Planung und Gestaltung hochzuverlässiger, ausfallredundanter, dreiphasiger USV-Anlagen im Bereich von 8kVA-4.400kVA

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1 Planung und Gestaltung hochzuverlässiger, ausfallredundanter, dreiphasiger USV-Anlagen im Bereich von 8kVA-4.400kVA Prof. Dr. Thomas Horn IBH IT-Service GmbH Gostritzer Str. 67a Dresden

2 Inhaltsverzeichnis 1. IT-Grundschutzhandbuch des BSI zum Spannungsausfall 2. Drei Arbeitsthesen 3. DIN IEC : USV-Klassifikation 4. Zur Qualität der Stromversorgung 5. Elektrotechnische Grundlagen 6. Funktionsweise HotSync-Cluster 7. Zur Auswahl der USV-Anlage 8. Planung einer Eaton Planung einer Eaton Planung einer Eaton BladeUPS 12. Aufbau einer 3-phasigen Anlage 13. Aufbau einer 1-phasigen Anlage 14. Planung HotSync-Cluster 15. Aufbau der Stromversorgung / Elt-Verteilung im Rack 16. Welche Vorteile hat ein Servicevertrag? 2

3 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 1 Verantwortlich für Initiierung: Verantwortlich für Umsetzung: Begründung der Notwendigkeit einer USV-Anlage Drei Arten der USV sind zu unterscheiden: Leiter Haustechnik, Leiter IT Haustechnik, Administrator 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 1.28 Lokale unterbrechungsfreie Stromversorgung 3 Werden IT-Geräte in einem Gebäude mit TN-S-Netz mit einer lokalen USV versorgt, ist zu beachten: Um die Schutzwirkung des TN-S-Netzes gegen Ausgleichsströme auf Schirmen von Datenleitungen aufrecht zu erhalten, ist darauf zu achten, dass USV-ausgangsseitig keine Verbindung zwischen N- und PE-Leiter (Nullung) besteht. Ggf. sind solche oft serienmäßig eingebauten Verbindungen vor Einbau in das TN-S-Netz zu entfernen. Bei Eaton ist N und PE immer isoliert Bei der Dimensionierung einer USV kann man in der Regel von einer üblichen Überbrückungszeit von ca. 10 bis 15 Minuten ausgehen. Die Mehrzahl aller Stromausfälle ist innerhalb von 5 bis 10 Minuten behoben, so dass nach Abwarten dieser Zeitspanne noch 5 Minuten übrig bleiben, um die angeschlossene IT geordnet herunterfahren zu können, sollte der Stromausfall länger andauern. 5

6 M 1.28 Lokale unterbrechungsfreie Stromversorgung 4 Die meisten modernen USV-Geräte bieten Rechnerschnittstellen an, die nach einer vorher festgelegten Zeit, entsprechend dem Zeitbedarf der IT und der Kapazität der USV, ein rechtzeitiges automatisches Herunterfahren (Shut-Down) einleiten können. Für spezielle Anwendungsfälle (z. B. TK-Anlagen) kann die erforderliche Überbrückungszeit auch mehrere Stunden betragen. Um die Schutzwirkung aufrechtzuerhalten, ist eine regelmäßige Wartung der USV vorzusehen. Falls die Möglichkeit besteht, die Stromversorgung unterbrechungsfrei aus einer anderen Quelle zu beziehen (z. B. durch Anschluss an eine zentrale USV), so stellt dies eine Alternative zur lokalen USV dar. Ergänzende Kontrollfragen: Werden die Wartungsintervalle der USV eingehalten? Ist ein automatisches Shut-Down vorgesehen? Wird die Wirksamkeit der USV regelmäßig getestet? Haben sich Veränderungen ergeben, so dass die vorgehaltene Kapazität der USV nicht mehr ausreichend ist? 6

7 M 1.70 Zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung 1 (neu, 11. EL 2009) Verantwortlich für Initiierung: Verantwortlich für Umsetzung: Wertvolle Hinweise zu: Leiter Haustechnik, Leiter IT Haustechnik, Administrator Bei der Festlegung der Ausgangsleistung sollte man also ausreichende Reserven einplanen. Typische Werte für die Stützzeit liegen bei 30 bis 60 Minuten. Der doppelte Ansatz der Shutdown-Zeit bewirkt ein Sicherheitspolster. Empfindlichster Teil einer USV ist die Batterie. Nur wenn diese bei der vom Hersteller genannten optimalen Temperatur (typischerweise um 20 C) untergebracht wird, kann s ie 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 %. Man sollte also auch berücksichtigen, dass eine Batterie nur in den ersten Jahren die volle Leistung bringt. 7

