Aufbau und Funktionsweise von DC-Anlagen Produktübersicht

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1 Aufbau und Funktionsweise von DC-Anlagen Produktübersicht Prof. Dr. Thomas Horn IBH IT-Service GmbH Gostritzer Str. 67a Dresden

2 Inhaltsverzeichnis 1. IT-Grundschutzhandbuch des BSI zum Spannungsausfall 2. Anforderungen an die Stromversorgung 3. DIN IEC : USV-Klassifikation 4. Die gesicherte Gleichstromversorgung 5. Kombination von AC und DC 6. Anwendungsbeispiele 7. Übersicht über die 3G-Serie von Eaton 8. Basisbaugruppen RM3, RM6 und RM10 9. Enterprise Power System 11. Access Power Solutions 12. Front Access Power Solutions 13. Metro Power Solutions 14. Core Power Solutions 15. Realisierung von DC-Projekten 16. Vorteile hat ein Servicevertrag 2

3 Grundschutzhandbuch des BSI G 4.1 Ausfall der Stromversorgung Wichtigste Gefährdung (direkt benannt in 16 Bausteinen) Trotz hoher Versorgungssicherheit kommt es immer wieder zu Unterbrechungen der Stromversorgung seitens der Energieversorgungsunternehmen (EVU). Die größte Zahl dieser Störungen ist mit Zeiten unter einer Sekunde so kurz, dass der Mensch sie nicht bemerkt. Aber schon Unterbrechungen von mehr als 20ms sind geeignet, den IT-Betrieb zu stören. Von der Stromversorgung sind nicht nur die offensichtlichen Stromverbraucher (PC, Beleuchtung usw.) abhängig. Alle Infrastruktureinrichtungen sind heute direkt oder indirekt vom Strom abhängig. Die Liberalisierung des Strommarktes führte in einigen Industrieländern zur Verschlechterung des Versorgungsniveaus. Auch in Deutschland könnte daher die Gefahr wachsen, dass Probleme durch Ausfälle der Stromversorgung oder durch Schaltvorgänge an nationalen Versorgungsübergängen entstehen. Beispiele: 2001: Kalifornien, 2005: Niedersachsen/NRW, etc. 3

4 M 1.28 Lokale unterbrechungsfreie Stromversorgung Das Grundschutzhandbuch des BSI kennt nur AC-USV In M 1.28 werden nur lokale AC-USV diskutiert Es werden die drei Arten von AC-USV unterschieden: VFD-USV (Voltage and Frequency Dependent) Verbraucher werden im Normalbetrieb direkt aus dem Stromversorgungsnetz gespeist. Eine VFD-USV hat eine Umschaltlücke von bis zu 10ms früher: Offline-USV VI-USV (Voltage Independent) Versorgungsspannung wird bei kleineren Schwankungen nachgeregelt, Frequenz am Ausgang einer VI-USV ist vom Versorgungsnetz abhängig. Umschaltlücken möglich früher: Line-interactive USV VFI-USV (Voltage and Frequency Independent) Im Normalbetrieb keine direkte Verbindung mehr zwischen USV-Eingang und -Ausgang Doppelwandler-USV bzw. früher auch Online-USV VFI-USV ist wirklich unterbrechungsfrei Gemäß DIN IEC : VFI-SS-111 4

5 M 1.70 Zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung In M 1-70 wird seit 2009 auch als Alternative eine zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung diskutiert Es gibt wertvolle Hinweise zu: Bei der Festlegung der Ausgangsleistung sollte man also ausreichende Reserven einplanen. Eine USV ist eine langfristige Investition, Jahre Lebensdauer Typische Werte für die Stützzeit liegen bei 30 bis 60 Minuten. Der doppelte Ansatz der Shutdown-Zeit bewirkt ein Sicherheitspolster. Eine Alterung der Batterien führt zur Verringerung der Kapazität Empfindlichster Teil einer USV ist die Batterie. Nur wenn diese bei der vom Hersteller genannten optimalen Temperatur (typischerweise um 20 C) untergebracht wird, kann sie ihre maximale Leistung und Lebensdauer erreichen. Die EuroBAT-Norm legt verbindlich 20 C fest. Pro 10 Kelvin, um die diese Solltemperatur überschritten wird, vermindern sich Leistung und Lebensdauer um circa 50 %. Der nicht optimale Betrieb führt zur vorfristigen Alterung und somit zur Verringerung der Kapazität 5

