Hauptfaktoren bei USV-Installationen

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1 Hauptfaktoren bei USV-Installationen Inhalt Einführung... 2 Verwendung dieses Handbuchs... 4 Übersicht über Schutzlösungen... 5 Schutzlösungen...5 Dazugehörige Software und Dienste...6 USVen in elektrischen Installationen... 7 Funktion der einzelnen Komponenten in der Installation...7 Notwendige Installationsparameter...8 Informationsquellen bezüglich Installations-Spezifikationen...9 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen Notwendigkeit hoher Qualität und Verfügbarkeit des Stroms...10 Versorgungssysteme mit USVen...11 USV-Stromqualität...12 USV-Stromverfügbarkeit...14 Auswahl der Konfiguration...19 Berechnungen der Leistungsaufnahme Für Berechnungen der Leistungsaufnahme erforderliche Elemente...21 Nennleistungen von Konfigurationen mit einzelnen USVen...23 Nennleistungen von USV-Parallelkonfigurationen...27 Kontrolle über Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich USVen und Oberschwingungsströme im vorgeschalteten Bereich für verschiedene Eingangsgleichrichter...30 Filterung von Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich für Graetzbrücken-Gleichrichter...31 Auswahl eines Filters...33 Systemerdungen Hintergrundinformationen zu Systemerdungen...36 Anwendungen in USV-Installationen...39 Schutz Schutz durch Schutzschalter...43 Auswahl von Schutzschaltern...46 Kabel Auswahl von Kabelgrößen...52 Beispiel einer Installation...53 Energiespeicherung Speicherungstechnologien...54 Auswahl einer Batterie...55 Batterieüberwachung...56 Benutzerschnittstelle und Kommunikation Benutzerschnittstelle...58 Kommunikation...58 Vorarbeiten Hinweise zur Installation...60 Batterieraum...61 Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 1

2 Einführung Zunehmende Notwendigkeit hoher Qualität und Verfügbarkeit von Strom Probleme bezüglich der Qualität und Verfügbarkeit von elektrischem Strom haben erheblich an Bedeutung gewonnen, seit Computer und Elektronik in der Entwicklung vieler kritischer Anwendungen Schlüsselrollen spielen. Störungen in Verteilungssystemen (Kleinstausfälle, Ausfälle, Spannungssenkungen usw.) können in einer Reihe von Bereichen zu erheblichen Verlusten oder Sicherheitsrisiken führen. Beispiele: Branchen mit sensiblen Prozessen, bei denen eine Fehlfunktion in den Steuerungs-/Überwachungssystemen zu Produktionsverlusten führen kann. Flughäfen und Krankenhäuser, wo fehlerhafter Betrieb von Geräte eine ernsthafte Gefahr für Menschenleben darstellen kann. Informations- und Kommunikationstechnologien, die auf eine noch höhere Zuverlässigkeit angewiesen sind. Datenzentren erfordern eine unterbrechungsfreie Versorgung mit hoher Stromqualität, im Dauerbetrieb und ohne Abschaltungen zu Wartungszwecken. USV-Schutzsysteme sind inzwischen in vielen Unternehmen integraler Bestandteil der Wertschöpfungskette. Verfügbarkeit und Qualität dieser Stromversorgung haben direkte Auswirkungen auf die Betriebskontinuität. Die Produktivität, die Qualität von Produkten und Diensten, die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens und die Sicherheit des Standorts sind vom reibungslosen Betrieb der USV abhängig. Ausfälle dürfen nicht auftreten. Schneider Electric eine Komplettlösung für alle Anforderungen Schneider Electric bietet eine vollständige Palette von Stromschutzlösungen an, um den Anforderungen aller sensiblen Anwendungen gerecht zu werden. Mit diesen Lösungen werden kommunizierende Software und Produkte implementiert, die Technologie auf dem neuesten Stand beinhalten und ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit bieten. Unterstützt werden sie durch umfassende Dienste auf der Basis einzigartigen Fachwissens, weltweiter Präsenz und der Nutzung modernster Methoden und Technologien. Global Services TM verfügt über 40 Jahre Erfahrung an Kundenstandorten und begleitet Ihre Installation durch den gesamten Lebenszyklus, von Planung und Inbetriebnahme bis hin zu Betrieb und Aktualisierungen, unabhängig vom Standort. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVen) spielen in diesen Lösungen immer eine zentrale Rolle. Sie liefern kontinuierlich Strom mit hoher Qualität und Verfügbarkeit und verfügen über integrierte moderne Kommunikationsschnittstellen, die sowohl mit elektrischen Installationen als auch mit Computerumgebungen kompatibel sind. Sie werden häufig zusammen mit anderen kommunizierenden Produkten eingesetzt. z. B. mit aktiven Oberschwingungsfiltern, Übertragungsschaltern, Verteilungsschalttafeln, Batterieüberwachungssystemen und Überwachungssoftware. Insgesamt bietet dieses Angebot eine umfassende und effektive Lösung für die Schutzprobleme, die in sensiblen Installationen auftreten. Für Datenzentren werden in bedarfsgerechten Lösungen die physische Infrastruktur, einschließlich Server-Racks, USVen, elektrischer Verteilung, Kühlung und Sicherheit, sowie die dazugehörige Software integriert. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 2

3 Einführung Handbuch für Fachkräfte, die an elektrischen Installationen für kritische Anwendungen arbeiten Schneider Electric stellt mit diesem Design Guide einen großen Teil seines Knowhows zur Verfügung. Der Zweck dieses Handbuchs besteht darin, die Planung und Installation vollständiger, optimierter Stromschutzlösungen zu unterstützen, die von der Stromversorgungsleitung bis hin zur Endlast den Anforderungen Ihrer kritischen Anwendungen bezüglich Qualität und Verfügbarkeit entsprechen. Es richtet sich an alle Fachkräfte, die mit Installationen dieser Art zu tun haben, darunter folgende: Unabhängige Planungs- und Ingenieursbüros Planungsabteilungen als Endbenutzer Monteur Projektmanager Betriebsleiter Computersystem-Manager Finanz- oder Einkaufsmanager Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 3

4 Verwendung dieses Handbuchs Struktur dieses Dokuments Auffinden von Informationen Sie haben verschiedene Möglichkeiten, Informationen zu finden: Über den allgemeinen Inhalt am Anfang des Handbuchs. Mithilfe der Übersicht auf Seite 4 und 5 des Kapitels Hauptfaktoren bei USV- Installationen. Dieses enthält die Produkte, Kommunikationssysteme, Software und Dienste, die Teil von Schutzlösungen sind. Kapitel Kapitel Hauptfaktoren bei USV-Installationen : Auf Seite 6 und 7 wird die Rolle von USVen in elektrischen Installationen beschrieben. Außerdem werden die Hauptparameter angegeben, die berücksichtigt werden müssen. Im Rest des Kapitels werden Sie durch den Auswahlprozess für eine Lösung geführt, indem Sie die Hauptelemente einer Installation mit einer USV bestimmen. Kapitel Auswahl der USV-Konfiguration : Dieses Kapitel enthält eine Reihe von praktischen Beispielen zum Auswählen einer Konfiguration, von einer einfachen Einzel-USV-Einheit bis hin zu Installationen, die ein außergewöhnlich hohes Maß an Verfügbarkeit bieten. Kapitel Beseitigung von Oberschwingungströmen : Dieses Kapitel enthält Lösungen zur Beseitigung von Oberschwingungströmen in Installationen. Kapitel Technischer Überblick : Dieses Kapitel enthält technische Hintergrundinformationen zu Geräten und Begriffen, die in anderen Teilen des Handbuchs erwähnt werden. Schließlich erleichtert ein Merkmal die Vorbereitung von Projekten: Querverweise Die verschiedenen Kapitel enthalten Querverweise (gekennzeichnet durch das Symbol ) auf andere Teile im Design Guide, die ausführlichere Informationen zu bestimmten Themen enthalten. Verweise auf technische Artikel (sogenannte White Paper) werden durch das folgende Symbol gekennzeichnet, zusammen mit der Nummer für das betreffende White Paper. Siehe White Paper Nr. Kap. 1: Hauptfaktoren bei USV-Installationen Kap. 2: Auswahl der USV-Konfiguration Kap. 3: Beseitigung von Oberschwingungströmen Kap. 5: Technischer Überblick Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 4