8 M 1.70 Zentrale unterbrechungsfreie Stromversorgung 1 (neu, 11. EL 2009) Redundante, ausfallredundante USV-Anlagen kennt das GSHB des BSI noch nicht. Aber es gibt einen Hinweis: Außerdem ist bei einer USV besonders auf den Schutz vor dem Zugriff Unbefugter, Brand und Wasser zu achten. Ein sinnvoller Schutz gegen Brand macht es nahezu unverzichtbar, einander Redundanz bietende USV-Einheiten in getrennten Brandabschnitten unterzubringen. Dieser Hinweis orientierte sich aber primär an der "alten" US-Norm TIA-942 von 1993, die für Systeme der Verfügbarkeitsklasse Tier IV einen Feed A und einen Feed B fordert. Feed A MSHV A IT-Komponente B MSHV NEA NEA NEA NEA NSHV BATT BATT BATT USV ANSCHLUSS VERTEILUNG KOMMUNIKATION UV A Tier IV IT-Komponente B Feed B USV ANSCHLUSS VERTEILUNG KOMMUNIKATION UV NSHV BATT BATT BATT 8

9 Drei Arbeitsthesen (1) In der Praxis: "Man braucht kein USV-Projekt" "Eine USV kauft man über den Elektrogroßhandel und schließt drei Kabel an!" Ein USV-Projekt ist aber sehr komplex! (2) IT-Sicherheit muss in der IT selbst realisiert werden! Aber erfahrungsgemäß werden die meisten Ausfälle durch die Stromversorgung verursacht. Wenn die Stromversorgung ausfällt, nützen alle anderen Maßnahmen nichts! (3) Hochverfügbare USV-Anlagen sind die Grundlage Gegenüber anderen Maßnahmen zur Hochverfügbarkeit ist die Stromversorgung relativ preiswert (und langlebig) Mit relativ einfachen Mitteln lässt eine Verfügbarkeit von mehr als 99,9999% realisieren 9

10 DIN IEC : USV-Klassifikation Wogegen schützen VFI-USV? Der Spannungsschutz konzentriert sich auf folgende Spannungsprobleme: Stromausfall Spannungseinbrüche Überspannung Kurzschluss im öffentlichen Netz Störspannungen im Netz Hochspannungsspitzen Frequenzabweichungen Schaltspitzen harmonische Oberwellen Eine VFI-USV erzeugt eine Ausgangsspannung, die im Normalfall von der Eingangsspannung komplett entkoppelt ist: Online-USV oder Doppelwandler-USV VFD Serie 3 VI Serie 5 VFI Serie 9 10

11 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. Wirkungsgrad in Abhängigkeit von Größe und Auslastung der USV 91-94%! 11

12 Zur Qualität der 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 Spannungsausfälle ab 20ms zählen als Blackout 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. 12

13 Zur Qualität der 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) 13

14 Zur Qualität der Stromversorgung 3 Green-IT Eine Doppelwandler-USV hat eine relativ hohe Verlustleistung und Toleranzen von weniger als 2%, was von der IKT-Industrie nicht gefordert ist. Unsere Versorgungsspannung liegt im Regelfall innerhalb der von der ITIC vorgegebenen Grenzwerte. Aber nur Doppelwandler-USV schützen zuverlässig gegen Schalt- und Hochspannungsspitzen, Frequenzabweichungen und Oberwellen. Dies führte zur Entwicklung des Hoch-Effizienz-Modus (HE-Modus) oder Hybrid-Modus. Man nennt dies auch "Doppelwandler auf Abruf", was in Sinne von "Green-IT" zur erheblichen Einsparung an Verlustleistung führt. Im HE-Modus wird bei guter Qualität die Eingangsspannung direkt auf den Ausgang durchgeschaltet. Beim Verlassen des Toleranzbereiches schaltet die USV schnell (<4ms) in den Doppelwandler-Modus um. In diesem HE-Modus ist der Wirkungsgrad bei 96%-98%. 14

