Unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem (USV) mit integriertem Schwungrad für die Versorgung von Sendestationen Technische Dokumentation 110 2128 W. Braker Lane, BK12 Austin, Texas 78758-4028 www.activepower.com
Zielsetzung Dieser Bericht gibt einen Überblick über Fernsehsendeanlagen, ihre Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Störungen der Stromversorgung und die Anwendung von USV-Systemen mit integriertem Schwungrad, die einen geeigneten Schutz für Rundfunk- und Fernsehstationen bieten. 2
Hohe Einschaltlasten Bei Fernsehsendern Fernsehsender sind aus mehreren Gründen hoch empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen. Zum Beispiel können Störungen in der Versorgungsspannung einfach einen Sender abschalten, wobei Zuschauer auf der Strecke bleiben und kommerzielle Einnahmen entfallen. Stromausfälle können eine Sendeanlage auch zu einer Schnellabschaltung zwingen, womit wiederum Komponenten durch den plötzlichen Verlust der Kühlung oder anderem Versagen in der Steuerung geschädigt werden. Abbildung 1: Sendeantennen 3 Glücklicherweise liefern USV-Systeme aufbereiteten Strom und geregelte Spannung, um den Sendern konstante Leistung und die nötige Überbrückungsleistung zum Start eines Notstromaggregates zum Schutz vor längeren Ausfällen zur Verfügung zu stellen. Ein integriertes Schwungrad-USV-System wie das CleanSource USV-System von Active Power ist nachgewiesenermaßen in der Lage, Rundfunkanstalten vor kostspieligen Auszeiten zu schützen und Sendeanlagen vor möglichen Schäden durch Netzstörungen zu bewahren. Die Bauweise der Schwungradsysteme bewältigt Überlasten und Lastaufschaltungen besser als konventionelle batteriegestützte Doppelwandler-USV-Systeme, unter anderem auch den problemlosen Weiterbetrieb bei einem sogenannten crowbar event. Dies ist ein für
Senderöhren schützender Kurzschluss-Abschaltvorgang, der in viele Sendeanlagen eingebaut ist. Schwungradtechnik Active Power produziert das integrierte USV-System mit Schwungradtechnik, welches als Alternative zu chemischen Batterien dient. Das Schwungrad-Energiespeichersystem speichert kinetische Energie durch Drehung eines kompakten Rotors in einer reibungsarmen Umgebung. Austauschbare Lager Erregerwicklung Stahlrotor Motor-Generator Rotor Ständerwicklung Betrieb im Vakuum Abbildung 2: Schwungradaufbau Wird kurzzeitige Überbrückungsleistung infolge von Netzstörungen oder Netzausfall benötigt, so wandelt das System kinetische Energie des Rotors in elektrische Energie um. Das System CleanSource vereint die Funktion eines Motors, eines Schwungrades und eines Generators in einem einzigen System. Der Motor bezieht elektrischen Strom vom Netz, um Energie zur Drehung des Schwungrads bereit zu stellen. Dieses dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit zur Aufrechterhaltung gespeicherter kinetischer Energie. Der Generator wandelt die kinetische Energie des Schwungrads in elektrische Energie um, wenn diese benötigt wird. Für weitere Information wird auf den Technischen Bericht 108 Betriebsweise und Funktion eines schwungradbasierten unterbrechungsfreien Stromversorgungssystems (USV) verwiesen. 4 Der Schwungradrotor wird von der Magnetlagertechnik von Active Power unterstützend getragen. Diese Technik entlastet die Lager der im Feld austauschbaren Lagerkassette vom überwiegenden Teil des Schwungradgewichts. Eine Vakuumpumpe evakuiert das Gehäuse und reduziert damit den Luftwiderstand des sich drehenden Schwungrads. Die Drehzahl des Schwungrads nimmt ab, sobald Energie auf die Last übertragen wird. Eine Stromregelung an den Erregerspulen sorgt für eine konstante Spannung während der Entladung. Das