5 Übersicht über Schutzlösungen Stromschutzlösungen Abb Produkte von Schneider Electric. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 5

6 Übersicht über Schutzlösungen Dazugehörige Software und Dienste Abb Software und Dienste von Schneider Electric. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 6

7 USVen in elektrischen Installationen Funktion der einzelnen Komponenten in der Installation Abb Funktionen der Komponenten in Installationen mit USVen. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 7

8 USVen in elektrischen Installationen (Fortsetzung) Notwendige Installationsparameter Abb Hauptparameter für die Komponenten in Installationen mit USVen. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 8

9 USVen in elektrischen Installationen (Fortsetzung) Informationsquellen bezüglich Installations-Spezifikationen Die Schaltpläne auf den vorangegangenen Seiten bieten eine allgemeine Übersicht über die Komponenten und die unterschiedlichen Parameter in Installationen mit USVen. Im Folgenden werden diese ausführlicher beschrieben. Der Tabelle unten können Sie Folgendes entnehmen: Die Reihenfolge, in der die Themen in diesem Kapitel behandelt werden Die jeweils zu treffende Auswahl Den Zweck der einzelnen Entscheidungen mit Angabe der Seiten, auf denen die relevanten Elemente in diesem Kapitel zu finden sind Angaben zu anderen Kapiteln dieses Design Guide, in denen Sie weitere Informationen zum jeweiligen Thema finden Auswahl Zweck Siehe Weitere Informationen Siehe Bestimmen Sie, welche Auswahl der Beispiele und Vergleich von Installationsarchitektur und USV- USV- 13 typischen Installationen, von Einzel- Konfiguration Ihren Anforderungen in Konfiguration USV-Einheiten bis hin zu Bezug auf Energieverfügbarkeit, Hochverfügbarkeitsarchitekturen S. 5 Aktualisierungen, Betrieb und Budget am Versorgung sensibler Lasten besten entspricht. Architektur mit Einfach- oder Mehrfachquelle sowie Konfiguration der USV-Quellen USV-Nennleistung Kontrolle über Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich Systemerdungen Schutz vor- und nachgeschalteter Komponenten durch Schutzschalter Verbindungen Batterie Kommunikation Vorarbeiten (sofern erforderlich) Normen Bestimmen Sie die Nennleistung der benötigten USV-Einheit bzw. (aus Redundanz- oder Kapazitätsgründen) Paralleleinheiten unter Berücksichtigung von Verteilungssystem und Lasteigenschaften. Verringern Sie die Spannungsverzerrung in den vorgeschalteten Stromschienen auf ein akzeptables Maß, je nachdem, welche Stromquellen für das USV-System vorgesehen sind. Stellen Sie sicher, dass die Installation den geltenden Normen zum Schutz vor Personen- und Sachschäden sowie zum ordnungsgemäßen Betrieb von Geräten entspricht. Welche Systemerdungen sind für welche Anwendungen erforderlich? Bestimmen Sie Ausschaltvermögen und Nennleistung der Schutzschalter, die der USV vor- und nachgeschaltet sind, und lösen Sie auftretende Entkopplungsprobleme. Begrenzen Sie Spannungsabfälle und Temperaturanstiege in den Kabeln sowie die Oberschwingungsverzerrung an den Lasteingängen. Die Betriebszeit mit Batteriestrom (Autonomiezeit) muss lang genug sein, um die Anforderungen des Benutzers zu erfüllen. Definieren Sie die Kommunikation der USV mit der elektrischen Umgebung und der Computerumgebung. Bauarbeiten und Belüftung müssen geplant werden, vor allem wenn ein spezieller Batterieraum vorgesehen ist. Beachten Sie die wichtigsten geltenden USV-Normen. Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 17 Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 24 Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 30 Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 35 Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 43 Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 45 Hauptfaktoren bei USV- Installationen S. 49 Technischer Überblick S. 51 Technischer Überblick S. 33 USV-Konfigurationen Motorgeneratorsätze USV-Bauform und -Betrieb Beseitigung von Oberschwingungen in Installationen Oberschwingungen Energiespeicherungslösungen und Batterien Elektromagnetische Verträglichkeit Auswahl der USV- Konfiguration Technischer Überblick S. 2 Technischer Überblick S. 23 Technischer Überblick S. 35 Technischer Überblick S. 14 Beseitigung von Oberschwingu ngströmen Technischer Überblick S. 38 Technischer Überblick S. 31 Technischer Überblick S. 26 Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 9

10 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen Notwendigkeit hoher Qualität und Verfügbarkeit des Stroms Stromstörungen in Verteilungssystemen Öffentliche und private Stromversorgungsunternehmen liefern Strom, dessen Qualität durch eine Reihe von Störungen verringert werden kann. Diese Störungen sind aufgrund der zu überwindenden Entfernungen und der vielen unterschiedlichen angeschlossenen Lasten unvermeidlich. Zu den Quellen elektronischer Störungen gehören folgende: Das Verteilungssystem selbst (atmosphärische Bedingungen, Unfälle, Schaltung von Schutz- oder Steuergeräten usw.) Benutzergeräte (Motoren, störende Geräte wie Lichtbogenöfen, Schweißgeräte, Systeme mit Leistungselektronik usw.) Diese Störungen reichen von Kleinstausfällen, Spannungssenkungen, Überspannungen, Frequenzschwankungen, Oberschwingungen, HF-Störungen, Flicker usw. bis hin zu längeren Ausfällen. Stromstörungen in Verteilungssystemen, siehe Kap. 5, S. 3. Anforderungen sensibler Lasten Digitale Geräte (Computer, Telekommunikationssysteme, Instrumente usw.) verfügen über Mikroprozessoren, die mit Frequenzen von mehreren Mega- oder sogar Gigahertz arbeiten, d. h., sie führen Millionen oder sogar Milliarden von Operationen pro Sekunde aus. Eine Störung in der Stromversorgung, die nur ein paar Millisekunden dauert, kann deshalb Tausende oder Millionen von einfachen Operationen betreffen. Im Ergebnis können Fehlfunktionen und Datenverluste mit gefährlichen (z. B. Flughäfen, Krankenhäuser) oder kostenintensiven (z. B. Produktionsverlust) Konsequenzen sein. Deshalb erfordern viele Lasten, sogenannte sensible oder kritische Lasten, eine Stromversorgung, die gegen Störungen im Verteilungssystem geschützt ist. Beispiele: Industrielle Prozesse und ihre Steuerungs-/Überwachungssysteme Risiko von Produktionsverlusten Flughäfen und Krankenhäuser Risiken im Bereich der Personensicherheit Informations- und Kommunikationstechnologien Risiken von Verarbeitungsstillstand mit sehr hohen stündlichen Ausfallskosten Viele Hersteller sensibler Geräte geben sehr strenge Toleranzen (wesentlich strenger als für das Verteilungssystem) für die Stromversorgung ihrer Geräte vor, z. B. die CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturer s Association) für Computer-Ausrüstung. Sensible Lasten, siehe Technischer Überblick S. 2 Versorgung sensibler Lasten. Mit der Qualität elektrischen Stroms verbundene Kosten Über 50 % der Ausfälle kritischer Lasten sind auf die Stromversorgung zurückzuführen und die Kosten für Ausfallzeiten der entsprechenden Anwendungen sind in der Regel sehr hoch (Abb. 1.5). Daher ist es für die moderne Wirtschaft, die zunehmend von digitalen Technologien abhängt, äußerst wichtig, die Probleme bezüglich der Qualität und Verfügbarkeit des vom Verteilungssystem gelieferten Stroms zu lösen, wenn es um die Versorgung sensibler Lasten geht. 45 % Supply problems 15 % Human error 20 % 20 % Equipment failure Nuisance tripping (circuit breaker, etc.) Beispiele für Stundenkosten von Ausfällen Mobiltelefone Euro. Flugreservierungssysteme Euro. Kreditkartentransaktionen 2,5 Mio. Euro. Fertigungsstraße im Automobilbau 6 Mio. Euro. Börsengeschäfte 6,5 Mio. Euro. Abb Ursachen und Kosten von Systemausfällen im Zusammenhang mit der Stromversorgung. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 10