15 Zur Qualität der Stromversorgung 4 Energy Advantage Architecture (EAA) von Eaton Energy Saver Systems (ESS) Weiterentwicklung des HE-Modus Das patentierte Verfahren ESS erkennt ein Problem mit der Eingangsspannung durch spezielle DSP und schaltet somit innerhalb von 2ms automatisch auf Doppelwandlermodus zurück η>98% Variable Module Management System (VMMS) Durch Abschalten von USV-Modulen wird der Wirkungsgrad η der restlichen Module verbessert, z. B. von 91% auf 95%. Erst wenn die Leistungsabnahme steigt oder ein Modul ausfällt, werden weitere Leistungsmodule wieder zugeschaltet. Bei einer USV mit einer Last von 200kW bedeutet das damit monatlich eine Einsparung von ca EUR unter Berücksichtigung der reduzierten Kühllast. 15

16 Zur Qualität der Stromversorgung 5 Energy Advantage Architecture (EAA) in der Praxis Abschalten einer USV im Cluster mit VMMS zur Erhöhung der Auslastung der anderen USV 424KW, statt 212 kw Teilung 10ms Umschaltprozess < 2ms 16

17 USV-Grundlagen (1) Wirkleistung vs. Scheinleistung Grundlegend für die Bemessung einer USV ist die Wirkleistung in kw: P = U * I bei einer ohmschen Last (lineare Last) Durch induktive oder kapazitive Lasten ergibt sich ein nachlaufender oder vorauseilender Strom gegenüber der Spannung: Phasenverschiebungswinkel φ >0 induktive Last Phasenverschiebungswinkel φ <0 kapazitive Last Leistungsfaktor: Scheinleistung: Wirkleistung: cos φ S = U * I P = U * I * cos φ Die IGBT-Wechselrichter einer Eaton USV können jede Last versorgen, ob kapazitiv oder induktiv. OPTIMIERTE LEISTUNGSGRENZE FÜR TRAFOLOSE USV-WECHSELRICHTER Scheinleistung in kva ist wichtig VOREILEND (kapazitiv) für die Bemessung der Absicherungen und Leiterquerschnitte 0,9 PF 1,0 PF 0,95 PF 0,95 PF 0,9 PF ÜBLICHE LEISTUNGSGRENZE FÜR TRADITIONELLE USV-WECHSELRICHTER 0,8 PF USV kw GRENZE NACHEILEND (induktiv) 17

18 USV-Grundlagen (2) Kurzschlußfestigkeit und Selektivität Eaton kVA Parallelmodul USV-Verteiler Verbraucher ~ = ~ = = ~ 290A (1.100A) ~ 6m, 16mm² = 6m, 16mm² Kurzschlußfestigkeit 145A für max. 300ms 0,006 Ω 0,006 Ω NH00 80A 20m, 25mm² 0,013 Ω Spannungsabfall auf 226V (-1,7%) LS C16A 25m, 2,5mm² 0,168 Ω Spannungsabfall auf 209V (-9%) bei Kurzschluß max. Strom: 624A Das HotSync-Cluster kann aber nur max. 290A liefern Spannungseinbruch auf 123V Umschaltung auf Bypass 18

19 Funktionsweise HotSync-Cluster 1 Theoretische Grundlagen mehrere Spannungsquellen können parallel geschaltet werden, wenn Frequenz und Phasenlage übereinstimmen die HotSync-Technologie ist von Powerware patentiert worden: digitale Signalprozessoren (DSP) berechnen die Sinuskurve für die Ausgangsspannung in kleinsten Schritten (3.000 Schritte pro Sekunde) und steuern die IBGT-Leistungsmodule an über eine rekursive Gleichung wird dabei von den DSP für ihre Phase die Frequenz variiert, was zu einer Leistungserhöhung/-reduzierung führt wenn dies jede USV für sich macht, ergibt sich eine ideale Lastteilung Vorteil: zwischen den USV gibt es keine Kommunikation und damit keinen Single Point of Failure (SPOF) Eingang USV USV Ausgang 19

