Hauptfaktoren bei USV-Installationen - - APC USA bezüglich der Qualität und Verfügbarkeit von elektrischem Strom haben erheblich an Bedeutung gewonnen, seit Computer und Elektronik

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 .................. 10 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 ........................ 21 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 ............................................................................. 30

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 ............................................................. 36 Hintergrundinformationen zu Systemerdungen ....................................36 Anwendungen in USV-Installationen ....................................................39

Schutz .............................................................................. 43 Schutz durch Schutzschalter ................................................................43 Auswahl von Schutzschaltern ...............................................................46

Kabel ................................................................................ 52 Auswahl von Kabelgrößen ...................................................................52 Beispiel einer Installation ......................................................................53

Energiespeicherung ........................................................ 54 Speicherungstechnologien ...................................................................54 Auswahl einer Batterie .........................................................................55 Batterieüberwachung ...........................................................................56

Benutzerschnittstelle und Kommunikation ................. 58 Benutzerschnittstelle ............................................................................58 Kommunikation .....................................................................................58

Vorarbeiten ...................................................................... 60 Hinweise zur Installation .......................................................................60 Batterieraum .........................................................................................61

Schneider Electric Ausgabe 09/2015 S. 1

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 ServicesTM 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.



Einführung

Handbuch für Fachkräfte, die an elektrischen Installationen für kritische Anwendungen arbeiten Schneider Electric stellt mit diesem Design Guide einen großen Teil seines Know-hows 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

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


Übersicht über Schutzlösungen

Stromschutzlösungen

Abb. 1.1. Produkte von Schneider Electric.


Übersicht über Schutzlösungen

Dazugehörige Software und Dienste

Abb. 1.2. Software und Dienste von Schneider Electric.


USVen in elektrischen Installationen

Funktion der einzelnen Komponenten in der Installation

Abb. 1.3. Funktionen der Komponenten in Installationen mit USVen.


USVen in elektrischen Installationen

(Fortsetzung)

Notwendige Installationsparameter

Abb. 1.4. Hauptparameter für die Komponenten in Installationen mit USVen.


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 Architektur mit Einfach- oder Mehrfachquelle sowie Konfiguration der USV-Quellen

Bestimmen Sie, welche Installationsarchitektur und USV-Konfiguration Ihren Anforderungen in Bezug auf Energieverfügbarkeit, Aktualisierungen, Betrieb und Budget am besten entspricht.

Auswahl der USV-

Konfiguration

Beispiele und Vergleich von 13 typischen Installationen, von Einzel-USV-Einheiten bis hin zu Hochverfügbarkeitsarchitekturen

Auswahl der USV-

Konfiguration S. 5

Versorgung sensibler Lasten Technischer Überblick

S. 2 USV-Konfigurationen Technischer

Überblick S. 23

Motorgeneratorsätze Technischer Überblick

S. 35 USV-Nennleistung Bestimmen Sie die Nennleistung der

benötigten USV-Einheit bzw. (aus Redundanz- oder Kapazitätsgründen) Paralleleinheiten unter Berücksichtigung von Verteilungssystem und Lasteigenschaften.

Hauptfaktoren bei USV-

Installationen S. 17

USV-Bauform und -Betrieb Technischer Überblick

S. 14

Kontrolle über Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich

Verringern Sie die Spannungsverzerrung in den vorgeschalteten Stromschienen auf ein akzeptables Maß, je nachdem, welche Stromquellen für das USV-System vorgesehen sind.



Beseitigung von Oberschwingungen in Installationen

Beseitigung von

Oberschwingungströmen

Oberschwingungen Technischer Überblick

S. 38 Systemerdungen 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?



Schutz vor- und nachgeschalteter Komponenten durch Schutzschalter

Bestimmen Sie Ausschaltvermögen und Nennleistung der Schutzschalter, die der USV vor- und nachgeschaltet sind, und lösen Sie auftretende Entkopplungsprobleme.



Verbindungen Begrenzen Sie Spannungsabfälle und Temperaturanstiege in den Kabeln sowie die Oberschwingungsverzerrung an den Lasteingängen.



Batterie Die Betriebszeit mit Batteriestrom (Autonomiezeit) muss lang genug sein, um die Anforderungen des Benutzers zu erfüllen.



Energiespeicherungslösungen und Batterien

Technischer Überblick

S. 31

Kommunikation Definieren Sie die Kommunikation der USV mit der elektrischen Umgebung und der Computerumgebung.



Vorarbeiten (sofern erforderlich)

Bauarbeiten und Belüftung müssen geplant werden, vor allem wenn ein spezieller Batterieraum vorgesehen ist.