11 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Versorgungssysteme mit USVen Zweck von USVen USVen (unterbrechungsfreie Stromversorgungen) dienen dazu, den oben dargestellten Anforderungen gerecht zu werden. Sie wurden in den 1970er Jahren erstmals eingeführt und haben mit der Entwicklung digitaler Technologien an Bedeutung gewonnen. USVen sind elektrische Geräte, die zwischen dem Verteilungssystem und sensiblen Lasten positioniert werden. Der von ihnen gelieferte Strom ist wesentlich zuverlässiger als das Verteilungssystem und entspricht im Hinblick auf Qualität und Verfügbarkeit den Anforderungen sensibler Lasten. USVen, siehe Technischer Überblick S. 4 Die USV-Lösung. USV-Arten Der Begriff USV umfasst Produkte mit scheinbaren Nennleistungen von ein paar hundert VA bis hin zu mehreren MVA, in denen unterschiedliche Technologien implementiert sein können. Deshalb definieren Norm IEC und das europäische Äquivalent EN drei Normtypen (Topologien) von USVen. Zu USV-Technologien gehören folgende: Passives Standby Interaktion mit dem Verteilungssystem Doppelwandler Bei den niedrigen Nennleistungen (< 2 kva) bestehen die drei Technologien nebeneinander. Bei höheren Nennleistungen wird in fast allen statischen USVen (d. h. solchen mit Halbleiterkomponenten, z. B. IGBTs) die Doppelwandlertechnologie implementiert. Rotierende USVen (mit rotierenden mechanischen Teilen, z. B. Schwungrädern) sind nicht in den Normen enthalten und spielen auf dem Markt nur eine unwesentliche Rolle. USV-Arten, siehe Technischer Überblick S. 9 Statische USV-Arten. Statische Doppelwandler-USVen In Starkstrominstallationen werden fast ausschließlich USVen dieser Art verwendet, weil sie gegenüber den anderen USV-Arten einzigartige Vorteile bieten: Vollständige Regenerierung des am Ausgang gelieferten Stroms. Vollständige Isolation der Last von Verteilungssystem und Störungen. Gegebenenfalls unterbrechungsfreies Umschalten auf eine Bypass-Leitung. Das Funktionsprinzip ist unten dargestellt (Abb. 1.6). Im Normalbetrieb wandelt ein Gleichrichter bzw. ein Ladegerät den Eingangswechselstrom in Gleichstrom um, mit dem ein Wechselrichter versorgt und in einer Batterie die Erhaltungsladung sichergestellt wird. Der Wechselrichter stellt ein vollständiges sinusförmiges Signal wieder her, wobei der Gleichstrom wieder in Wechselstrom umgewandelt wird, der störungsfrei ist und sich innerhalb strenger Toleranzwerte für Amplitude und Frequenz bewegt. Falls der Eingangswechselstrom ausfällt, liefert die Batterie für eine festgelegte Autonomiezeit den vom Wechselrichter benötigten Strom. Über einen statischen Bypass kann die Last bei Bedarf (interner Fehler, Kurzschluss im nachgeschalteten Bereich, Wartung) ohne Unterbrechung der Stromversorgung auf eine Bypass-Leitung umgeschaltet werden. Dank dieser fehlertoleranten Bauweise kann die Last im heruntergestuften Modus (in dem der Strom nicht den Wechselrichter durchläuft) weiterhin versorgt werden, bis die normalen Bedingungen wiederhergestellt sind. Doppelwandler-USVen, siehe Technischer Überblick S. 14 Komponenten und Betrieb. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 11

12 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Abb Statische Doppelwandler-USV Stromqualität bei USVen Stromqualität bei Doppelwandler-USVen Aufgrund ihrer Bauweise liefern Doppelwandler-Festkörper-USVen den angeschlossenen Lasten ein sinusförmiges Signal mit folgenden Eigenschaften: Hohe Qualität aufgrund kontinuierlicher Regenerierung und Regelung (Amplitude ± 1 %, Frequenz ± 0,5 %) Keine Störungen aus dem Verteilungssystem (aufgrund des Doppelwandlers) und insbesondere keine Kleinstausfälle und Ausfälle (aufgrund der Batterie) Diese Qualität muss unabhängig von der Art der Last gewährleistet sein. Spannungsqualität für lineare Lasten Was ist eine lineare Last? Eine lineare Last, die mit einer sinusförmigen Spannung versorgt wird, bezieht einen sinusförmigen Strom mit derselben Frequenz wie die Spannung. Der Strom kann gegenüber der Spannung verschoben sein (Winkel ϕ, Abb. 1.7). Beispiele für lineare Lasten Viele Lasten sind linear, darunter sind herkömmliche Glühbirnen, Heizelemente, Ohmsche Verbraucher, Motoren, Transformatoren usw. Sie enthalten keine aktiven elektronischen Komponenten, nur Widerstände (R), Induktoren (L) und Kondensatoren (C). USVen und lineare Lasten Bei dieser Art von Last ist die Qualität des USV-Ausgangssignals sehr hoch, d. h., Spannung und Strom sind genau sinusförmig, bei 50 oder 60 Hz. Reine Ohmsche Verbraucher Last mit Induktor und/oder Kondensator Abb Spannung und Strom für lineare Lasten. Spannungsqualität für nicht lineare Lasten Was ist eine nicht lineare Last? Eine nicht lineare (oder verzerrende) Last, die mit einer sinusförmigen Spannung versorgt wird, bezieht einen periodischen Strom mit derselben Frequenz wie die Spannung, der allerdings nicht sinusförmig ist. Der von der Last bezogene Strom ist vielmehr eine Kombination der folgenden Elemente (Abb. 1.8): - Sinusförmiger Strom (die sogenannte Grundschwingung) mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz - Oberschwingungen, d. h. sinusförmige Ströme mit einer geringeren Amplitude als die Grundschwingungen, deren Frequenz jedoch ein Vielfaches der Grundschwingung ist, das die Oberschwingungsordnung definiert (z. B. weist die Oberschwingung der dritten Ordnung eine Frequenz von 3 x 50 Hz (bzw. 60 Hz) auf und die Oberschwingung der fünften Ordnung eine Frequenz von 5 x 50 Hz (bzw. 60 Hz)) Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 12