6 Anforderungen an die Stromversorgung 1 Information Technology Industry Council (ITI) vor 1994 Computer Business Equipment Manufacturers Association (CBEMA) 1996 eine Spannung-Zeit-Kurve (ITIC-Kurve) definiert, welche die maximale Spannungsabweichung in Abhängigkeit von der Dauer der Abweichung beschreibt, die ein Computernetzteil tolerieren können muß In der ITK zählen Spannungsausfälle ab 20ms als Blackout, aber in der Gebäude- und Sicherheitstechnik??? welche Schäden verursachen Spannungsausfälle: Datenverluste bei Ausfall des Computersystems (direkt) keine Versorgungsleistung durch Ausfall des Computersystems (direkt) Schäden bei Wiederkehr der Spannung (indirekt): Platten laufen nicht mehr an Netzteile fallen aus Elektronik geht in einen "nichtdefinierbaren Zustand" u.v.a.m. Aber auch in der Gebäude- und Sicherheitstechnik entstehen Schäden: Sicherheitssysteme fallen aus Türen können nicht mehr geöffnet werden oder sind nicht mehr verriegelt Heizungssysteme fallen aus u.v.a.m. 6

7 Anforderungen an die Stromversorgung 2 ITIC-Kurve für Netzteile (Rev. 2000) ITIC erlaubt eine dauerhafte Abweichung (nach 10s) von max. ±10% 30% Unterspannung für die Abschaltung fehlerhafter Geräte (Kurzschlußfestigkeit) 7

8 Klassische AC-USV DIN IEC : VFI-SS-111 Aufbau einer VFI-USV Bypass-Eingang F2 Gleichrichtereingang Gleichrichter Elektronischer Bypass ~ = = ~ F1 + - Batterieketten Wechselrichter Elektr. Schalter Ausgang Batterieanschlußeinheit (BAE) VFI Voltage and Frequency Independent SS Form der Ausgangsspannung bei Normal- und Batteriebetrieb 111 Toleranzen bei Wechsel der Betriebsart Lastsprüngen mit linearer Last Lastsprüngen mit nicht linearer Last Klassifikation 1 bedeutet max. ±30% im Intervall von bis zu 1ms und max. ±10% oberhalb von 20ms. Doppelte Wandlung führt zu hohen Verlusten und einer großen Komplexität der USV Wirkungsgrad in Abhängigkeit von Größe und Auslastung der USV 91-94%! 8

9 Die Alternative gesicherte Gleichstromversorgung Aufbau einer DC-USV 1 2 Systemcontroller Kommunikation Baugruppen: 1 Gleichrichter 2 Systemcontroller 3 Batterien 4 Leistungsverteilung 4 3 LVD Low Voltage Disconnect (Tiefentladeschutz) 9

10 Probleme der DC-USV Belastbarkeit von Kabeln für Gleichstromanlagen (gemäß VDE 0298, Teil 2: Verlegung in Luft Stromstärken bei 48V= Leistung Belastung 750 W 16 A W 25 A W 42 A W 63 A W 83 A W 125 A W 167 A W 208 A W 250 A W 313 A W 375 A W 563 A W 750 A Jedes Netzteil wird separat abgesichert! Belastung Querschnitt Kupfer Querschnitt alternativ Kupfer Querschnitt alternativ Kupfer Querschnitt alternativ Kupfer 26 A 1,5 mm² 33 A 2,5 mm² 45 A 4 mm² 56 A 6 mm² 77 A 10 mm² 102 A 16 mm² 137 A 25 mm² 167 A 35 mm² 203 A 50 mm² 2x16 mm² 257 A 70 mm² 2x25 mm² 3x16 mm² 317 A 95 mm² 2x35 mm² 3x25 mm² 4x16 mm² 370 A 120 mm² 2x50 mm² 3x25 mm² 4x16 mm² 424 A 150 mm² 2x70 mm² 3x25 mm² 4x25 mm² 489 A 185 mm² 2x70 mm² 3x35 mm² 4x25 mm² 587 A 240 mm² 2x95 mm² 3x50 mm² 4x35 mm² 675 A 300 mm² 2x120 mm² 3x70 mm² 4x35 mm² 801 A 400 mm² 2x150 mm² 3x95 mm² 4x50 mm² 944 A 500 mm² 2x185 mm² 3x95 mm² 4x70 mm² 10