20 Funktionsweise HotSync-Cluster 2 Arbeitsmodi eines Hotsync-Clusters Redundanzmodus 1+1-Redundanz zwei USV-Anlagen teilen sich die Last Halblastverfahren die Leistung des Clusters entspricht der Leistung einer USV wenn eine USV ausfällt, dann übernimmt die verbleibende USV die volle Last Kapazitätsmodus keine Redundanz zwei USV-Anlagen teilen sich die Last Halblastverfahren die Leistung des Clusters entspricht der doppelten einer USV wenn mehr als die einfache Leistung entnommen wird und eine USV fällt aus, dann kommt es zum Totalausfall der USV-Anlage gemischter Modus n+1-redundanz mehrere USV-Anlagen teilen sich die Last Lastteilungsverfahren bei vier USV-Anlagen kann die Leistung der Anlage der dreifachen Leistung einer USV entsprechen fällt eine USV aus, übernehmen die verbleiben drei USV-Anlagen die volle Last 20

21 Funktionsweise HotSync-Cluster 3 Anzahl der USV in einem Hotsync-Clusters Vom Grundsatz her können beliebig viele USV parallel geschaltet werden Getestet sind: Eaton 9355 max. 4 USV Eaton 9390 max. 8 USV Eaton 9395 max. 6 USV (im gemischten Modus) Problem ist die Herstellung einer korrekten Lastteilung Die Länge l1 von der USV zur Parallelschiene ist kritisch gleicher Widerstand ist wichtig für die "ideale" Lastteilung gleiche Kabellänge Da trotzdem herstellungsbedingte Toleranzen vorhanden sind, gibt es eine Kalibrierung USV USV l1 Ausgang Parallelschiene 21

22 Funktionsweise HotSync-Cluster 4 Realisierung des Bypassbetriebs USV haben normalerweise einen integrierten elektronischen Bypass auf Basis von Thyristoren Damit auch im Bypassbetrieb eine Lastteilung möglich ist, muss auch der Widerstand und damit die Länge der Bypass-Kabel gleich sein Die Thyristoren sind aber robuster als die IGBT im Wechselrichter ausgelegt (siehe Überlasten) damit ist die Länge l2 weniger kritisch, aber Thyristoren lassen keine Kalibrierung zu, da keine "aktiven" Elemente Zur Koordinierung des Bypassbetriebs muss eine Abstimmung stattfinden Einsatz des CAN-Busses Parallelschiene im Eingangsverteiler Bypass Bypass l2 USV USV CAN-Bus l1 Ausgang Parallelschiene 22

23 Funktionsweise HotSync-Cluster 5 Verfügbarkeit eines HotSync-Clusters Bei regelmäßiger Wartung hat eine USV eine Verfügbarkeit von mind. n > 99,9% max. Ausfall pro Jahr von 8,76h Bei Parallelschaltung, wenn es keine anderen Komponenten gibt, die ausfallen können, ist die Verfügbarkeit eines Cluster aus zwei USV: n cluster = 1 ( (1-n) * (1-n) ) = 1 ( (1-0,999) * (1-0,999) ) = 99,9999% 23

24 Zur Auswahl der USV-Anlage 1 BladeUPS ESS 12kVA interne und externe Batterien möglich Eaton 9355 Eaton 9390 Eaton 9395 ESS ESS ESS+VMMS 8kVA 10kVA 12kVA 15kVA 20kVA 30kVA 40kVA interne und externe Batterien möglich 40kVA 60kVA 80kVA 100kVA 120kVA 160kVA nur externe Batterien möglich 1 UPM 2 UPM 3 UPM 4 UPM 225kVA 275kVA 450kVA 550kVA 675kVA 825kVA nur externe Batterien möglich 900kVA 1100kVA 24

25 Zur Auswahl der USV-Anlage 2 Investitionsschutz durch Upgrade innerhalb eines Basismodells, z. B. von 8kVA 12kVA oder von 20kVA 30kVA Investitionsschutz durch Parallelschaltung mehrerer USV-Anlagen auf Basis des HotSync-Verfahrens (Clusterbildung): Kapazitätsmodus zur Leistungserweiterung Redundanzmodus zur Implementierung von Ausfallsicherheit gemischter Modus, z.b. 2+1-Modus Kapazitätserweiterung und Ausfallredundanz Realisierbare Clustergrößen Eaton 9355: max. 4 USV-Anlagen Eaton 9390: max. 8 USV-Anlagen Eaton 9395: max. 6 USV-Anlagen (bei Eaton 9395, 900/1100kVA max. 4 USV-Anlagen) Nachrüstung eines UPM bei den Modellen Eaton 9395, 225/275kVA, 450/550kVA und 675/825kVA bei der Planung der Elt-Installation sind die gewünschten Upgrades zu berücksichtigen 25