S. 51

Normen Beachten Sie die wichtigsten geltenden USV-Normen.


S. 33

Elektromagnetische Verträglichkeit Technischer Überblick

S. 26


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.

Humanerror

Supplyproblems

Equipmentfailure

Nuisance tripping(circuit breaker, etc.)

15 %

20 %

20 %

45 %

Beispiele für Stundenkosten von Ausfällen ● Mobiltelefone – 40.000 Euro. ● Flugreservierungssysteme – 90.000 Euro. ● Kreditkartentransaktionen – 2,5 Mio. Euro. ● Fertigungsstraße im Automobilbau – 6 Mio. Euro. ● Börsengeschäfte – 6,5 Mio. Euro.

Abb. 1.5. Ursachen und Kosten von Systemausfällen im Zusammenhang mit der Stromversorgung.


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 62040-3 und das europäische Äquivalent EN 62040-3 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“.



Abb. 1.6. Statische Doppelwandler-USV Stromqualität bei Doppelwandler-USVen Stromqualität bei 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. 1.7. 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))



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. 1.8. 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

Hk% = Verzerrung von Oberschwingung k =

rms valueof harmonickrms valueof 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:

THD* % = Gesamtverzerrung =

rms value of all theharmonic krms 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 %).

Eingangsstrom eines Dreiphasen-Gleichrichters.

Oberschwingungsverzerrungsstufen

H5 = 33 % H7 = 2,7 %

H11 = 7,3 % H13 = 1,6 % H17 = 2,6 % H19 = 1,1 % H23 = 1,5 % H25 = 1,3 %

THDI = 35 % (siehe Berechnung Kap. 5, S. 41)

Oberschwingungsspektrum und entsprechender THDI-Wert



Abb. 1.9. 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 62040-3 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 1− ×

MTTRMTBF

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).



Abb. 1.10. 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.



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. 1.11. 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 ServicesTM bietet eine umfassende Palette von Beratungsdienstleistungen, Schulungen und Prüfungen an, um Benutzer mit den erforderlichen Kenntnissen für Systembetrieb, Diagnose und grundlegende Wartungsarbeiten auszustatten.

Global ServicesTM

Verkürzung der MTTR Erhöhung der Verfügbarkeit

Abb. 1.12. 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“.



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. 1.13. 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. 1.14. 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



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. 1.15. Statischer Bypass und manueller Wartungs-Bypass.



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. 1.16. 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 Einzel- oder 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




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.

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 Sn in kVA angegeben, die entsprechende Wirkleistung Pn 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 Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA) Nennwirkleistung Diese Berechnung ist abhängig von der Ausgangsspannung der USV und dem von der Last bezogenen Strom. Dabei gilt:

Sn (kVA) = UnIn 3 (in Dreiphasen-Systemen) Sn (kVA) = VnIn (in Einphasen-Systemen) Für eine Dreiphasen-USV sind U und I effektive Leitungswerte, während für eine Einphasen-USV V eine Sternspannung ist. Dabei gilt: Un = Spannung zwischen Phasen Vn = Sternspannung

Un = Vn3

Beispiel: Für Un = 400 Volt ist Vn = 230 Volt. Leistung und Art der Last



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 Lineare Lasten

Dreiphasig Einphasig Sinusförmige Spannung

u(t) = U 2 sin ωt zwischen Phasen v(t) = V 2 sin ωt Sternspannung

U = V 3 Verschobener sinusförmiger Strom

i(t) = I 2 sin (ωt - ϕ) Phasenstrom

Strom-Crest-Faktor 2 Scheinleistung

S (kVA) = UI 3 cos ϕ S (kVA) = VI

Wirkleistung P (kW) = UI 3 cos ϕ = S (kVA) cos ϕ

P (kW) = VI cos ϕ = S (kVA) cos ϕ

Blindleistung Q (kvar) = UI 3 sin ϕ = S (kVA) sin ϕ

Q (kvar) = VI sin ϕ = S (kVA) sin ϕ

S =

P Q2 2+

Nicht lineare Lasten

Sinusförmige Spannung Die geregelte USV-Spannung bleibt unabhängig von der Art der Last sinusförmig (niedriger THDU-Wert).

u(t) = U 2 sin ωt zwischen Phasen v(t) = V 2 sin ωt Sternspannung

U = V 3 Strom mit Oberschwingungen

i(t) = i1(t) + Σihk(t) Phasenstrom insgesamt

i1(t) = I1 2 sin (ωt - ϕ1) Grundschwingungsstrom

ik(t) = Ihk2 sin (kωt - ϕk) Oberschwingung der k-ten Ordnung

I = I I I I12

22

32

42+ + + + .... Effektiver Wert des Gesamtstroms

C = Spitzenstromwert / effektiver Wert Strom-Crest-Faktor

THDI =

I I I II

12

22

32

42

1

+ + + + ....