11 Einsatzfälle für DC-USV 12V= vor allem in der Netzwerktechnik, z.b. Cisco Systems 12V Redundant Power Supply (RPS) 24V= Automatisierungstechnik, Labortechnik etc. 48V= Telekommunikation (ISDN, Funktechnik etc.) Extra Low Voltage Europäische Niederspannungsrichtlinie: <75Volt DC IT Hersteller bieten zunehmend DC-Netzteile für Server, Blades usw. an 60V= klassische DC-Versorgung in der Analogtechnik 110V= 110V-Netz von Edison, Bahnstromnetze und andere Industrieanlagen 125V= Industrie, z.b. DDR-Kraftwerke 380V= immer wieder in Diskussion, aber wird es sich mal durchsetzen? Berührung ist für den Menschen (lebens)gefährlich 11

12 Kombination von AC und DC 1 DC-Versorgung nach einer gesicherten AC-Versorgung Gleichrichter (DC-USV ohne Batterien) nach einer gesicherten AC- Versorgung seit mehr als 15 Jahren bei Netzwerk-Herstellern üblich GR DC-NT 12

13 Kombination von AC und DC 2 AC-Versorgung nach einer gesicherten DC-Versorgung Nutzung einer gesicherten DC-Vesorgung für AC-Netzteile 13

14 Kombination von AC und DC 3 Kombinierte AC- und DC-Versorgung zwei alternative Stromversorgungskonzepte zur Erhöhung der Zuverlässigkeit 14

15 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID GB 72 GB 72 GB 72 GB HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID GB 72 GB 72 GB 72 GB HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 OK HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 HP ProLiant BL460c UID 1 2 Anwendungsbeispiele 1 DC-Netzteil für HP Blade c7000 Rated Input Voltage VDC Max Input Current 75A Max Input Power 2.700W DC-Netzteil für DL-Server Unified Power Supply 750W, 48VDC Unified Power Supply 1.200W, 48VDC -48V Null 15

16 Anwendungsbeispiele 2 Vergleich der DC- und AC-Netzteile von HP für DL G7/G8 16

17 Anwendungsbeispiele 3 Cisco Catalyst 65xx: Netzteile 48VDC für 950W, 1500W und 4000W Catalyst 35xx: -48VDC Catalyst 2xxx: 12VDC Universalnetzteil RPS2300 für 12V und -48V 22pin-Stecker auf RPS-Seite 14pin-Stecker bei Switch 17

18 Anwendungsbeispiele 4 HP setzt auf HVDC HVDC = High Voltage DC = 380VDC 18

19 Übersicht über die 3G-Serie von Eaton Bausteine (1) Gleichrichter für 24V= und 48V= (2) Systemcontroller SC100 und SC200 (3) Batterie-Module bzw. externe Batterien in Schränken oder auf Regalen (4) Flexible DC-Verteilungen Vorteile Hohe Zuverlässigkeit Minimierte Betriebskosten Reduzierte Energiekosten durch hohen Wirkungsgrad Flexible Montage und einfache Installation Umfangreiche Schnittstellen Standardisierte Logik

20 APR24-3G DC-USV für Telekommunikation und industrielle Anwendungen EPR48-3G APR48-3G APR48-ES CR48-3G SC 200 MAXINetwork 288kW Flexi-3G 1,8-32kW APS12-Serie APS6-Serie APS3-Serie FAPS-Serie EPS-Serie RM3-Serie Matrix Inverter Serie 1 28kVA 0,9-10,8 kw kw 20

21 Gleichrichter-Module der 3G-Serie APR48-3G 48VDC Einphasig 1800W/37,5A 22W/inch 3 APR48-ES 48VDC Einphasig 2000W/42A 24 W/inch 3 APR24-3G 24VDC Einphasig 1440W/50A 17.6W/inch 3 EPR48-3G 48VDC Einphasig 900W/18,75A 11W/inch 3 CR48-3G 48VDC Einphasig 5800W/120A Alle Netzteile haben einen Weitbereichseingang Vac (max. 300V) 21

22 APR48-ES Energy Saver Rectifier Charakteristika Wirkungsgrad über 96% Höchster Wirkungsgrad über einen weiten Leistungsbereich Hohe Leistungsdichte 2000W (42A, 48V) Kompatibel mit Eaton s 3G power solutions Ein Eaton Green Product 22

23 3G Gleichrichter-Serie - Übersicht Die neue Generation höchst zuverlässiger Gleichrichter für Anwendungen in Telekommunikation und Industrie Alle Gleichrichter sind auf eine konstante Leistungsabgabe ausgelegt bei reduzierter Spannung kann höherer Strom abgegeben werden vorteilhaft in Anwendungen der IT und TK 20% mehr Leistung 24Volt-Netzteile können für industrielle Anwendungen über SC200 auf konstante Stromabgabe umgestellt werden Spannung 29V = 2,42V/Zelle 24V = 2V/Zelle 20V = 1,67V/Zelle maximale Ladespannung nominale Spannung Cutoff-Spannung konstanter Strom max. 51A konstante Leistung 50A 60A Strom 23