13 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Die Oberschwingungsströme werden durch das Vorhandensein von leistungselektronischen Komponenten (z. B. Dioden, SCRs, IGBTs) verursacht, die den Eingangsstrom schalten. Beispiele für nicht lineare Lasten Zu den nicht linearen Lasten gehören alle Lasten, die am Eingang über eine Stromversorgungseinheit im Schaltermodus verfügen, um die Elektronik zu versorgen (z. B. Computer, regelbare Antriebe usw.). Auswirkungen von Oberschwingungen (in diesem Beispiel H3 und H5). Spannung und Strom, von einer Einphasen- Stromversorgungseinheit im Schaltermodus (Computer) bezogen. Abb Der von nicht linearen Lasten bezogene Strom wird durch die Oberschwingungen verzerrt. Oberschwingungsspektrum des durch eine nicht lineare Last bezogenen Stroms Bei der Oberschwingungsanalyse eines nicht linearen Stroms wird Folgendes bestimmt (Abb. 1.9): Im Strom vorkommende Oberschwingungsordnungen Relatives Gewicht der einzelnen Oberschwingungsordnungen, gemessen als Prozentsatz rms valueof harmonick Hk% = Verzerrung von Oberschwingung k = rms value of the fundamental Oberschwingungsverzerrung von Spannung und Strom Nicht lineare Lasten verursachen sowohl Strom- als auch Spannungsoberschwingungen. Dies liegt daran, dass für jede Stromoberschwingung eine Spannungsoberschwingung mit derselben Frequenz vorliegt. Daher wird die sinusförmige Spannung bei 50 Hz (bzw. 60 Hz) der USV durch die Oberschwingungen verzerrt. Die Verzerrung einer Sinuswelle wird in Prozent angegeben: rms value of all the harmonic k THD* % = Gesamtverzerrung = rms value of the fundamental * Total Harmonic Distortion (Klirrfaktor). Folgende Werte sind definiert: TDHU % für die Spannung, basierend auf den Spannungsoberschwingungen TDHI % für den Strom, basierend auf den Stromoberschwingungen (Abb. 1.9) Je höher der Oberschwingungsanteil, desto stärker die Verzerrung. In der Praxis ist die Verzerrung im von der Last bezogenen Strom wesentlich höher (THDI ca. 30 %) als die der Spannung am Eingang (THDU ca. 5 %). Oberschwingungsverzerrungsstufen H5 = 33 % H7 = 2,7 % H11 = 7,3 % H13 = 1,6 % H17 = 2,6 % H19 = 1,1 % H23 = 1,5 % H25 = 1,3 % Eingangsstrom eines Dreiphasen- Gleichrichters. THDI = 35 % (siehe Berechnung Kap. 5, S. 41) Oberschwingungsspektrum und entsprechender THDI-Wert Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 13

14 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Abb Beispiel zum Oberschwingungsspektrum des durch eine nicht lineare Last bezogenen Stroms Nicht lineare Lasten, siehe Beseitigung von Oberschwingungen in Installationen und Technischer Überblick S. 38 Oberschwingungen. USVen und nicht lineare Lasten Oberschwingungen haben Auswirkungen auf die sinusförmige Spannung am USV- Ausgang. Übermäßige Verzerrung kann die parallel an den Ausgang angeschlossenen Lasten stören, vor allem durch Erhöhung des von diesen bezogenen Stroms (Temperaturanstieg). Um die Qualität der USV-Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, deren Verzerrung (THDU) zu begrenzen, d. h., die Stromoberschwingungen, die Spannungsverzerrungen erzeugen, müssen begrenzt werden. Insbesondere muss die Impedanz (am USV-Ausgang und in den Kabeln, mit denen die Last versorgt wird) niedrig gehalten werden. Begrenzen der Verzerrung der Ausgangsspannung Aufgrund der angewendeten Methode des Taktens mit freier Frequenz ist die Impedanz am Eingang der USVen von Schneider Electric unabhängig von der Frequenz (d. h. von der Oberschwingungsordnung) sehr niedrig. Mit dieser Methode wird beim Versorgen nicht linearer Lasten die Verzerrung in der Ausgangsspannung fast vollständig beseitigt. Daher ist die Qualität der Ausgangsspannung auch für nicht lineare Lasten konstant. In der Praxis ist beim Planen der Installation Folgendes zu beachten: USV-Ausgangswerte für nicht lineare Lasten müssen überprüft werden und insbesondere muss gewährleistet sein, dass die gemeldete Verzerrung, die für genormte nicht lineare Lasten nach IEC gemessen wird, sehr niedrig ist (THDU < 2 bis 3 %). Die Länge (Impedanz) der Ausgangskabel, mit denen die Last versorgt wird, muss begrenzt werden. USV-Leistung bei nicht linearen Lasten, siehe Technischer Überblick S. 43. USV-Stromverfügbarkeit Was ist mit Verfügbarkeit gemeint? Verfügbarkeit einer elektrischen Installation Verfügbarkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Installation Strom mit der von den versorgten Lasten benötigten Qualität liefern kann. Sie wird als Prozentsatz ausgedrückt. Verfügbarkeit (%) = ( 1 MTTR MTBF ) 1 00 MTTR (Mean Time To Repair) ist die mittlere Reparaturzeit des Versorgungssystems nach einem Ausfall (und enthält die Zeit für die Erkennung der Ausfallursache, die Reparatur und das Wiederanfahren des Systems). MTBF (Mean Time Between Failures) ist die Zeit, für die das Versorgungssystem einen ordnungsgemäßen Betrieb der Lasten gewährleisten kann. Beispiel: Eine Verfügbarkeit von 99,9 % (auch 3 Neunen genannt) entspricht einer Wahrscheinlichkeit von 99,9 %, dass das System die erforderlichen Funktionen zu einem gegebenen Zeitpunkt effektiv ausführt. Die Differenz zwischen dieser Wahrscheinlichkeit und 1 (d. h. 1-0,999 = 0,001) gibt die Nichtverfügbarkeit an (d. h., es besteht eine Wahrscheinlichkeit von 1:1000, dass das System die erforderlichen Funktionen zu einem gegebenen Zeitpunkt nicht ausführt). Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 14

15 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Abb MTTR und MTBF. Welche praktische Bedeutung hat Verfügbarkeit? Kosten für Ausfallzeiten kritischer Anwendungen sind in der Regel sehr hoch (siehe Abb. 1.5). Deshalb müssen diese Anwendungen so lang wie möglich in Betrieb bleiben. Dasselbe gilt für die dazugehörige Stromversorgung. Die Verfügbarkeit des durch eine elektrische Installation gelieferten Stroms entspricht einem statistischen Messwert der Betriebszeit (in Form eines Prozentsatzes). Die Werte für MTBF und MTTR werden für die Komponenten berechnet oder gemessen (auf der Basis ausreichend langer Beobachtungen). Anschließend können sie verwendet werden, um die Verfügbarkeit der Installation über den betreffenden Zeitraum zu bestimmen. Welche Faktoren tragen zur Verfügbarkeit bei? Die Verfügbarkeit ist von MTBF und MTTR abhängig. Eine Verfügbarkeit von 100 % würde bedeuten, dass die MTTR gleich Null ist (sofortige Reparatur) oder die MTBF unendlich (Betrieb ohne Ausfälle). Das ist statistisch unmöglich. In der Praxis gilt: Je kürzer die MTTR und je länger die MTBF, desto höher die Verfügbarkeit. Von 3 Neunen zu 6 Neunen Da inzwischen viele Anwendungen kritisch sind, besteht ein Bedarf nach wesentlich höherer Verfügbarkeit von elektrischem Strom. Die traditionelle Wirtschaft nutzt Strom aus dem öffentlichen Netz. Ein Verteilungssystem durchschnittlicher Qualität mit Hochspannungsbackup bietet eine Verfügbarkeit von 99,9 % ( 3 Neunen ), was acht Stunden Nichtverfügbarkeit pro Jahr entspricht. Sensible Lasten erfordern eine Stromversorgung, die eine Verfügbarkeit von 99,99 % ( 4 Neunen ) bieten kann, was 50 Minuten Nichtverfügbarkeit pro Jahr entspricht. Die Computer- und Kommunikationsausrüstung in Datenzentren erfordert eine Verfügbarkeit von 99,9999 % ( 6 Neunen ), was 30 Sekunden Nichtverfügbarkeit pro Jahr entspricht. Auf diesem Niveau lässt sich ohne Risiko größerer finanzieller Verluste der Dauerbetrieb einer Infrastruktur so gewährleisten, dass keine Abschaltungen zu Wartungszwecken notwendig sind. Dies stellt einen Schritt in Richtung fortlaufende Stromversorgung dar. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 15

