november 12 STATISCHE NOODSTROOMVOORZIENING Inleiding Continuïteit en kwaliteit van de voedingsspanning is voor veel industriële omgevingen van primordiaal belang. Deze technisch eis vertaalt zich in een ononderbroken en constante sinusvormige spanning. Een dergelijke spanning is echter veelal een utopie. Er kunnen heel wat power quality gerelateerde fenomenen optreden in de spanning, zie Figuur 1, zoals transiënten, dips, spanningsuitval, frequentievariaties, Figuur 1: Spanningsproblemen cfr. EN501560 Aandrijvingen en andere elektrische apparatuur is uiterst gevoelig aan dergelijke problemen. In het geval van aandrijvingen kan een snelle spanningsdaling, of spanningsdip, leiden tot asbreuk bij grote direct gevoede inductiemachines. Anderzijds kan een dergelijke dip leiden tot stilstand of foutmeldingen indien de aandrijving op vermogen elektronische wijze wordt aangestuurd. Algemeen kan gesteld worden dat een daling van de spanningskwaliteit beschadiging van hardware met zich kan meebrengen, maar ook verlies van data of productieverlies. Het spreekt voor zich dat hierbij hoge kosten gepaard gaan. Andere voorbeelden waarbij er nood is aan continue voeding zijn bijvoorbeeld operatiekwartieren en ziekenhuizen, grote (sport)manifestaties of de regeling van kern centrales. Ook openbare gebouwen waar veel mensen zich samen in een ruimte bevinden, hebben nood aan een betrouwbare spanning. Alhoewel de verminderde spanningskwaliteit niet noodzakelijk aanleiding zal geven tot hardware defecten, kan in bovenstaande gevallen een verminderde spanningskwaliteit levensgevaarlijk zijn.
Om dergelijke problemen zo goed mogelijk te vermijden, kan een back-up power supply benodigd zijn. Deze moet in staat zijn de spanning snel op te bouwen of te zorgen dat de spanning steeds aanwezig blijft. Twee van de meest kritische kenmerken van een dergelijke hulpvoeding zijn de vermogencapaciteit en de inschakeltijd. Mogelijke hulpvoedingen worden hieronder weergegeven met een indicatie van deze twee kenmerken. Type Capaciteit Inschakeltijd Kosten 2 e onafhankelijke voeding Oneindig Heel kort Heel hoog Diesel groepen Bijna oneindig Lang Gemiddeld tot hoog Back-up batterijen Laag Heel kort Laag Dynamische spanningshersteller Laag Heel kort Heel hoog UPS medium Heel kort Gemiddeld tot hoog Uninterruptable Power Supply Vaak is een volledige tweede redundante voeding op volledig vermogen niet noodzakelijk. Als bijvoorbeeld Pc s uitvallen, dient voornamelijk een back-up van de data gemaakt te worden en dienen servers dus gedurende een bepaalde tijd van voldoende stroom te worden voorzien. In dergelijk geval kan lokaal een UPS-systeem geplaatst worden om de voeding voor één of enkele toestellen te voorzien. UPS staat voor Uninterruptable Power Supply en deze systemen zorgen ervoor dat bij kortstondige of langdurige netstoringen of onderbrekingen de voedingsspanning toch steeds aanwezig blijft voor kritische systemen. Binnen UPS-systemen wordt een hoeveelheid energie opgeslagen en bij een onderbreking wordt deze energiereserve aangesproken om een continue spanning te voorzien naar de last. UPS-systemen kunnen verder onderverdeeld worden in werkelijke UPS-systemen en de zogenaamde IPS-systemen. IPS staat voor Interruptable Power Supply en dit kan toegepast worden in voedingen waar er uiterst kortstondig een kleine onderbreking (T off < ±5 milliseconden) wordt toegelaten. IPS-systemen kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden in toepassingen met een shared DC-bus of in combinatie met gelijkrichters met voldoende tussenkringcapaciteit. De keuze voor IPS-systemen ligt voornamelijk in de fel gereduceerde kostprijs van IPS-systemen tegenover UPS-systemen. Beide systemen zijn courant verkrijgbaar van vermogenklasse 200VA (éénfasig) tot 800kVA (driefasig). In praktijk wordt het onderscheid tussen UPS en IPS niet gemaakt, er wordt standaard gesproken van een UPS-systeem. De manier waarop de energie wordt opgeslagen, bepaalt veel aspecten van het UPS-systeem en daarom worden UPS-systemen ingedeeld volgens twee grote groepen, zijnde de statische UPS-systemen en de dynamische UPS-systemen. Bij statische UPS-systemen wordt de energie opgeslagen als elektrische energie in batterijen of in condensatoren met een grote capaciteit, ook wel supercaps genoemd. Roterende UPS-systemen slaan de energie op als mechanische kinetische energie in een roterende inertie.