24 Nachgewiesene Zuverlässigkeit APR48 im Einsatz (Stand März 2008): gelieferte Einheiten Felderfahrung > 3,3 Millionen Stunden Feldfehlerrate <0.2% MTBF = 314 Jahre APR48 neue 3G-Serie Erfahrung! 24

25 SC100 System Controller System Controller der 3G-Familie Preiswertiger Einstiegscontroller Enthält die notwendigen Funktionen zur Regelung eines Systems Schwarz-Weiss-Display Flexible Montage keine Netzwerkunterstützung Programmierung und Kommunikation über RS232-Schnittstelle begrenzter Eventspeicher keine Realtime-Clock Ersetzbar durch SC200 SC100 Upgrade SC200 IO Board 25

26 SC200 System Controller Ein Controller für alle Systeme Farb-Display Flexible Montage Automatisches Gleichrichter Setup Automatischer Batterietest Batteriesymmetriemessungen USB für lokale Anbindung SNMP v1 / v2c / v3 Read/Write Webserver bis zu 16 IO-Boards SMART ALARM Program an alarm or control outputs based on other alarms Programmable timers Scheduled activation and deactivation IOBGP + 26

27 Busspannung Tiefentladungskontrolle nur möglich mit Systemcontroller SC100 oder SC200 beim Erreichen der Cutoff-Spannung von 1,67V/Zelle (20V bei einem 24V-System bzw. 40V bei einem 48V-System) wird die Batterie getrennt Shutdown nur mit SC200 möglich LVD trennt bei Cutoff-Spannung Gebäudealarm Überstrom manuell AC Fail 4h 3h 2h Verfügbare Batterieentladezeit 1h 30 min Disconnect Zeit 27

28 Basisbaugruppen RM3, RM6, RM10 RM3 1HE 0,9 5,4kW 2 Gleichrichter + Kontroller SC100/200 oder 3 Gleichrichter ohne Kontroller APR oder EPR Gleichrichter RM6 3HE 0,9 10,8kW 6 Gleichrichter APR oder EPR Kontroller SC100/200 integrierte AC-Verteilung RM10 3HE 0,9 18kW 10 Gleichrichter APR ohne Kontroller 28

29 Enterprise Power System 1 Bausteine 1HE Gleichrichtermagazin RM3 Bis zu 3 x EPR / APR48-3G Gleichrichter, oder 2 x EPR / APR48-3G Gleichrichter + 1 x System Controller 1HE Verteilung DCD1M-01 2 x Batterie MCB steckbar (70A max.) 10 x Last MCB steckbar (30A max.) 1 x Batterie LVD 100A 2 HE integriertes System EPS2 900W bis 3,6kW 3 HE integriertes System EPS5 900W bis 4,5kW 2 HE Batteriemodul EBM wartungsfrei einfache Installation Plug & Play 29

30 Enterprise Power System 2 Einfache Installation Schraubanschluß 1 Keine spezielle Krimpwerkzeuge erforderlich. 1 Einfache 2 Konfiguration für erdfreien Betrieb (typ. PoE data network Anwendungen) 2 3 Batterieanschluß 3 mit Hochstromstecker, Verriegelung und Zugentlastung Einfache 4 Verschaltung der Batteriemodule Universelle 5 (19 ) Abfangschienen für EBM

31 Enterprise Power System 3 EBM 60 Minuten Überbrückungszeit bei 550 Watt Hochstromstecker für einen einfachen und sicheren Anschluß Anschlussmöglichkeit für zwei Batteriestränge pro EPS Maximal fünf EBM Module pro Batterieanschluß (max. 10 EBM Module) Überbrückungszeiten sind Näherungswerte und von folgenden Faktoren abhängig: Last Konfiguration Batterieladung Batteriealter Temperatur 31

32 Clean & Secure 48V DC to Equipment Enterprise Power System 4 Anwendungsbeispiel einfach zu installieren einfache Handhabung im Feld erweiterbar (zur Leistungserhöhung) Last und Batterie MCBs steckbar und nachrüstbar AC Supply Enterprise Power System ~ = DC Powered Switch/Router DC Powered Server DC Powered Server DC Powered Server Battery(s) Battery(s) 32