16 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Die traditionelle Wirtschaft nutzt Strom aus dem öffentlichen Netz. Dieses bietet eine Verfügbarkeit von 99,9 % ( 3 Neunen ). Sensible Lasten erfordern eine Verfügbarkeit von 99,99 % ( 4 Neunen ). Datenzentren erfordern 99,9999 % ( 6 Neunen ). Abb Entwicklung der für Anwendungen erforderlichen Verfügbarkeit. Wie lässt sich die Verfügbarkeit verbessern? Um die Verfügbarkeit zu verbessern, sind eine Verkürzung der MTTR und eine Verlängerung der MTBF notwendig. Verkürzung der MTTR Echtzeit-Fehlererkennung, Analyse durch Fachleute zur genauen Diagnose und schnelle Reparatur tragen zu einer Verkürzung der MTTR bei. Diese Aspekte sind von den im Folgenden aufgeführten Hauptfaktoren abhängig. Qualität der Wartung Internationale Präsenz des Herstellers Internationale Verfügbarkeit von Diensten Anzahl, Qualifikation und Erfahrung der Service-Teams Installierte Produktbasis und gewonnene Erfahrung Wartungsfreundliche modulare USVen Ressourcen und Nähe des technischen Supports Lokale Verfügbarkeit von Original-Ersatzteilen Leistungsstarke Methoden, Werkzeuge und Tools des Herstellers Ferndiagnose An den Kundenbedarf angepasste Schulungen Qualität und Verfügbarkeit der Dokumentation in der jeweiligen Landessprache Global Services TM bietet eine umfassende Palette von Beratungsdienstleistungen, Schulungen und Prüfungen an, um Benutzer mit den erforderlichen Kenntnissen für Systembetrieb, Diagnose und grundlegende Wartungsarbeiten auszustatten. Global Services TM Verkürzung der MTTR Erhöhung der Verfügbarkeit Abb Die Qualität der Wartung spielt beim Thema Verfügbarkeit eine entscheidende Rolle. USV-Kommunikationsfunktionen Benutzerfreundliche Schnittstelle für problemlose Betriebsdiagnose Kommunikation mit der elektrischen Umgebung und der Computerumgebung Kommunikation und Überwachung für USVen von Schneider Electric, siehe USV-Kommunikation. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 16

17 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Verlängerung der MTBF Dieses Ziel ist hauptsächlich von den im Folgenden aufgeführten Faktoren abhängig. Auswahl von Komponenten mit bewährter Zuverlässigkeit Produkte mit zertifizierten Planungs-, Entwicklungs- und Herstellungsprozessen Durch anerkannte unabhängige Organisationen zertifizierte Leistung Konformität mit internationalen Normen zu elektrischer Sicherheit, EMC und Leistungsmessung. Mit 40 Jahren Erfahrung und dem Schutz kritischer Stromversorgungen im Volumen von 350 GVA haben sich Lösungen von Schneider Electric bei großen Industrieunternehmen bewährt. Alle Produkte entsprechen den wichtigsten internationalen Normen und ihre Leistung wurde von anerkannten Organisationen zertifiziert. Zertifizierte Qualität und Zuverlässigkeit Verlängerung der MTBF Erhöhung der Verfügbarkeit Abb Durch die bewährte Zuverlässigkeit von Produkten werden die MTBF verlängert und die Verfügbarkeit erhöht. Integrierte Fehlertoleranz Fehlertoleranz ermöglicht den Betrieb in einem heruntergestuften Modus nach Fehlern, die auf verschiedenen Ebenen der Installation auftreten können (siehe Abb. 1.14). Während der für die Reparatur benötigten Zeit wird die Last weiterhin versorgt und generiert Umsätze. Sofortige Auslösung: - Erkennung und Alarmmeldungen - Ermittlung der Ursachen Abb Fehlertoleranz erhöht die Verfügbarkeit. Wartungsfreundlichkeit der Installation Hier geht es um die Möglichkeit, Teile der Installation für Wartungszwecke unter sicheren Bedingungen zu isolieren (auszuschalten), während die Last weiterhin versorgt wird. Dies muss folgendermaßen möglich sein: In der USV durch den statischen Bypass und den Wartungs-Bypass In anderen Teilen der Installation je nach Architektur Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 17

18 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Direkte Versorgung der Last während der Wartung Automatische, unterbrechungsfreie Umschaltung der Last auf die Bypass-Leitung nach einem internen Fehler oder einer Überlast im nachgeschalteten Bereich. Abb Statischer Bypass und manueller Wartungs-Bypass. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 18

19 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) Lösungen von Schneider Electric gewährleisten Fehlertoleranz und Wartungsfreundlichkeit, weil Folgendes implementiert wird: Doppelwandler-USVen, bei denen die Last über den automatischen Bypass auf den AC-Bypass-Eingang umgeschaltet werden kann und die über einen Wartungs- Bypass verfügen Redundante Mehrfachquellen-USV-Konfigurationen mit statischen Übertragungsschalter-Einheiten Hauptfaktoren für die Verfügbarkeit von Installationen mit USVen Noch vor ein paar Jahren bestanden die meisten Installationen aus Einzel-USV- Einheiten und die Anzahl der Parallelsysteme war gering. Die Anwendungen, die diese Art von Installation erfordern, gibt es immer noch. Durch die Verschiebung in Richtung Hochverfügbarkeit müssen jedoch Konfigurationen verwendet werden, die Redundanzen auf verschiedenen Ebenen in der Installation ermöglichen (siehe Abb. 1.16). Quellenredundanz: Verfügbarkeit auch während längerer Netzausfälle. USV-Redundanz: Zuverlässigkeit, einfachere und sicherere Wartung. Redundante Verteilung mit statischen Übertragungsschalter- Einheiten: maximale Verfügbarkeit. Abb Aufgrund der erforderlichen Verfügbarkeit werden inzwischen Redundanzen auf verschiedenen Ebenen in der Installation verwendet. Dies hat dazu geführt, dass Planer inzwischen je nach Kritikalität der Lasten und Betriebsanforderungen einige oder alle der im Folgenden aufgeführten Hauptfaktoren berücksichtigen. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Die Konfiguration muss die für die jeweilige Last erforderlichen Zuverlässigkeit gewährleisten, aus Komponenten mit bewährter Zuverlässigkeit bestehen und durch eine entsprechende Qualität der Wartung unterstützt werden. Wartungsfreundlichkeit Gewährleisten müheloser Wartung der Geräte unter sicheren Bedingungen für Mitarbeiter und ohne Unterbrechung des Betriebs. Erweiterungsfähigkeit Es muss möglich sein, die Installation über einen längeren Zeitraum hinweg zu erweitern. Dabei muss die Installation schrittweise erweitert werden und Betriebsanforderungen müssen beachtet werden. Entkopplung und Nichtweitergabe von Fehlern Es muss möglich sein, die Fehler auf einen kleinstmöglichen Teil der Installation zu begrenzen und gleichzeitig die Instandhaltung ohne Unterbrechung des Betriebs zu gewährleisten. Installation, Betrieb und Management Vereinfachter Betrieb durch die Möglichkeit, Ereignisse durch Installationsüberwachungs- und Verwaltungssysteme vorauszusagen. Auswahl der Konfiguration Notwendige Schritte bei der Festlegung der Installations- Spezifikationen Die Auswahl einer Konfiguration bestimmt die Verfügbarkeit, die für die Last erreicht wird. Außerdem bestimmt sie die möglichen Lösungen für die meisten der oben beschriebenen Probleme. Die Konfiguration kann über eine Einfach- oder Mehrfachquelle und über Einzeloder Parallel-USV-Einheiten verfügen sowie nach Bedarf über Redundanzen. Die Auswahl der Konfiguration ist der erste Schritt bei der Festlegung der Installations-Spezifikationen. In Kapitel 2 wird ausschließlich dieses Thema Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 19