26 Planung einer Eaton 9355 (1) Schritt 1: Wahl der Gleichrichter-Sicherungen Beispiel: Eaton 9355: 40kVA Leistungsfaktor 0,9 Wirkleistung P=0,9*S= 36kW max. Ausgangsstrom: I max-out = P/230V = 174A je Phase: 52A zuzüglich Verlustleistung und Eigenbedarf von ca. 4A zuzüglich Ladestrom minimale Absicherung 63A je Phase am Gleichrichtereingang Die USV kann im Normalmodus im Spannungsbereich von V arbeiten höhere Leistungsaufnahme bei 192V! 26

27 Zur Auswahl der USV-Anlage 4 Schritt 1: Wahl der Gleichrichter-Sicherungen (Forts.) Handling von Unterspannungen Max. Strom: I max = P/230V = 156,5A je Phase: 52,2A Max. Strom: I max = P/192V = 187,5A je Phase: 62,5A zuzüglich Verlustleistung und Eigenbedarf von ca. 4A zuzüglich Ladestrom Absicherung des Gleichrichtereingangs: 80A je Phase (max. Gleichrichtereingangsstrom: 73A) 27

28 Zur Auswahl der USV-Anlage 5 Schritt 2: Handling von Überlasten Eine USV sollte immer so geplant werden, dass die Auslastung 85-90% nicht überschreitet Eine ungleiche Phasenbelastung ist für IGBT und DSP kein Problem, aber jede Phase sollte nicht mit mehr als 85-90% belastet sein sollte Beispiel: Eaton 9355: 40kVA, 36kW, Last hat cos φ = 0,9 Phase 1: 43A 8,9kW Phase 2: 46A 9,5kW Phase 3: 63A 13,0kW 8,3% Überlast Summe: 31,4kW 87,2% Auslastung Für hochverfügbare USV-Anlagen ist das Handling von Überlasten zu klären eine Überlast soll nicht zum Ausfall der USV führen 28

29 Zur Auswahl der USV-Anlage 6 Schritt 2: Handling von Überlasten (Forts.) Normalbetrieb Bypass-Betrieb Überlastbarkeit bedeutet Überlast im Normalbetrieb für jede einzelne Phase am Wechselrichter Am Gleichrichter mittelt sich die Überlast auf alle drei Phasen Überlastbarkeit (am Netz) bedeutet Überlast im Bypass-Betrieb für jede einzelne Phase 29

30 Zur Auswahl der USV-Anlage 7 Schritt 3: Auswahl der Sicherungen für Ausgang/Bypass Sind kurzzeitige Überlastungen möglich (Zuschaltung von größeren Verbrauchern, Klimaanlagen, Motoren etc.)? Sollen Überlasten akzeptiert werden, die manuell kurzfristig beseitigbar sind? 10% Überlasten sind im Normalbetrieb bis zu 10min und im Bypassbetrieb bis zu 60min zulässig 25% Überlasten sind im Normalbetrieb bis zu 1min und im Bypassbetrieb bis zu 10min zulässig könnte durch eine falsche Zuschaltung neuer Verbraucher entstehen, wäre binnen 10min wieder zu beseitigen! Folgende Sicherungen müssen gewählt werden: Bypass-Eingang: 58,5A *125% = 72,5A 80A USV-Ausgang: 58,5A *125% = 72,5A 80A 30

31 Zur Auswahl der USV-Anlage 8 Schritt 4: Auswahl der Leiterquerschnitte Unverbindliche Leiterquerschnitte: 16A - 2,5mm² (max. 21A) 20A - 4mm² (max. 27A) 25A - 6mm² (max. 35A) 35A - 10mm² (max. 48A) 50A - 16mm² (max. 65A) 63A - 16mm² (max. 65A) 80A - 25mm² (max. 88A) 100A - 35mm² (max. 112A) 125A - 50mm² (max. 150A) 160A - 70mm² (max. 195A) 200A - 95mm² (max. 250A) 250A - 120mm² (max. 300A) Leiterquerschnitte sind anhand der maximal zulässigen Dauer-Stromstärke auszuwählen. Dabei sind zu beachten: Kabeltyp Kabellänge Verlegeart Im Beispiel ergibt sich bei 80A je Phase ein Querschnitt von 25mm². Da der Gleichrichter die Last auf alle 3 Phasen aufteilt, kann bei der Gleichrichterzuleitung der Neutralleiter entfallen. Da man von einer ungleichen Lastverteilung am USV-Ausgang ausgehen muss, hat der Neutralleiter auf allen übrigen Kabeln vom gleichen Querschnitt zu sein. Der Schutzleiter PE (Protective Earth) kann gemäß VDE 100 mit einem geringeren Querschnitt ausgewählt werden Daraus ergibt sich im allgemeinen als Kabel 4x25/16mm² 31