Dynamische UPS systemen hebben het nadeel van slechts weinig energie te kunnen opslaan en dus een kleine werkingstijd te hebben. Vaak wordt hier dan in combinatie een snel startende dieselgroep geplaatst. Statische UPS systemen hebben het nadeel om met batterijen te werken, hoe hoger de gewenste capaciteit, hoe hoger de kostprijs. UPS-systemen Statische UPS Dynamische UPS Passieve stand-by Lijn interactieve UPS Dubbel Conversie Vliegwiel Aangedreven generatoren Vaak zijn er uiterst kleine onderbrekingen in het net, de zogenaamde spanningsdips (10ms<T off <1s) of transiënte spanningsverschijnselen (T off < 10ms). De trend binnen UPS systemen voor kritische applicaties is om kleine UPS systemen te kiezen met een beperkte capaciteit. Bij kleine onderbrekingen wordt gerekend op de reservecapaciteit van de UPS. Bij grotere onderbrekingen (T off >1s) wordt het vermogen geleverd door de UPS die na korte tijd wordt afgelost door snel opstartende dieselgroepen. De basis onderverdeling van UPS systemen wordt gegeven door de standaard IEC 62040-3 gepubliceerd in 1999 en dit werd overgenomen door CENELEC als de standaard EN-50091-3. De standaard onderscheidt drie classificaties van UPS systemen, rekening houdend met de afhankelijkheid van de uitgangsspanning en uitgangsfrequentie, in functie van de ingangsspanning. Zo onderscheidt men: VFD (Uitgangsspanning en frequentie zijn afhankelijk van de netvoeding), VI (Uitgangsspanning is onafhankelijk van de netvoeding), VFI (Zowel de uitgangsspanning als de uitgangsfrequentie zijn onafhankelijk van de netspanning). Statische UPS systemen Statische UPS systemen werken meestal met batterijen. Recent wordt ook onderzoek verricht om reversable fuel cells te combineren met de DC tussenkring. Ongeacht de manier waarop de energie wordt opgeslagen kunnen statische UPS systemen opgedeeld worden in drie grote groepen. In onderstaande tabel wordt de opdeling meegegeven, om nadien alle systemen in detail te gaan bespreken. Passieve stand-by Lijn interactieve Dubbele conversie Kost Laagste Medium Hoogst Spanningsregeling Geen Beperkt Ja Frequentie regeling Geen Afhankelijk Ja Inschakeltijd Kort Kort Geen Merk op dat de classificatie volgens de EN-50091-3 in de praktijk overeenkomt met een classificatie volgens hun interne topologie zijnde bovenvermelde de passieve stand-by systemen, line interactieve en double conversie UPS systemen. Passieve stand-by UPS Bij een passieve stand-by UPS staat de invertor parallel ten opzichte van de voeding en wordt enkel als back-up gebruikt. In normale mode wordt de belasting gevoed door het net (nr. 1), meestal via een filter-conditioneereenheid om transiënten te verwijderen of om de spanning te kunnen regelen. Een gelijkrichter zorgt voor de oplaadstroom van de batterijen (nr. 2). Als het voedingsnet vooraf bepaalde toleranties overschrijdt of als het uitvalt, zullen de batterij en invertor de belastingsstroom leveren (nr. 3).