Klirrfaktor des Stroms

Scheinleistung S (kVA) = UI 3

S (kVA) = VI

Wirkleistung P (kW) = λ UI 3 = λ S (kVA)

P (kW) = λ VI = λ S (kVA)

Leistungsfaktor

λ =

P kWS kVA

( )( )

Prozentuale USV-Last Dies ist der Prozentsatz der Nennleistung, der tatsächlich von der Last bezogen wird.

Last (%) =

S kVAS kVAload

n

( )( )

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.



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:

η (%) =

P kP kUPSoutput

UPSinput

( )( )

WW

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.

ηn (%) =

P kWP k

n

UPSinput

( )( )W

Die Nennwirkleistung der USV ergibt sich, indem die scheinbare Nennleistung Sn (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 62040-3 und EN 62040-3 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.



Abb. 1.17. Einzelne statische Doppelwandler-USV-Einheit und Beispiel einer Überlastkurve.

Leistungsaufnahme unter Dauerbetriebsbedingungen Eine USV wird anhand der scheinbaren Ausgangsnennleistung Sn (kVA) und eines Ausgangsleistungsfaktors von 0,8 dimensioniert. Diese Bedingungen entsprechen einer Nennwirkleistung von Pn (kW) = 0,8 Sn (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 Pn (kW) begrenzt. • Bei λ < 0,8 ist die USV auf λ Sn (kW) < Pn (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

Eingangsleistungsfaktor λ (oder cos ϕ)

Nennwirkleistung (kW)

Last 1 S1 λ1 P1 = λ1 S1 Last 2 S2 λ2 P2 = λ2 S2 … Last i Si λi Pi = λi S i … Last k Sk λk Pk = λk S k Gesamt S λ P = λ S (1) S ist nicht die

Summe aus Si. (2) λ muss gemessen oder berechnet werden.

(3) P = λ S = Σ λi S i

(1) S ist aus folgenden Gründen nicht die Summe aus Si: - 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 λi S i, weil die Wirkleistung addiert wird (keine Verschiebung). 2. Scheinbare Nennleistung der USV (Sn) 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: Sn(kVA) > S, wobei S = P / λ ist. Wählen Sie eine USV mit einer Nennleistung Sn (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.



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: Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA) • Achten Sie bei λ ≥ 0,8 darauf, dass Pn (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 Pn (kW) > λ Sn (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 / Sn(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 – S1 = 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 – S2 = 20 kVA, λ = 0,7, Einschaltstrom 4 In über fünf Perioden (100 ms) • Trenntransformator – S3 = 20 kVA, λ = cos ϕ = 0,8, Einschaltstrom 10 In über sechs Perioden (120 ms)



Gesamt-Stromverbrauch

der Lasten P (kW) = 54 kW

4 x 10 kVA 20 kVA 20 kVA λ1 = 0,6 λ2 = 0,7 cos ϕ = 0,8

Scheinbare Nenn-Ausgangsleistung Sn(kVA)

Wirkleistung Pn(kW) = 0,8 Sn(kVA)

Leistungsfaktor λ am USV-Ausgang für alle

Lasten

Maximale Ausgangswirkleistung (mit

der die USV die Lasten versorgen kann)

λ Sn (kVA) Abb. 1.18. Beispiel einer Installation. Leistungsaufnahme unter Dauerbetriebsbedingungen 1. Von den Lasten bezogene Schein- und Wirkleistung Die nachfolgende Tabelle muss erstellt werden.

Last Scheinbare Nennleistung (kVA)

Eingangsleistungsfaktor

Nennwirkleistung (kW)

Computersystem 40 0,8* 32* Regelbarer Antrieb 20 0,7 14 Niederspannungstrans

formator 20 0,8 16

Gesamt S λ = 0,68 Gemessen oder geschätzt

P = 54 kW

* 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 %. • Nennstrom der USV: Sn (kVA) = UI 3 , 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. Die Nennströme werden als S (kVA) = UI 3 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.



Für den regelbaren Antrieb reicht die Überlastungsfähigkeit aus. Für den Trenntransformator (288 A für 120 ms) reicht die Überlastungsfähigkeit ebenfalls aus.