schwungradbasierte System liefert Überbrückungsleistung für eine Vielzahl von Netzstörungen, wie Unter- und Überspannungen, und überbrückt die erforderliche Zeitdauer zwischen einem Netzausfall und dem Zeitpunkt, da Generatorenergie zur Verfügung steht. Abbildung 3: CleanSource USV der Serie 300 Was Ist Ein Crowbar - Ereignis? Ein crowbar-ereignis ist ein automatisches Abschaltverfahren, das in Hochleistungssendern als Sicherheitsmaßnahme eingesetzt wird, um die Sendeverstärkeröhre oder die induktive Ausgangsröhre (IOT) im Fall eines Spannungsüberschlags innerhalb des IOT zu schützen. Mit der Funktion eines crowbars wird die Hochspannung so schnell wie möglich vom Verstärker genommen, typischerweise innerhalb weniger Mikrosekunden nach Erfassen eines Problems. Die crowbar-schaltung schließt die Energiezufuhr der DC-Hochspannung zum IOT für eine kurze Zeitdauer kurz, oft im Bereich einiger Millisekunden. Diese Funktion wird typischerweise mit einem sogenannten Thyratron durchgeführt, eine mit Gas gefüllte Röhre, die ähnlich aufgebaut ist wie eine Vakuumröhre. Das Thyratron ist direkt über den Klemmen der DC- Hochspannungsversorgung angeschlossen. Es ist ein sehr schneller Hochspannungsschalter, vergleichbar mit einem Halbleiter-Gleichrichter, arbeitet aber mit wesentlicher höherer Spannung und Geschwindigkeit. Wenn ein Problem im Verstärker erkannt wird, reagiert der crowbar sehr schnell, andernfalls würde die IOT zerstört und wesentlich höhere Kosten entstehen. Der crowbar Einsatz produziert einen Strom von einigen tausend Ampere auf dem Wechselstromeingang der Hochspannungsversorgung und damit auf dem Ausgang der USV, die den Sender versorgt. Der Fall ist identisch mit einem Kurzschluss, welcher unmittelbar am Ausgang des USV-Systems auftritt und der einen Strom bis zum 20-fachen Nennstrom hervorrufen kann. Auch wenn die Eingangsversorgung des Senders den hohen benötigten Strom liefern kann, fügt die crowbar-aktion der Senderöhre keinen Schaden zu und nach wenigen Sekunden funktioniert die Spannungsversorgung wieder normal. 5 Im Fall einer Überlast durch ein crowbar-ereignis wechselt das schwungradgestützte USV- System auf den Bypasszweig, um den erforderlichen hohen Strom aus der Quelle mit der
niedrigsten Impedanz bereitzustellen, um nicht andere Sendeverstärker zu stören, die an der gleichen Versorgung betrieben werden. Das Schwungrad-Usv-System Im Crowbar Test Eine Fernsehanstalt mit 15 Millionen potentiellen Zuschauern hat im Südosten der USA mehrere Schwungrad-USV-Anlagen in verschiedenen Senderanlagen installiert. In einer Installation in der Nähe von Tampa, Florida wurden crowbar-tests am Ausgang einer der Schwungrad-USV- Systeme durchgeführt. Die Senderanlage besteht aus einen primären analogen Sender mit 60 kw Aufnahmeleistung und einen Stützsender mit 30 kw, die sich den Ausgang der USV mit einem neuen digitalen Sender mit 65 kw Leistung teilen, welcher eine crowbar-schaltung besitzt. Der Test an der USV erfolgte mehrere Male, um die Reaktion des Systems während eines crowbar-ereignisses des digitalen Senders zu beobachten. Der vom USV-System während des crowbar-tests aufgebrachte Strom reichte in der Spitze bis zu 3000 und 4000 Ampere, entsprechend dem Schaltaugenblick des crowbars innerhalb der Sinus-Halbwelle. In einem der Tests transferierte die USV nicht auf den Bypass, sondern versorgte direkt während einer kurzen Zeitdauer. Bei fünf oder sechs crowbar-tests schaltete die USV über den statischen Bypassschalter auf den Bypasszweig und zeigte eine Warnmeldung wegen der starken Überlast. Die USV kehrte dann nach einigen Sekunden in den Normalbetrieb zurück. Das USV-System ist so eingestellt, dass, wenn dieselbe Warnmeldung mehr als einmal pro Stunde auftritt, die USV dann im Bypassbetrieb verbleibt und durch einen Bediener zurückgesetzt werden muss. Ein Befehl über den externen Kontakt eines Zeitrelais kann alternativ eingesetzt werden, um die USV automatisch nach Auftreten mehrerer crowbar-ereignisse pro Stunde in den Normalbetrieb zurück zu schalten. Die andere Verstärkerröhre in dieser Installation, die ebenfalls an diese USV angeschlossen war, blieb ohne eine Beeinträchtigung während aller crowbar-tests auf Sendung. Der Grund hierfür ist unter anderem, dass der statische Bypass der USV den Bypasstransfer erlaubt, ohne die angeschlossenen Geräte zu beeinflussen, andernfalls könnten die kritischen Lasten den Versorgungsstörungen während der Ereignisse erliegen. Zusammenfassung Der crowbar-test in der Sendestation zeigt, dass sich das schwungradbasierte USV- System außerordentlich gut unter diesen extremen Bedingungen verhält und eine stabile unterbrechungsfreie Versorgung für empfindliche Lasten auch während schwierigen, instabilen Bedingungen darstellt. 6 TM 2012 Active Power, Inc. All rights reserved. WP-110