Unterbrechungsfreie Stromversorgung HotSync-Technologie
Patentierte HotSync -Technologie für den USV-Parallelbetrieb...ein Schritt auf dem Weg zur kompletten Systemredundanz Hohe Systemverfügbarkeit durch HotSync-Parallelbetrieb von USV-Anlagen Unterbrechungsfreie Stromversorgung in hervorragender Qualität für betriebskritische Verbraucher Einfaches Nachrüsten paralleler USV-Anlagen mit zusätzlichen Modulen zur Erweiterung der Kapazität bzw. Redundanz HotSync-Technik für ein- und dreiphasige Produkte mit Ausgangsleistungen bis zu 2,5 MVA (400 V) Bewährtes Konzept zahlreiche anspruchsvolle Referenzprojekte von den 90er-Jahren bis heute Umfassendes Software- und Connectivity-Optionen zur Statusüberwachung von Parallelsystemen Hochwertiger Service weltweit Paralleler Ausgang zur Versorgung der angeschlossenen Verbraucher 2
Business Continuity ein wichtiges Konzept für viele Unternehmen Stromausfälle sind nirgends gerne gesehen aber in Dienstleistungs- oder Fertigungsunternehmen können sie geradezu katastrophale Folgen haben: Produktionsausfälle, verärgerte Kunden, Nachteile gegenüber besser geschützten Mitbewerbern und schlechtes Image in der Öffentlichkeit, um nur einige zu nennen. Die Folgekosten können die des Strom-ausfalls weit übersteigen. Deshalb gilt es, Betriebsunterbrechungen durch rechtzeitige Gegenmaßnahmen zu vermeiden. Das beginnt schon bei der Planung elektrischer Anlagen. Dabei ist die unterbrechungsfreie Stromversorgung kritischer Verbraucher, wie Server, Netzwerke, Computer und Steuersysteme, die rund um die Uhr funktionsfähig sein müssen, besonders zu berücksichtigen. Verschiedene Studien wurden durchgeführt, um die Kosten eines einstündigen Stromausfalls bei betriebskritischen Anlagen, wie den oben erwähnten, in verschiedenen Branchen abzuschätzen. Es lohnt sich also, die nötige Kapazität und Redundanz von USV-Anlagen genau zu planen, um gegen Stromausfälle und ihre Folgen gewappnet zu sein. Nachstehend einige typische Ziffern: TK-Anlagen 2,0 Mio. Fertigungssysteme 1,6 Mio. Finanzinstitute 1,4 Mio. Informationssysteme 1,3 Mio. Versicherungen 1,2 Mio. Einzelhandel 1,1 Mio. Pharmafirmen 1,0 Mio. Banken 1,0 Mio. Paralleler Ausgang zur Versorgung der angeschlossenen Verbraucher 3
Wie steigert man die Systemverfügbarkeit? Stromausfälle und andere Störungen der Stromversorgung sind nichts Ungewöhnliches, denn bei den Versorgungsnetzen handelt es sich um höchst komplexe Gebilde. Für Unternehmen, die rund um die Uhr aktiv sein müssen, ist das jedoch kein akzep tabler Zustand, denn ein Stromausfall von nur einer Sekunde kann wesentlich länger andauernde Störungen in Datenzentren und ähnlichen betriebskritischen Anlagen verursachen. Vordringlichste Aufgabe einer USV-Anlage ist bekanntlich die Sicherstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung der häufig betriebskritischen Verbraucher. Bei einer einzelnen USV-Einheit kann die Zuverlässigkeit durch einen modularen Aufbau gesteigert werden. Beim Ausfall eines Moduls übernimmt dann das jeweils andere dessen Aufgaben. Weiterhin kann auch ein Parallelsystem zur Anwendung kommen, bei dem zwei oder mehr Einheiten sich die Last teilen. Fällt eine Einheit aus, wird sie isoliert, während die verbleibenden Einheiten die Verbraucher weiterhin versorgen. Ein Parallelsystem wird üblicherweise mit Kommunikationseinrichtungen ausgestattet, die eine Kontrolle der Lastauf tei lung und der Synchronisation mit der Umgehung gestatten und den Systemstatus sowie eventuelle Funktionsstörungen der USV- Einheiten melden. Dabei ist natürlich daran zu denken, dass auch die Komponenten einer solchen, oft recht komplizierten Einrichtung einschließlich ihrer Verdrahtung ausfallen können und sich die Systemverfügbarkeit dann wesentlich verschlechtert. Eine mathematische Beschreibung auf der letzten Textseite zeigt, wie das Redundanzprinzip dabei beeinträchtigt wird. Wartung und Service Überwachung Generator 10 kv, 50 Hz Redundantes USV-System 400/230 V, 50 Hz 4