Nennleistungen von USV-Parallelkonfigurationen

USV-Parallelkonfigurationen Zweck eines Parallelanschlusses Der Parallelanschluss mehrerer identischer USV-Einheiten hat folgende Vorteile: • Steigerung der Nennleistung • Erstellen von Redundanz zur Steigerung der MTBF und der Verfügbarkeit Arten von eines Parallelanschlüssen Es können zwei Arten von USV-Einheiten parallel angeschlossen werden: • Integrierte Parallel-USV-Einheiten: Jede USV-Einheit enthält einen automatischen Bypass und einen manuellen Wartungs-Bypass. Der manuelle Bypass kann für das gesamte System verwendet werden (und sich in einem externen Fach befinden). • Parallel-USV-Einheiten mit statischem Schalterfach: Das statische Schalterfach besteht aus einem automatischen Bypass und einem Wartungs-Bypass, die einer Vielzahl an Paralleleinheiten ohne Bypass zur Verfügung stehen (siehe Abb. 1.19). Echte Modular-Parallelsysteme sind ebenfalls verfügbar. Sie bestehen aus dedizierten und redundanten Modulen (Leistung, Intelligenz, Batterie und Bypass), die alle in eine Bauweise integriert sind, die einfach und effizient zu warten ist. Leistungsmodule können mühelos hinzugefügt werden, wenn die Nachfrage steigt oder höhere Verfügbarkeitsstufen erforderlich werden. Es gibt zwei Arten von Parallelkonfigurationen: • Ohne Redundanz – Alle USV-Einheiten müssen die Last versorgen. Fällt eine Einheit aus, wird das gesamte System abgeschaltet. (Dies ist nicht zu empfehlen.) • Mit Redundanz N+1, N+2 usw. – Für die Last sind N USV-Einheiten erforderlich. Die Last wird auf alle USV-Einheiten (N+1, N+2 usw.) verteilt. Wenn eine USV-Einheit abgeschaltet wird, verteilt sich die Last weiterhin auf die verbleibenden Einheiten (deren Anzahl mindestens gleich N ist).

Typische Konfigurationen und Eigenschaften, siehe Kap. 2.

Abb. 1.19. USV-System mit parallel angeschlossenen Einheiten und statischem Schalterfach.



Leistungsaufnahme in redundanten Parallelkonfigurationen In einer aus identischen Einheiten bestehenden redundanten Parallelkonfiguration wird die Last auf die Einheiten verteilt. Die Nennleistung der einzelnen Einheiten ist nicht vom Grad der Redundanz abhängig, sondern muss so berechnet werden, dass die Last auch bei vollständigem Verlust der Redundanz weiterhin versorgt werden kann. Aktive Redundanz bewirkt Folgendes: • Die Verfügbarkeit wird verbessert. • Die Überlastungsfähigkeit wird erhöht. • Die prozentuale Last der einzelnen USV-Einheiten wird verringert. Die Leistungsaufnahme wird mithilfe derselben vier Schritte bestimmt wie bei Konfigurationen mit einzelnen USVen. 1. Von den Lasten bezogene Schein- und Wirkleistung Hier wird dieselbe Art von Tabelle verwendet wie für eine einzelne USV (siehe Kap. 1., S. 20). Das Ergebnis ist die Scheinleistung S, mit der die Last versorgt werden muss. 2. Scheinbare Nennleistung der USV-Einheiten (Sn) in der Konfiguration Ausgangspunkt ist die Redundanz N + K (z. B. 2 + 1), d. h.: - N Einheiten (z. B. 2) sind erforderlich, um die Last zu versorgen. - K Einheiten (z. B. 1 zusätzliche Einheit) gewährleisten die Redundanz. Jede USV-Einheit muss so dimensioniert werden, dass das System als Ganzes ohne Redundanz betrieben werden kann, d. h., wenn N Einheiten in Betrieb und K Einheiten abgeschaltet sind. In diesem Fall muss jede der N Einheiten eine scheinbare Nennleistung Sn (kVA) aufweisen, für die Folgendes gilt: Sn(kVA) > S / N. Wählen Sie eine USV mit einer Nennleistung Sn (kVA) von knapp über S/N aus. Wenn eine Leistungsreserve erforderlich ist oder die ausgewählte Nennleistung zu nahe bei S liegt, wählen Sie die nächsthöhere Nennleistung aus. 3. Überprüfung der Wirkleistung Bei der ausgewählten Nennleistung liefert die USV folgende Nennwirkleistung: Pn (kW) = 0,8 Sn (kVA) • Achten Sie bei λ ≥ 0,8 darauf, dass Pn (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 Pn (kW) > λ Sn (kVA) ist, d. h., die Auswahl ist richtig. 4. Prozentuale Last Bei Redundanz wird die Last gemäß der folgenden Gleichung auf die USV-Einheiten verteilt: S / (N+K). Die prozentuale Last der einzelnen Einheiten ergibt sich also bei Redundanz folgendermaßen: TL = S / (N + k) Sn(kVA) In einem System ohne Redundanz berechnet sie sich wie folgt: TL = S / N Sn(kVA) Sie muss ausreichen, um Lastzunahmen abzudecken. Beispiel Verwenden Sie in diesem Beispiel die Ergebnisse aus dem letzten Beispiel und nehmen Sie an, dass es sich um kritische Lasten handelt, d. h., das Redundanz erforderlich ist. • Die Gesamtlast beträgt 54 kW, wobei der Leistungsfaktor für alle Lasten gleich 0,68 ist, d. h.: S = 54 / 0,68 = 79,4 kVA. • Wenn eine 2+1-Redundanz verwendet wird, müssen zwei Einheiten die Last versorgen können. Jede davon muss S / 2 = 79,4 / 2 = 39,7 kVA liefern. • Wählen Sie eine Galaxy PW-USV mit ausreichender Nennleistung aus. 40 kVA Nennleistung reichen nicht aus, d. h., Sie müssen 50 kVA auswählen oder eine höhere Nennleistung, wenn eine Erweiterung am Standort geplant ist.