32 Zur Auswahl der USV-Anlage 9 Schritt 5: Auswahl der Überbrückungszeiten Auswahl des Batterietyps nach EuroBAT 5-Jahresbatterien: normative Lebensdauer bei 20 C 5 Jahre größere Kapazität bei gleichen Abmessungen 10-Jahresbatterien: normative Lebensdauer bei 20 C Jahre kleinere Kapazität bei gleichen Abmessungen Standard sind fest verschlossene, wartungsfreie Batterien (OGiV) Beim Modell Eaton 9355 sind interne Batterien möglich, wodurch die USV-Anlage sehr kompakt wird Überbrückungszeiten in min bei den Modellen Eaton 9355, 20-40kVA, in Abhängigkeit vom cos φ bei 4 Batterieketten (144 Stück, 10 Jahre) Batterietyp 7 Ah 12 V 7 Ah 12 V 7 Ah 12 V cos φ 0,7 0,8 0,9 5kVA kVA kVA kVA Clusterbildung führt ebenfalls zu verlängerten Überückungszeiten, z. B. 9355, hat bei einer Last von 30kVA bei cos φ=0,9 eine Überbrückungszeit von 10min, bei 1+1 Redundanz im Halblastverfahren von 27min kVA kVA kVA kVA

33 Zur Auswahl der USV-Anlage 10 Schritt 5: Auswahl der Überbrückungszeiten (Forts.) Bei höheren Leistungen und größeren Überbrückungszeiten sollte man unbedingt externe Batterieschränke wählen, die eine kostengünstigere Implementierung durch den Einsatz größerer Batterien gestatten für 40 Akkus: 1 Schrank 600x800x Schrank 800x800x Schränke 600x800x2000 Beim Modell 9355, 8-15kVA können mit 5 integrierten Batteriemoduln in kompakter Bauweise bei 15kVA/cos φ=0,9 eine Überbrückungszeit von 27min und bei 8kVA/cos φ=0,9 sogar 59min realisiert werden. Beim Modell 9355, 20-40kVA, sollte man bei größeren Überbrückungszeiten die internen Batterien unbestückt lassen. Bei externen Batterieschränken ist eine sorgfältige Planung der Fußbodenbelastung erforderlich! 33

34 Planung einer Eaton 9390 (1) Schritt 1: Wahl der Sicherungen Eaton 9390: 80kVA, Leistungsfaktor 0,9 P=0,9*S= 72kW Max. Strom: I max-out = S/U = 348A je Phase: 116A minimale Absicherung: 125A je Phase Die USV kann im Normalmodus im Spannungsbereich von V arbeiten höhere Leistungsaufnahme bei 184V! Eingangsstrom bei einer Wirkleistung P = 72kW Max. Strom: I max-in = P/230V = 313A je Phase: 104,5A Max. Strom: I max-in = P/184V = 382A je Phase: 130,5A zuzüglich Ladestrom und Eigenbedarf von max. 13A minimale Absicherung: 160A je Phase 34

35 Planung einer Eaton 9390 (2) Schritt 2: Handling von Überlasten Normalbetrieb Bypass-Betrieb Absicherung bei 10% Überlast: Max. Ausgangstrom: I max-out = S/3/230V*110% = 127,5A Max. Eingangsstrom: I max-in = P/3/184V*110% = 143,5A+13A=156,5A 160A für Input, Bypass und Output (sogar 125% Überlast möglich) 35

36 Planung einer Eaton 9390 (3) Schritt 3: Planung der Aufstellung Abmessungen: Gewicht: 519x808x kg Batterieschrank: 800x800X Ebenen, 8Akkus je Ebene, 12V/35-93Ah 40x12V/93Ah 1.730kg inkl. Schrank und BAE 36

37 Planung einer Eaton 9395 (1) Übersicht über die Modelle modulare Struktur, bestehend aus ISBM (Integr. Service-Bypass-Modul) und 1-4 Leistungsmoduln (UPM Uninterruptible Power Module) ausfallredundante USV-Steuerung 1 UPM 225/275kVA (830kg) 3 UPM 675/825kVA (2.520kg) 4 UPM = 900/1100kVA (3.120kg) 2 UPM 450/550kVA (1.430kg) 37