Dieses Problem ist in der Branche nicht unbekannt. Eaton ist daher auf dem Weg zur kompletten Redundanz noch einen Schritt weiter gegangen, um Schwierigkeiten dieser Art zu vermeiden. Die patentierte HotSync-Technologie ermöglicht eine Konfiguration mit mehreren USV-Modulen in Parallelschaltung, wobei keine Kommu-nikation zwischen den Modulen erforderlich ist. Dadurch wird der in herkömmlichen Parallelkonfigurationen mögliche Single Point of Failure vermieden und die Verfügbarkeit maximiert. Angesichts der hohen Kosten von Stromausfällen ist es aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll, eine solche Ausfallsicherheit anzustreben. Hot Sync 20% Ausfallwahrscheinlichkeit/Jahr 10 % Stromversorgung Einzelne USV Modulare USV Parallel-redundante USV Keine gemeinsame Logik Hot Sync Verbraucher 99,99% 99,999% 99,9999% Verfügbarkeitskennziffern * für Stromversorgungs- und USV-Konfigurationen, bei denen mehrmals jährlich Stromausfälle bzw. Störungen der Stromqualität zu bewältigen sind. * Als mittlere Reparaturdauer (MTTR) werden 8 Stunden (Reise- und Arbeitszeit) vorausgesetzt. 5
Die patentierte HotSync -Technologie Da ein HotSync-System ohne direkte Kommunikation zwischen den einzelnen Einheiten arbeiten kann, ergibt sich die Frage, wie diese Einheiten synchronisiert werden und wie sie die Lastaufteilung bewältigen. Das Geheimnis besteht in einem patentierten, in jede Einheit integrierten DSP (digitaler Signalprozessor), dessen Algorithmus für die Synchronisation der Ausgänge und eine gleichmäßige Lastaufteilung sorgt. Falls eine gemeinsame Umgehung zur Verfügung steht, wird diese als Referenz für die Ausgangsfrequenz benutzt. Ist keine gemeinsame Umgehung vorhanden, stimmt der Prozessor die Wechselrichterfrequenz laufend und präzise auf Basis der erfassten Ausgangsleistung ab, um eine gemeinsame Frequenz und Lastaufteilung der Einheiten sicherzustellen. Nachstehend ist zu sehen, welche Beziehung zwischen einem Ungleich gewicht der Leistung und der Phasenverschiebung der Spannung besteht. P 1 P 2 USV UPS 1 f 1 USV 2 f 2 Die Leistungsdifferenz verringert sich P 1 P 2 P 1+2 Die Frequenzen werden auf Basis von P 1 und P 2 laufend justiert Phasenverschiebung Die Ausgänge sind synchronisiert der Spannungen V USV 1 V USV 2 90 V 2 V 1 V Diff Die interne Ausgangsimpedanz einer USV ist hauptsächlich induktiv, d.h. sie wirkt wie eine kleine Drossel, die mit einer stabilen Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet ist. Be steht also eine Phasenverschiebung der Ausgangsspannungen, bedeutet dies einen Energiefluss von einer Einheit zur anderen, was zu einer ungleichen Lastaufteilung führt. In nachstehender Zeichnung sind zwei Einheiten mit gleichen Ausgangs span nungen und einer Verschiebung des Phasenwinkels zu sehen. Die Differenzen V Diff und I Diff zwischen den Einheiten zeigen eine Phasenverschiebung von 90º aufgrund der induktiven Impe - danz der Spannungsquelle. Die Hauptspannungen (V1 und V2) und der Strom zwischen den Einheiten (I