33 Access Power Solutions 1 Eigenschaften 24V und 48V Systeme Hohe Leistungsdichte Viele Erweiterungsmöglichkeiten Batteriepufferung integriert Bedienerfreundliche Schnittstellen Flexible DC-Verteilungen und Optionen Einfache Installation und Inbetriebnahme Basierend auf XVTL-Schrankserie Intelligente Überwachung und Steuerung Zielmärkte: 2G / 3G BTS (Base Transceiver Station / Mobilfunk ) Wireline access points Roadside Kabinette Wi-Fi Knoten Customer premises 33

34 Access Power Solutions 2 APS3 für bis zu 5.4kW Verteilung für 10 Last + 2 Batterie MCB s APS6 für bis zu 10.8kW Separate Einheit / Bereich für AC Verteilung APS3-3G 3U APS6-3G 6U APS12 für bis zu 21.6kW Duale AC Versorgung APS12-3G 9U 34

35 Front Access Power Solutions 1 FAPS3 basierend auf APS-3G mit optimierter Frontplatte für frontseitigen Anschluß Standard APS-3G IOB card Customer Cables tie down support LVD Contactor (Battery) Customer Cables (common) F A P S 3 Distribution Area SC200/100 controller APR rectifier 35

36 Front Access Power Solutions 2 FAPS 3 Der asymetrische Haltewinkel mit integriertem Kabelabfang ermöglicht die Kabelführung nach vorne oder seitlich in die Schrankwand. 36

37 Front Access Power Solutions 3 FAPS 2 Die Kabelführung kann nach vorne oder seitlich in die Schrankwand führen Das zurückgesetzte Anschlussfeld ermöglicht die Verwendung von Gegensteckern mit integrierter Zugentlastung (im Lieferumfang enthalten) 37

38 Metro Power Solutions 24V und 48V Systeme hohe Leistungsdichte, bis zu 72kW in einem Rack höchte Scalierbarkeit RM10 Magazine nutzerfreundliche Bedienoberfläche intelligentes Monitoring und Steuerung zusätzliche Sicherheits Optionen erhältlich Zielmärkte: End-of-row or centralised architecture e.g. local and central office switches Wireless MSC sites Wireline PoP Transmission cross-connects Data centres 38

39 Core Power Solutions 48V Systeme hohe Leistungsdichte, bis zu 750kW separate Verteilerkabinette höchste Skalierbarkeit auf Basis der RM4 Magazine nutzerfreundliche Bedienoberfläche intelligentes Monitoring und Steuerung zusätzliche Sicherheitsoptionen erhältlich RM4 Magazin für 4 CR48 bis zu 23.2kW in 3HE Zielmärkte: Data Center Core Telecom Netzwerke 39

40 Realisierung von DC-Projekten Allgemeiner Ablauf IBH projektiert die DC-Anlage (mit Unterstützung von Eaton) und ist im Allgemeinen der Generalauftragnehmer. IBH bestellt die DC-Anlage und lässt diese beim Kunden anliefern. IBH bestellt bei Bedarf den (separaten) Schaltverteiler und lässt diesen beim Kunden anliefern. IBH weist den Elektriker ein und nimmt dessen Leistung ab. IBH führt gemeinsam mit dem Kunden die Inbetriebnahme durch. IBH führt mit dem Kunden die Abnahmetests durch. IBH installiert die Software und testet, falls gewünscht, mit dem Kunden das Shutdown. IBH übergibt eine geprüfte DC-Anlage. Die Testschritte sind für den Kunden im Abnahmeprotokoll nachvollziehbar. Der Kunde nimmt die DC-Anlage ab (Übernahme-/Übergabeprotokoll). IBH übergibt die Dokumentation der Anlage inkl. Bedienungsanleitung. 40

41 Vorteile eines Serviecevertrags Hochverfügbarkeit setzt eine regelmäßige Wartung voraus Die Gewährleistung beträgt 24 Monate Ein Wartungsvertrag kann mit IBH abgeschlossen werden, der folgende Leistungen enthält jährliche Inspektion (prophylaktische Wartung) Servicefenster 5x9 und Reaktionszeit 8h 10% Rabatt auf Ersatzteile/Batterien Bei Abschluss der Wartung ab Installation der USV erhalten Sie in den beiden ersten Jahren einen Rabatt von 25%, da es auf den Anlagen zwei Jahre Gewährleistung gibt (Ersatzteilkosten sind abgedeckt) Bei Bedarf ist eine Gewährleistungserweiterung auf 36 oder 60 Monate möglich (ohne Batterien) 41

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