38 Planung einer Eaton 9395 (2) Eaton kVA (825kVA mit Field-Upgrade auf 1.100kVA) FI-UPM 4 ISBM UPM 1 UPM 2 UPM kg 730kg 1.690kg 38

39 Planung einer Eaton 9395 (3) Aufbau einer Eaton 9395 X-Slot-Steckplätze Anschlußfeld (Batterien, Eingänge, Ausgang,) Optionaler Eingangstrennschalter Optionaler MBS Statischer Bypass Verkabelung ISBM UPM1 UPM2 Ausgangstrennschalter Gleichrichtermodul Wechselrichtermodul redundante Netzteile Logikboard UPM-Serviceschalter 39

40 Planung einer Eaton 9395 (4) Realisierungsvarianten für HotSync-Cluster Variante 1: integrierter Service-Bypass-Modul (ISBM) mit statischem elektronischen Bypass für Systeme mit verteiltem Bypass Variante 2: alternativ als IO-Modul-Variante (IOM) ohne statischem Bypass für Systeme mit einem externen statischer Bypass zentralisierter Bypass Bypasseingang SBM USV CAN-Bus Ausgang System Bypass Modul (SBM) A (120mm² = 250A!!!) Gleichrichtereingänge USV l1 Parallelschiene l1 für USV-Systeme kritisch, nicht für Bypass 40

41 Planung einer Eaton 9395 (5) Weitere Eigenschaften: Unterstützung von VMMS alle UPM eines Clusters werden in einem gemeinsamen Pool verwaltet ab 50% Auslastung ein Wirkungsgrad von mehr als 95% Unterstützung von ESS Versorgung der Ausgangsseite über den Bypass, wenn die Bypass- Spannung in den vorgegebenen Grenzwerten sich befindet Wirkungsgrad von mehr als 98% sehr hohe Kurzschlußfestigkeit je UPM ca. 800A für mindestens 300ms für eine Eaton 9395, 1.100kVA, ergibt sich damit ein Kurzschlußstrom von ca A Sollte die Kurzschlußfestigkeit nicht ausreichend sein, dann schalten die UPM kurzzeitig auf den Bypass um. Im Bypass beträgt die Kurzschlußfestigkeit das 10fache des nominalen Stromes, also ca A je UPM. gemeinsame oder getrennte Batterien für die UPM einer USV 41

42 Planung einer Eaton 9395 (6) Schritt 1: Wahl der Sicherungen Eingangsstrom bei einer Wirkleistung P = 247,5kW Max. Strom: I max-out = P/230V = 1.076A je Phase: 359A zuzüglich Verlustleistung und Eigenbedarf von max. 23A zuzüglich Ladestrom Absicherung: 500A je Phase 42

43 Planung einer Eaton 9395 (7) Schritt 1: Wahl der Sicherungen (Forts.) Die USV kann im Normalmodus im Spannungsbereich von V arbeiten höhere Leistungsaufnahme bei 196V! Eingangsstrom bei einer Wirkleistung P = 247,5kW Max. Strom: I max-in = P/230V = 1.076A je Phase: 359A Max. Strom: I max-in = P/196V = 1.263A je Phase: 421A zuzüglich Verlustleistung und Eigenbedarf von max. 23A max. Eingangsstrom ist auf 456A begrenzt! Absicherung im Gleichrichtereingang mit 500A je Phase ist ausreichend 43

44 Planung einer Eaton 9395 (8) Schritt 2: Handling von Überlasten Normalbetrieb Bypass-Betrieb Nominaler Ausgangsstrom: Nom. Ausgangstrom: I nom-out = S/3/230V = 399A Absicherung bei 10% Überlast: Max. Ausgangstrom: I max-out = S/3/230V*110% = 438A 500A für Bypass und Output dauerhaft 125% Überlast möglich 44

45 BladeUPS (1) Aufbau und Funktionsweise einer BladeUPS entspricht im Wesentlichen einer Eaton 9355 nur ein Eingang und nur 5-Jahresbatterien 19"-Bauweise, integrierter Wartungsbypass 45