20 Grundbegriffe zu Installationen mit USVen (Fortsetzung) behandelt, um Hilfestellung für die erforderlichen Entscheidungen zu geben. Dort werden die verschiedenen Konfigurationen im Hinblick auf Verfügbarkeit, Schutz der Lasten, Wartungsfreundlichkeit, Erweiterungsfähigkeit und Kosten verglichen. Auswahl der Konfiguration auf der Basis typischer Installationen, die unterschiedlichen Verfügbarkeitsstufen entsprechen, siehe Auswahl der USV- Konfiguration. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 20

21 Berechnungen der Leistungsaufnahme (Fortsetzung) Für Berechnungen der Leistungsaufnahme erforderliche Elemente Hinweise zur Installation Art der versorgten Last Lineare Lasten (cos ϕ) oder nicht lineare Lasten (Leistungsfaktor). Diese Eigenschaften bestimmen den Leistungsfaktor am USV-Ausgang. Maximale von der Last bezogene Leistung unter Dauerbetriebsbedingungen Bei nur einer Last entspricht dies der Nennleistung. Wenn mehrere Lasten parallel am USV-Ausgang angeschlossen sind, muss die Gesamtlast berechnet werden, die sich ergibt, wenn alle Lasten gleichzeitig in Betrieb sind. Andernfalls muss mithilfe eines Verschiedenheitsfaktors der im Hinblick auf den bezogenen Strom ungünstigste Betrieb berechnet werden. Einschaltströme unter Transientbedingungen oder bei Kurzschluss im nachgeschalteten Bereich Die Überlastungsfähigkeit eines USV-Systems hängt davon ab, wie lang die Überlast andauert. Bei Überschreitung dieses Zeitlimits schaltet die USV die Last auf den AC-Bypass- Eingang um, sofern die Merkmale der Spannung innerhalb der Toleranzen liegen. In diesem Fall wird die Last nicht mehr gegen Störungen im Verteilungssystem geschützt. Je nach Qualität des Bypass-Wechselstroms ist Folgendes möglich: Verwendung des AC-Bypass-Eingangs zum Abfangen von Stromspitzen beim Schalten von Geräten oder bei Kurzschlüssen im nachgeschalteten Bereich. Dadurch muss das System nicht überdimensioniert werden. Die automatische Umschaltung (außer bei internen Fehlern) kann deaktiviert werden, während manuelle Umschaltungen (z. B. zu Wartungszwecken) weiterhin durchgeführt werden können. USVen von Schneider Electric arbeiten im Strombegrenzungsbetrieb. In der Regel ist es möglich, durch zeitliche Staffelung des Schaltens von Geräten die Einschaltströme so zu begrenzen, dass ein Umschalten auf den Bypass- Wechselstrom nicht notwendig ist. Falls der Einschaltstrom den Grenzwert (z. B. 2,33 In für USVen vom Typ Galaxy 9000) für einige Perioden (jedoch weniger als eine Sekunde) überschreitet, begrenzt die USV den Strom für die notwendige Zeit. Dieser Betrieb im heruntergestuften Modus kann beispielsweise für einen Kaltstart (mit Batteriestrom, kein Netzstrom) akzeptabel sein. Leistung einer USV Nennleistung einer USV Diese in den Katalogen angegebene Nennleistung liegt in der Ausgangsleistung. Sie wird als Scheinleistung S n in kva angegeben, die entsprechende Wirkleistung P n in kw, für folgende Fälle: Lineare Last Last mit cos ϕ = 0,8 USVen der letzten Generation von Schneider Electric können jedoch Lasten mit cos ϕ = 0,9 kapazitiv versorgen. Berechnung der Nennleistung P n (kw) = 0,8 S n (kva) Nennwirkleistung Diese Berechnung ist abhängig von der Ausgangsspannung der USV und dem von der Last bezogenen Strom. Dabei gilt: 3 S n (kva) = U n I n (in Dreiphasen-Systemen) S n (kva) = V n I n (in Einphasen-Systemen) Für eine Dreiphasen-USV sind U und I effektive Leitungswerte, während für eine Einphasen-USV V eine Sternspannung ist. Dabei gilt: U n = Spannung zwischen Phasen V n = Sternspannung 3 U n = V n Beispiel: Für U n = 400 Volt ist V n = 230 Volt. Leistung und Art der Last Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 21

22 Berechnungen der Leistungsaufnahme (Fortsetzung) Die beiden nachfolgenden Tabellen zeigen die Gleichungen, durch die Leistung, Spannung und Strom miteinander verbunden sind, in Abhängigkeit von der Art der Last (linear oder nicht linear). Die folgenden Symbole werden verwendet: Momentane Werte für Spannung u(t) und Strom i(t) Die entsprechenden effektiven Werte U und I ω = Winkelfrequenz = 2 π f, wobei f die Frequenz ist (50 oder 60 Hz) ϕ = Verschiebung zwischen Spannung und Strom, wenn diese sinusförmig sind Sinusförmige Spannung Verschobener sinusförmiger Strom Scheinleistung Wirkleistung Blindleistung Lineare Lasten Dreiphasig Einphasig u(t) = U 2 sin ωt zwischen Phasen v(t) = V 2 sin ωt Sternspannung U = V 3 S (kva) = UI P (kw) = UI Q (kvar) = UI i(t) = I 2 sin (ωt - ϕ) Phasenstrom 2 Strom-Crest-Faktor 3 S (kva) = VI cos ϕ 3 cos ϕ = S (kva) cos ϕ P (kw) = VI cos ϕ = S (kva) cos ϕ 3 sin ϕ = S (kva) sin ϕ Q (kvar) = VI sin ϕ = S (kva) sin ϕ S = P Q Sinusförmige Spannung Die geregelte USV-Spannung bleibt unabhängig von der Art der Last sinusförmig (niedriger THDU-Wert). Strom mit Oberschwingungen Nicht lineare Lasten u(t) = U 2 sin ωt zwischen Phasen v(t) = V 2 sin ωt Sternspannung U = V 3 i(t) = i 1 (t) + Σih k (t) Phasenstrom insgesamt i 1 (t) = I 1 2 sin (ωt - ϕ1 ) Grundschwingungsstrom 2 i k (t) = Ih k sin (kωt - ϕk ) Oberschwingung der k-ten Ordnung I1 2 + I2 2 + I3 2 + I I = Effektiver Wert des Gesamtstroms C = Spitzenstromwert / effektiver Wert Strom-Crest-Faktor THDI = I + I + I + I +... I Klirrfaktor des Stroms Scheinleistung Wirkleistung Leistungsfaktor S (kva) = UI P (kw) = λ UI 3 S (kva) = VI 3 P (kw) = λ VI = λ S (kva) = λ S (kva) PkW ( ) λ = SkVA ( ) Prozentuale USV-Last Dies ist der Prozentsatz der Nennleistung, der tatsächlich von der Last bezogen wird. Sload ( kva) Last (%) = Sn ( kva) Empfehlung: Berücksichtigen Sie mögliche Erweiterungen der Lasten. Es ist ratsam, beim Festlegen der Nennleistung einen gewissen Spielraum (Leistungsüberschuss) vorzusehen, besonders wenn ein Ausbau des betreffenden Standorts geplant ist. Achten Sie in diesem Fall darauf, dass die prozentuale Last der USV auch nach dem Ausbau akzeptabel ist. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 22