In dit geval bevindt de UPS zich in stored energy mode. De overgang tussen de twee modes gebeurt via een schakelaar S met een korte inschakeltijd (T switch 5ms). Deze schakelaar kan elektronisch of elektromechanisch zijn. Bijgevolg is de belasting gedurende korte tijd stroomloos en wordt dit systeem technisch als een IPS-systeem beschouwd. Normaal wordt een batterij gedimensioneerd om ongeveer 3 uren stroom leveren, maar de continuïteit is sterk afhankelijk van de belastingstoestand. Wanneer de spanning terug binnen de toleranties valt, kan de UPS terug in normale modus gebruikt worden. De batterijen kunnen dan terug opgeladen worden. Het opladen van batterijen duurt meestal langer dan het ontladen ervan, een richtwaarde voor de oplaadtijd van de UPS-systemen is meestal het dubbele van de ontlaadtijd. Network 1 S Load 2 3 B Figuur 2: Principe passieve stand-by UPS Door de lange oplaadtijd heeft het toestel een zekere dode tijd, waarin de UPS na ontladen niet kan reageren. Dit kan als een nadeel beschouwd worden. Door de kleine, maar niet verwaarloosbare, schakeltijd is deze toepassing niet geschikt voor IT-omgevingen. Het feit dat het systeem de belasting niet scheidt van het net is ook een ernstig nadeel. Naar filtering van power quality problemen toe, zal het systeem dus niet in staat zijn om de last te beschermen tegen snelle en uiterst snelle transiënten en eventuele overspanningen. Ondanks de nadelen is dit een simpele topologie die qua kostprijs zeer gunstig is. Ze is dus nuttig in situaties waar een korte spanningsonderbreking toegelaten is. Voordelen Simpel ontwerp; Lage kosten; Kleine afmetingen; De gelijkrichter moet niet gedimensioneerd worden op de nominale belastingsstroom, maar enkel op de laadstroom van de batterijen. Nadelen Geen echte isolatie van de last t.o.v. het stroomopwaarts gelegen net; Lange schakeltijd aangezien er geen statische schakelaar gebruikt wordt; Geen spanningsregeling; Geen frequentieregeling. Toepassingsgebied Deze topologie wordt meestal toegepast wanneer een zekere bescherming tegen spanningsstoringen is vereist, maar de kostprijs beperkt moet blijven. Gebruik van deze topologie beperkt zich tot lage vermogens (<2kVA), gezien de niet te verwaarlozen nadelen.
Lijn interactieve UPS-systemen De invertor in een lijn interactieve UPS werkt bi-directioneel. Hij staat parallel over de voeding en dient enkel als back-up voeding. Hij werkt als gelijkrichter om de batterij op te laden en als wisselrichter om de batterijstroom terug om te zetten naar wisselstroom. Dit type toestel heeft drie modes waarin het kan werken. By-pass switch S2 Network 2 1 S1 Main transformer Accumulator battery Load Figuur 3: Principe lijn interactieve UPS In normale mode wordt de last gevoed via de statische schakelaar S1. De bypass switch en schakelaar S2 staan open. De last wordt dus gevoed met geconditioneerde netspanning en de omvormer zorgt ervoor dat de batterij wordt opgeladen. De uitgaande frequentie is gelijk aan de netfrequentie. Wanneer er nu een kleine daling in spanning ontstaat, wordt schakelaar S1 geopend en schakelaar S2 gesloten. Op die manier worden meer windingen van de primaire van de transformator benut, waardoor de spanning opgetrokken wordt. De transformator wordt aldus gebruikt als autotransformator. In stored energy mode wordt het toestel gevoed vanuit de invertor die zijn energie uit de batterij haalt. De statische schakelaar S1 of S2 wordt geopend om ervoor te zorgen dat er geen energie terug in het net wordt gestuurd. De UPS werkt net zo lang in stored energy mode als er energie ter beschikking is via de batterij of tot de netspanning terug binnen de vastgelegde toleranties valt. Merk ook hier op dat er theoretisch dient gesproken te worden van een IPSsysteem. Dit type UPS heeft meestal een bypass mode die de UPS kan overbruggen. Deze wordt manueel bediend en kan nodig zijn indien er onderhoudswerken aan de UPS nodig zijn. Deze UPS heeft een gematigde kostprijs maar heeft verschillende nadelen. Frequentiecontrole is niet mogelijk en de mate waarin de voedingsspanning kan gecorrigeerd worden is klein omdat er gewerkt wordt met een shuntelement. Voordelen Minder duur dan dubbele conversie van hetzelfde vermogen; Er is slechts één vermogenelektronische commutator nodig, die zowel instaat voor de gelijkrichting als de wisselrichting. Nadelen Geen echte isolatie van de last ten opzichte van het voedingsnet; Geen frequentieregeling; Gebrekkige bescherming tegen transiënten en overspanningen; Conditionering van de spanning is niet optimaal aangezien de invertor niet in serie verbonden is met het voedingsnet. Spanningsoptimalisatie is namelijk beperkt door het omkeerbare karakter van de invertor; Mindere efficiëntie bij voeden van niet-lineaire belastingen.