Diff ) liegen in Phase, was zu einem Wirkleistungsfluss führt. Je größer die Phasenverschiebung, desto größer das Ungleichgewicht. Wenn wir nun eine Regelung zur Abstimmung der Phasenspannung auf Basis der Ausgangsleistung einführen, kann die Phasenverschiebung verringert werden. Um die Phasenverschiebung gegen Null gehen zu lassen und somit eine exakte Lastaufteilung zu erreichen, beziehen wir die gemessene Phase mit lastabhängiger Taktfrequenz ein. Zum Zwecke einer schnellen Frequenzkopplung, und um eine Synchronisation mit einer externen Umgehung zu ermöglichen, wird zudem die Leistungsänderungsrate berücksichtigt. Die Funktionsgleichung sieht dann wie folgt aus: F n = F n-1 K1(P n ) K2(DP n ) wobei: F n = Frequenz F n-1 = vorige Frequenz P n = Ausgangsleistung K1 = Frequenzverringerungsfaktor K2 = Leistungsänderungsfaktor I Diff 0 6
Der nachstehende Flussplan zeigt den Ablauf der Lastaufteilung: Das HotSync-Parallelsystem eignet sich sowohl für den Redundanz- als auch den Kapazitätsbetrieb. Aufgrund der dezentralen Umgehungsarchitektur beschränkt sich die Anzahl paralleler USV-Module jedoch auf vier bzw. acht (vom USV-Typ abhängig). Errechnen der Ausgangsleistung P n Errechnen von DP n P n-1 Verbesserung der Ausfallsicherheit ein mathematischer Ansatz Die Fehlerrate Fr eines parallenen USV-Systems wird folgendermaßen definiert: F r = 1 + 1 DP n integrieren in Ein gangsfrequenz Wechselrichter f n = f n-1 K1 P n K2 P n Wechselrichterfrequenz justieren auf f n Die Ausgangsleistung wird überwacht und die neue Frequenz 3000-mal in der Sekunde errechnet. Diese hochauflösenden Messungen dienen auch zur raschen Erfassung eines ausgefallenen Moduls. Da die Funktion auf der Errechnung der momentanen Ausgangsleistung basiert, ist ein einzelner negativer Wert bereits ein Hinweis auf eine interne Störung, z.b. ein Kurzschluss in einem IGBT-Wechselrichter. Die USV wird dann unverzüglich weggeschaltet, was nur zu sehr geringen Spannungsschwankungen führt. Man redet hier auch von selektiver Auslösung. Neben der größeren Ausfallsicherheit hat das HotSync-System noch weitere Vorteile zu bieten, so kann u.a. ein USV-Modul zu Servicezwecken ausgebaut werden, während das andere weiterhin in Betrieb bleibt. Es erübrigt sich daher ein manueller Umgehungsschalter, was ebenfalls hilft, Kosten zu sparen. HotSync bietet alle Merkmale eines redundanten USV-Systems, einschließlich der Möglichkeit des selektiven Auslösens von Sicherungen und der Umschaltung auf eine gemeinsame Umgehung. MTBF USV1 + MTBF USV2 + MTBF USV1 MTBF USV2 MTBF (Mean Time Between Failures) bezeichnet den mittleren Ausfallabstand und MTTR (Mean Time To Repair) die mittlere Reparaturdauer. Der letzte Ausdruck (COMM) bezieht sich auf gemeinsame Systemabschnitte, d.h. solche, die nicht durch das übrige System ersetzt werden können. Nachstehende Aufstellung zeigt die Mittelwerte in Jahren bei einer herkömm lichen USV-Anlage. MTBF USV = 0,032 MTTR USV = 0,0027 MTBF COMM = 0,0025 MTTR USV MTBF COMM Anhand dieser Werte ergibt sich im ersten Abschnitt der Gleichung 0,00000027, während sich beim zweiten Ausdruck (COMM) 0,0025 ergeben. Diese Komponente ist deutlich vorherrschend im Fall eines Parallelsystems, während eine einzelne USV die viel höhere Ausfallrate von 0,032 aufweist. Beim HotSync-System wird der COMM-Anteil beinahe ganz eliminiert, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Ausfallsicherheit erzielt wird. 7
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