsspannung nominal zu bleiben, aber die USV kann nicht von der Eingangsquelle versorgt werden. In diesen Fällen kommt es sofort 7

8 zu einem Abfall der DC-Bus-Spannung. Eine Verringerung der Gleichspannung um mehr als einen vorgegebenen Grenzwert, löst einen Transfer zum Entlademodus aus. Das letzte Verfahren zur Erkennung einer Eingangsstörung ist der Vergleich der Eingangsfrequenz mit der Nennfrequenz. Frequenzmessungen und -vergleiche werden in jeder Periode durchgeführt, indem die Dauer zwischen zwei positiven ansteigenden Nulldurchgängen mit der Dauer bei Nennfrequenz verglichen wird. Diese Kombination verschiedener Verfahren stellt sicher, dass die USV Netzstörungen immer erkennt und auf eine Versorgung über das Schwungrad umschaltet, bevor die Ausgangsspannung betroffen ist. Wiederaufladebetrieb Wenn sich die Eingangsspannung wieder im Toleranzbereich befindet, synchronisiert die USV die Ausgangs- und Eingangsspannung, schließt das Eingangsschütz und schaltet den statischen Trennschalter ein. Der Netzstromrichter überträgt dann die Versorgung vom Schwungrad auf die Eingangsquelle durch linearen Anstieg des realen Eingangsstroms. Die Anlaufzeit kann auf 1 bis 15 Sekunden programmiert werden. Sobald die Versorgung vollständig umgeschaltet wurde, beginnen Netzstromrichter und Schwungradstromrichter mit der Beschleunigung des Schwungrads und kehren in den Normalbetrieb zurück. Die Aufladeleistung kann zwischen 33 kw und 70 kw voreingestellt werden. Die maximale Aufladeleistung lässt den USV-Eingangsstrom um 85 A ansteigen. Das Wiederaufladen wird über die Steuerung der Leistungseinheit auf die gleiche Weise vollzogen, wie die Ladeerhaltung im Normalbetrieb. Allerdings wird die Ansteuerung der IGBTs geändert, um den Strom zum Schwungrad zu erhöhen. PARALLELSCHALTUNG VON LEISTUNGSEINHEITEN MPS-Module verwenden mehrere parallel geschaltete Leistungseinheiten (s. Abbildung 3). Jede Leistungsstufe verfügt über einen vollständigen Satz von Parallelsteuerungen. Die Kommunikation zwischen den Leistungseinheiten erfolgt über redundante serielle Busse. Bei Normalbetrieb wird der Wirkstrom einfach durch den gleichen Aufbau der Netzdrosseln der Einheiten aufgeteilt. Der Blindstrom wird aufgeteilt, indem der Wechselstrom des Netzstromrichters jeder Leistungseinheit ermittelt und jeder einzelne Strom dem Durchschnittswert aller Einheiten angepasst wird. Die maximale Differenz zwischen den Leistungsstufen ist auf weniger als 5 Prozent begrenzt. Im Entlademodus werden alle Phasenwinkel und Amplituden aller Netzstromrichter dem Durchschnitt angepasst. Hierdurch wird der Wirk- und Blindstrom zwischen Leistungsstufen ausgeglichen und sicherstellt, dass die Ausgangfrequenz konstant bleibt. N+1-REDUNDANZ 8 Alle MPS-Module können mit einer redundanten Leistungsstufe ausgestattet werden. Es gibt keinen Unterschied in der Hardware zwischen einem N+1-MPS-System und dem nächst größeren, nichtredundanten System. So ist beispielsweise die Hardware einer 300 kva-n+1-usv und einer 600 kva-usv ohne Redundanz identisch. In einer N+1- Konfiguration arbeitet eine der Leistungsstufen unterschiedlich zur den anderen. Würden alle Leistungsstufen eines N+1- Systems identisch arbeiten, käme die USV einem USV-Modul höherer Kapazität gleich, das mit reduzierter Last läuft. Der Blindstrom müsste durch alle N+1-Netzdrosseln geführt werden, um die Lastspannung zu regeln. Der zusätzliche Stromfluss durch die zusätzliche Netzdrossel würde sich auf den Wirkungsgrad, den Eingangsstrom und den Eingangsleistungsfaktor auswirken. Um dies zu vermeiden, wird die redundante Leistungseinheit mit deren geöffneten statischen Trennschalter betrieben. Das bedeutet, dass kein Stromfluss durch die Netzdrossel der redundanten Leistungseinheit stattfindet und kein zusätzlicher Strom für die Spannungsregelung durch diese Netzdrossel benötigt wird. Das redundante Schwungrad wird ebenso wie die anderen über den Ausgangsbus versorgt, statt durch den eigenen statischen Trennschalter und die Netzdrossel.

9 Das redundante Schwungrad wird gleichzeitig mit den anderen mit gleicher Leistung entladen und verlängert so die Überbrückungszeit der USV. Der redundante Netzstromrichter teilt sich den Blindstrom mit den anderen Einheiten und liefert spannungsregelnden Strom durch die Netzdrosseln der anderen Einheiten, sowie Blind- und Oberschwingungsstrom an die Last. Dies verringert proportional die Ströme, die von den anderen Leistungseinheiten geliefert werden müssen. Tatsächlich arbeitet alles in der redundanten Leistungseinheit wie in den anderen Leistungseinheiten, außer, dass der statische Trennschalter geöffnet bleibt. Fällt eine der Leistungseinheiten aus, übernimmt die redundante Leistungseinheit in weniger als 500 Mikrosekunden deren Funktion, indem diese ihren statischen Trennschalter einschaltet. Um sicherzustellen, dass die redundante Einheit immer auch als primäre Leistungseinheit agieren kann, wird die Rolle der redundanten Anlage zwischen den Leistungseinheiten auf einer vorprogrammierten, periodischen Basis gewechselt. Der Statustransfer von einer Leistungseinheit zu einer anderen wird störungssicher durchgeführt, indem zuerst der statische Trennschalter der redundanten Einheit geschlossen und der ordnungsgemäße Betrieb kontrolliert wird, bevor die andere Leistungseinheit die redundante Rolle übernimmt. Fazit Die batterielose CleanSource USV bietet ein überdurchschnittliches, schnell reagierendes USV-Betriebsverhalten durch den Einsatz hocheffizienter line-interactiver USV-Technik. Die USV: behält eine herausragende Qualität der Ausgangsleistung für stark nichtlineare und konventionelle Lasten bei und sichert gleichzeitig einen niedrigen Oberschwingungsgehalt im Eingangsstrom lässt Eingangsfilter überflüssig werden bietet einen Eingangsleistungsfaktor, der die anliegende Netzspannung stützt arbeitet gut mit Netzersatzanlagen zusammen und wird schnell wieder aufgeladen Die CleanSource-USV ist modular aufgebaut und ermöglicht so eine einfache Installation und problemlose Wartung, sowie Kapazitätserweiterungen vor Ort und kosteneffektive, interne USV- Redundanz. 9 TM 2007 Active Power, Inc. Alle Rechte vorbehalten. WP-108