46 BladeUPS (2) Vor- und Nachteile einer BladeUPS standardmäßig ESS (ECO-Mode) η>97% optimiert für Blade-Systeme und moderne Server je Modul 12kW=12kVA (cos φ=1) max. 6 Anlagen im Cluster bei 5+1 Redundanz max. 60kW integrierte Batterien 20x12V/9Ah = 5min max. 4 erweiterte Batteriemodule Anschlußmodul Stromverteiler schiene BladeUPS 46

47 Aufbau einer 3-phasigen Anlage Externer Service-Bypass vs. MBS ein manueller Bypass-Schalter (MBS) unterstützt nur bei der Wartung durch ext. Service-Bypass kann USV spannungsfrei geschaltet werden auf durchgehenden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) achten! 47

48 Aufbau einer 1-phasigen Anlage Welche Vor- und Nachteile hat eine einphasige USV wesentlich höhere Stromstärken auf dem USV-Ausgang ungleiche Belastung der Phasen im Objekt im Bypass-Betrieb man muss nicht auf eine gleiche Phasenbelastung am Ausgang achten ist sinnvoll, wenn ein großer Verbraucher zu speisen ist hat einen wesentlich größeren Kurzschlußstrom!!! ein-/einphasig bis 10kVA verfügbar drei-/einphasig bis 30kVA verfügbar 48

49 Planung von HotSync-Cluster 1 Planung des prinzipiellen Aufbaus (3+1 Redundanz, 90kVA) SV AV 49

50 Planung von HotSync-Cluster 2 Aufstellungsplan für Eaton 9355, 20-40kVA 50

51 Planung von HotSync-Cluster 3 Aufstellungsplan für Eaton 9355, 8-15kVA 51

52 Planung von HotSync-Cluster 4 Aufstellungsplan für Eaton 9390 Ausführungsplanung für den Aufbau des gestelzten Fußbodens Berücksichtigung der zulässigen Lasten Lastverteilungsplatten zusätzlich Stelzen Fußbodendurchbrüche 52

53 Planung von HotSync-Cluster 5 Schaltverteiler für max. 90kVA 53

54 Planung von HotSync-Cluster 6 Schaltverteiler Standverteiler Kabelzuführung von oben USV-Eingangssicherungen Wartungsbypass Eingangsbypass Parallelschienen USV-Verteilung: C16A-Leitungsschutzschalter C25A-Leitungsschutzschalter FI/LS C16A D02-Sicherungen 2A-63A 54

55 Planung von HotSync-Cluster 7 Verkabelungsplan 55

56 Aufbau der Stromversorgung 1 Elektroeinspeisung mindestens von 2 getrennten UV (Unterverteilung) oder separate Zuleitungen von HV (Hauptverteilung) separate Zugangsleitungen und getrennte Sicherungen 56

57 Aufbau der Stromversorgung 2 Ortsfester Anschluss an USV und redundante Netzteile Revision für ortsfeste Elektroanlagen alle vier Jahre Umbau der Stromversorgung im RZ im laufenden Betrieb Durchführung der Elektrorevision im RZ im laufenden Betrieb 57

58 Elt-Verteilung im Rack Überwachung der Elt-Verteilung im Rack mit Eaton epdu messende epdu Ablesen der aktuellen Stromstärke überwachbare epdu Einlesen der aktuellen Stromstärke per TCP/IP steuerbare epdu Einlesen von Stromstärke und Spannung je Steckdose Einzelschaltung je Steckdose Messung von Temperatur und Luftfeuchte 58

59 Welche Vorteile hat ein Serviecevertrag? Hochverfügbarkeit setzt eine regelmäßige Wartung voraus Safe (Basic Care) jährliche Inspektion (prophylaktische Wartung) Servicefenster und Reaktionszeit 8h 25% Rabatt auf Ersatzteile/Batterien Advance (Plus Care) zusätzlich inkl. aller Arbeitsleistungen Power (Plus Care1) zusätzlich inkl. aller Arbeitsleistungen und Ersatzteile Bei Abschluss der Wartung ab Installation der USV erhalten Sie im ersten Jahr einen Rabatt von 30%, da es auf den Anlagen ein Jahr Gewährleistung gibt (bei Installation durch IBH) Für die zeitgleiche Wartung mehrerer USV-Anlagen gibt es entsprechende Rabatte Bei Bedarf ist eine Gewährleistungserweiterung auf 24 oder 36 Monate möglich. 59

60 Vielen Dank! Fragen Sie! Wir antworten.