23 Berechnungen der Leistungsaufnahme (Fortsetzung) USV-Wirkungsgrad Dieser Faktor bestimmt, wie viel Strom von der USV im vorgeschalteten Verteilungssystem bezogen wird, d. h. den Verbrauch. Er lässt sich folgendermaßen berechnen: PUPSoutput ( kw) PUPSinput ( kw) η (%) = Bei gegebener Nennleistung bedeutet ein hoher Wirkungsgrad Folgendes: Niedrigere Stromkosten Geringere Wärmeverluste und daher weniger Luftzirkulationsanforderungen Es ist möglich, den Wirkungsgrad bei voller Nennlast zu berechnen, d. h. bei 100 % Last. Pn ( kw) η n (%) = PUPSinput ( kw) Die Nennwirkleistung der USV ergibt sich, indem die scheinbare Nennleistung S n (kva) mit 0,8 (falls λ > 0,8) bzw. mit λ (falls λ < 0,8) multipliziert wird. Der Wirkungsgrad kann je nach prozentualer Last und Art der Last erheblich schwanken. Beim Planen der Installation muss daher auf zwei Aspekte des Wirkungsgrads geachtet werden. Empfehlung 1: Überprüfen Sie den Wirkungsgrad für nicht lineare Lasten. Durch das Vorhandensein von nicht linearen Lasten verringert sich der Leistungsfaktor tendenziell auf Werte unter 0,8. Daher müssen die Wirkungsgradwerte für genormte nicht lineare Lasten überprüft werden. Diese Überprüfung wird in den Normen IEC und EN empfohlen. Empfehlung 2: Überprüfen Sie den Wirkungsgrad bei der geplanten prozentualen Last. Hersteller geben in der Regel den Wirkungsgrad bei voller Nennlast an. Dieser Wert kann jedoch fallen, wenn die prozentuale Last niedriger ist (1). Dies muss besonders bei USVen beachtet werden, deren Konfiguration aktive Redundanz vorsieht, d. h., wenn die Gesamtlast auf die Einheiten verteilt wird und die einzelnen Einheiten häufig nur bis zu 50 % ihrer vollen Nennlast erreichen. (1) USVen werden für den Betrieb bei voller Nennlast optimiert. Obwohl die Verluste bei voller Nennlast am höchsten sind, gilt dies auch für den Wirkungsgrad. Bei Standard-USVen sind die Verluste nicht proportional zur prozentualen Last und der Wirkungsgrad fällt mit abnehmender prozentualer Last stark ab. Dies liegt daran, dass ein Teil der Verluste konstant ist und das prozentuale Gewicht dieses Anteils zunimmt, wenn die Last abnimmt. Um bei geringer Last einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die konstanten Verluste sehr niedrig sein. Aufgrund ihrer Bauweise weisen USVen von Schneider Electric sehr niedrige konstante Verluste auf, sodass ihr Wirkungsgrad für Lasten von 30 bis 100 % praktisch stabil ist. USV-Wirkungsgrad, siehe Technischer Überblick S. 20. Nennleistungen von Konfigurationen mit einzelnen USVen Konfigurationen mit einzelnen USVen Diese Konfigurationen umfassen eine einzelne Doppelwandler-USV-Einheit (siehe Abb. 1.17). Die Überlastungsfähigkeit am USV-Ausgang wird durch einen Schaltplan angegeben (im Beispiel unten für die Modellreihe Galaxy 9000). Im Fall eines internen Fehlers oder einer zu starken Überlastung der USV schaltet das System automatisch auf den AC-Bypass-Eingang um. Wenn die Umschaltung nicht möglich ist, begrenzen USVen von Schneider Electric den Strom bei Überlasten oberhalb des Maximalwerts (z. B. 2,33 In Spitze für eine Sekunde bei der Galaxy 9000, was einer maximalen Sinuswelle mit einem effektiven Wert von 2,33 / 2 = 1,65 In entspricht). Bei zu hohen Überlasten, die länger andauern als eine Sekunde, wird die USV abgeschaltet. Ein Satz von Trennschaltern ist verfügbar, um die USV zu Wartungszwecken vollkommen sicher zu isolieren. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 23

24 Berechnungen der Leistungsaufnahme (Fortsetzung) Abb Einzelne statische Doppelwandler-USV-Einheit und Beispiel einer Überlastkurve. Leistungsaufnahme unter Dauerbetriebsbedingungen Eine USV wird anhand der scheinbaren Ausgangsnennleistung S n (kva) und eines Ausgangsleistungsfaktors von 0,8 dimensioniert. Diese Bedingungen entsprechen einer Nennwirkleistung von P n (kw) = 0,8 S n (kva). Unter echten Bedingungen versorgt eine USV eine Reihe von Lasten mit einem Gesamtleistungsfaktor λ, der aufgrund des Vorhandenseins von nicht linearen Lasten sowie von Faktoren zur Verbesserung des Leistungsfaktors nicht gleich 0,8 ist. Bei λ 0,8 ist die USV auf P n (kw) begrenzt. Bei λ < 0,8 ist die USV auf λ S n (kw) < P n (kw) begrenzt. Daher muss bei der Auswahl der Nennleistung in kva die an die Lasten gelieferte Wirkleistung berücksichtigt werden. Die Wirkleistung lässt sich mithilfe der vier im Folgenden beschriebenen Schritte bestimmen. 1. Von den Lasten bezogene Schein- und Wirkleistung Der erste Schritt besteht darin, die Leistungsanforderungen der Last zu prüfen. Die folgende Tabelle muss für die k zu versorgenden Lasten erstellt werden. Last Scheinbare Nennleistung Eingangsleistungsfa ktor λ (oder cos ϕ) Nennwirkleistung (kw) Last 1 S 1 λ 1 P 1 = λ 1 S 1 Last 2 S 2 λ 2 P 2 = λ 2 S 2 Last i S i λ i P i = λ i S i Last k S k λ k P k = λ k S k Gesamt S λ P = λ S (1) S ist nicht die Summe aus S i. (2) λ muss gemessen oder berechnet werden. (3) P = λ S = Σ λ i S i (1) S ist aus folgenden Gründen nicht die Summe aus S i : - Wenn alle Lasten linear wären, müsste die Vektorsumme mit den Winkeln der verschiedenen Werte für cos ϕ berechnet werden. - Einige der Lasten sind nicht linear. (2) λ muss vor Ort gemessen oder anhand von Erfahrungswerten ermittelt werden. (3) P = λ S = Σ λ i S i, weil die Wirkleistung addiert wird (keine Verschiebung). 2. Scheinbare Nennleistung der USV (S n ) Der zweite Schritt besteht darin, eine USV auszuwählen, deren scheinbare Nennleistung ausreicht, um die Anforderungen der Lasten abzudecken (in kva). Unter den gegebenen Bedingungen gilt für die geeignete scheinbare Nennleistung für die USV Folgendes: S n (kva) > S, wobei S = P / λ ist. Wählen Sie eine USV mit einer Nennleistung S n (kva) von knapp über S aus. Wenn eine Leistungsreserve erforderlich ist und die ausgewählte Nennleistung zu nahe bei S liegt, wählen Sie die nächsthöhere Nennleistung aus. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 24