Toepassingsgebied Deze topologie is weinig geschikt voor gevoelige belastingen met gemiddeld tot hoge vermogens omdat er geen frequentieregeling mogelijk is. Dubbele Conversie De dubbele conversie UPS wordt verbonden in serie met de last, het totale vermogen wordt geleverd door de invertor. In normale mode wordt de stroom geleverd vanuit het net via de gelijkrichter over de invertor naar de last. De batterij is verbonden met de dc-link en wordt automatisch geladen. De statische schakelaar staat open en wordt slechts gesloten wanneer er een fout optreedt in de UPS. Op die manier wordt er automatisch overgeschakeld op netstroom. In stored energy mode zal de energie geleverd worden vanuit de batterij via de invertor. Voor de belasting zelf zal er niets veranderen. De inschakeltijd van dit systeem is onbestaand, dus is deze toepassing ideaal voor gevoelige apparatuur. By-pass connection Network S Load F Figuur 4: Principe dubbele conversie B In bypass mode zal de manuele schakelaar S de last onmiddellijk op het net gaan schakelen in geval van een defect in de UPS, transiënten, overspanningen of als de batterij leeg is. Als de bypass ingeschakeld is, is het belangrijk dat de spanning van de UPS in fase is met de netspanning. Als de nominale spanning van de UPS niet gelijk is aan de nominale spanning van het net dan is er een bijkomstige transformator nodig. Ook moeten de frequenties gelijk zijn om de UPS te kunnen synchroniseren met het net. Op die manier wordt verzekerd dat de last nooit zonder spanning valt. Een dergelijke omschakeling wordt hieronder weergegeven. 400 300 spanning netzijde spanning output inschakelstroom 350 250 Voltage (V) 200 100 0 0 20 40 60 80 100-50 -100-150 -200 Amps [A] 150 50-300 -250-400 Time[ms] -350 Figuur 5: Omschakelilng Merk op dat er nog een extra bypass schakelaar aanwezig is om onderhoudswerken uit te voeren aan de UPS.
Voordelen Continue bescherming van de last door de invertor, onafhankelijk of het net of de batterij aan de bron ligt; Isolatie van de last ten opzichte van het voedingsnet, waardoor stroomopwaartse storingen niet tot bij de last komen; Zeer brede toleranties op de ingangsspanning en goede spanningsregeling; Goede frequentieregeling; Betere performantie; Onmiddellijke omschakeling naar stored energy mode bij een fout; Gemakkelijke overschakeling naar bypass mode zonder uitval van spanning; Meestal manuele schakelaar aanwezig voor onderhoudswerken. Nadelen Hoge prijs; Ook de gelijkrichter moet gedimensioneerd worden op het totaal actief vermogen van de belasting; Daar dit toestel in serie staat met de last zijn er continu verliezen. Auteurs: Jan Desmet et al. Bronnen: Lemcko Elektrotechnisch expertisecentrum van Howest Associatie Universiteit Gent Graaf Karel de Goedelaan 34 B-8500 Kortrijk lemcko@howest.be www.lemcko.be