25 Berechnungen der Leistungsaufnahme (Fortsetzung) 3. Überprüfung der Wirkleistung Der dritte Schritt ist eine Überprüfung, ob die ausgewählte Nennleistung ausreicht, um unter den angegebenen Betriebsbedingungen die Anforderungen der Lasten in kw abzudecken. Bei der ausgewählten Nennleistung liefert die USV folgende Nennwirkleistung: P n (kw) = 0,8 S n (kva) Achten Sie bei λ 0,8 darauf, dass P n (kw) > P ist, d. h. dass die USV die erforderliche zusätzliche Leistung liefern kann. Wählen Sie andernfalls die nächsthöhere Nennleistung aus. Bei λ < 0,8 reicht die von der USV gelieferte Leistung aus, weil P n (kw) > λ S n (kva) ist, d. h., die Auswahl ist richtig. 4. Prozentuale Last Der vierte Schritt ist eine Überprüfung, ob die prozentuale Last akzeptabel ist, und zwar unter den gewünschten aktuellen und zukünftigen Betriebsbedingungen. Die prozentuale Last ergibt sich wie folgt: Last = S / S n (kva) Sie muss ausreichen, um Lastzunahmen abzudecken oder, falls Pläne zur Erweiterung des Systems bestehen, als Redundanz genutzt zu werden. Leistungsaufnahme unter Transientbedingungen Einschaltströme für Lasten Die Einschaltströme der einzelnen Lasten und die Dauer der Transientbedingungen müssen bekannt sein. Wenn das Risiko besteht, dass eine Reihe von Lasten gleichzeitig eingeschaltet wird, müssen die Einschaltströme summiert werden. Notwendige Überprüfungen Anschließend muss überprüft werden, ob die geplante USV-Nennleistung für die Einschaltströme ausreicht. Dabei ist zu beachten, dass die USV für einige Perioden im Strombegrenzungsbetrieb laufen (z. B. 2,33 In für eine Sekunde bei einer Galaxy 9000) kann. Wenn die USV die Einschaltströme nicht verarbeiten kann, muss entschieden werden, ob bei Auftreten der Transientbedingungen ein Umschalten auf den AC-Bypass-Eingang akzeptabel ist. Falls das Umschalten nicht akzeptabel ist, muss die Nennleistung erhöht werden. Überblick über die Einschaltströme, siehe Technischer Überblick S. 37. Beispiel Das folgende Beispiel dient lediglich der Veranschaulichung und entspricht keiner wirklichen Situation. Der Zweck ist das Aufzeigen der erforderlichen Schritte. Die Installation besteht aus drei parallel angeschlossenen Dreiphasen-Lasten (400 V): Computersystem S 1 = 4 x 10 kva (4 identische Lasten mit je 10 kva), λ = 0,6 für alle Lasten, Einschaltstrom 8 In über vier Perioden bei 50 Hz (80 ms) für jede Last Regelbarer Antrieb S 2 = 20 kva, λ = 0,7, Einschaltstrom 4 In über fünf Perioden (100 ms) Trenntransformator S 3 = 20 kva, λ = cos ϕ = 0,8, Einschaltstrom 10 In über sechs Perioden (120 ms) Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 25

26 Berechnungen der Leistungsaufnahme (Fortsetzung) Scheinbare Nenn- Ausgangsleistung S n (kva) Wirkleistung P n (kw) = 0,8 S n (kva) Leistungsfaktor λ am USV-Ausgang für alle Lasten Gesamt-Stromverbrauch der Lasten P (kw) = 54 kw Abb Beispiel einer Installation. 4 x 10 kva 20 kva 20 kva λ 1 = 0,6 λ 2 = 0,7 cos ϕ = 0,8 Leistungsaufnahme unter Dauerbetriebsbedingungen 1. Von den Lasten bezogene Schein- und Wirkleistung Die nachfolgende Tabelle muss erstellt werden. Maximale Ausgangswirkleistung (mit der die USV die Lasten versorgen kann) λ S n (kva) Last Scheinbare Nennleistung (kva) Eingangsleistungsfa ktor Nennwirkleistung (kw) Computersystem 40 0,8* 32* Regelbarer Antrieb 20 0,7 14 Niederspannungstrans 20 0,8 16 formator Gesamt S λ = 0,68 P = 54 kw Gemessen oder geschätzt * Durchschnittswert aus neuen Spitzensystemen mit Leistungsfaktor 0,9 und älteren Geräten mit Leistungsfaktoren zwischen 0,7 und 0,8. 2. Scheinbare Nennleistung der USV S = 54 / 0,68 = 79,4 kva Wählen Sie eine Galaxy PW-USV mit ausreichender Nennleistung aus. 80 kva Nennleistung reichen nicht aus, d. h., Sie müssen 100 kva auswählen oder eine höhere Nennleistung, wenn eine Erweiterung am Standort geplant ist. 3. Überprüfung der Wirkleistung Die USV kann die Lasten 100 x 0,68 = 68 kw > 54 kw liefern. 4. Überprüfung von prozentualer Last und der Nennstrom Daher ist die prozentuale Last gleich 79,4 / 100 = 79,4 %. 3 Nennstrom der USV: S n (kva) = UI, d. h. I = 100 / (400 x 1,732) = 144 A. Einschaltströme unter Transientbedingungen Die Lasten sollten nacheinander eingeschaltet werden, um eine Summierung der Einschaltströme zu vermeiden. Es muss überprüft werden, ob die USV die Einschaltströme verarbeiten kann. 3 Die Nennströme werden als S (kva) = UI berechnet, d. h.: Computersystem In = 10/(400 x 1,732) = 14,4 A, d. h., 8 In 115 A für 80 ms Regelbarer Antrieb In = 20/(400 x 1,732) = 28,8 A, d. h., 4 In 115 A für 100 ms Transformator In = 20/(400 x 1,732) = 28,8 A, d. h., 10 In = 288 A für 120 ms Eine 100 kva-usv vom Typ Galaxy PW hat eine Überlastungsfähigkeit von 120 %, d. h. 151 A x 1,2 = 173 A für 1 Minute, und 150 %, d. h. 151 A x 1,5 = 216 A für 1 Minute. Strombegrenzungsbetrieb bei 2,33 In, d. h. 335 A für eine Sekunde. Wenn die vier Computerlasten (je 10 kva) nacheinander gestartet werden, reicht die Überlastungsfähigkeit der USV von 20 % aus (173 A für 1 min > 115 A für 80 ms). Wenn die vier Lasten gleichzeitig gestartet werden, ist der Einschaltstrom gleich 4 x 115 = 460 A > 335 A. Das System begrenzt dann für 80 ms den Strom. Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 26