• Wenn keine Redundanz verfügbar ist, muss jede der beiden USV-Einheiten die Last versorgen können. • Dies liegt daran, dass 2 x 50 x 0,68 = 68 kW > 54 kW ist. • Während des Betriebs ergibt sich für die prozentuale Last Folgendes: - Mit Redundanz, d. h., die Last wird auf 3 USV-Einheiten verteilt: 79,4 / 3 x 50 = 52,9 % - Ohne Redundanz, d. h., die Last wird nur auf 2 USV-Einheiten verteilt: 79,4 / 2 x 50 = 79,4 %

Kontrolle über Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich

USVen und Oberschwingungsströme im vorgeschalteten Bereich

Rolle des Eingangsgleichrichters USV-Einheiten beziehen Strom aus dem Wechselstromverteilungssystem über einen Wechselrichter/ein Ladegerät. Im Hinblick auf das vorgeschaltete System ist der Gleichrichter eine nicht lineare Last, die Oberschwingungen verursacht. Unter dem Aspekt der Oberschwingungen gibt es zwei Arten von Gleichrichtern. Standardgleichrichter Hier handelt es sich um Dreiphasen-Gleichrichter mit integrierten SCRs sowie einer sechsphasigen Brücke (Graetzbrücke) und Standardtaktung des Stroms. Diese Art von Brücke bezieht Oberschwingungsströme mit Ordnungen von n = 6 k ± 1 (wobei k eine ganze Zahl ist), hauptsächlich H5 und H7 sowie in geringerem Ausmaß H11 und H13. Oberschwingungen werden mithilfe eines Filters kontrolliert (siehe Abb. 1.20). Gesteuerte aktive PFC-Gleichrichter auf Transistorbasis Diese aktiven Gleichrichter auf Transistorbasis verfügen über ein Regelsystem, das Eingangsspannung und -strom an eine Referenz-Sinuswelle anpasst. Durch diese Methode wird sichergestellt, dass Eingangsspannung und -strom folgende Eigenschaften aufweisen: • Sie sind genau sinusförmig, d. h. frei von Oberschwingungen. • Sie sind phasengleich, d. h. der Leistungsfaktor liegt nahe bei 1. Bei dieser Art von Gleichrichter sind keine Filter erforderlich.

Saubere Gleichrichter auf Transistorbasis, siehe Kap. 4.

Alle Starkstrom-USVen von Schneider Electric (außer den Modellreihen Galaxy PW und Galaxy 9000) nutzen gesteuerte aktive PFC-Gleichrichtertechnologien und erzeugen daher keine Oberschwingungen.

Abb. 1.20. Eingangsgleichrichter und Oberschwingungen.


Kontrolle über Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich (Fortsetzung)

Filterung von Oberschwingungen im vorgeschalteten Bereich für USVen mit Graetzbrücken-Gleichrichter

Ziele der Oberschwingungsfilterung Dieser Abschnitt betrifft nur die Modellreihen Galaxy PW und Galaxy 9000 sowie USVen mit herkömmlichen Graetzbrücken-Gleichrichtern. „Sauberes“ vorgeschaltetes System Ziel ist es, sicherzustellen, dass die Spannungsverzerrung (THDU) in den Stromschienen, über die die USV versorgt wird, mit den anderen angeschlossenen Lasten kompatibel ist. Die UTE empfiehlt, den THDU-Wert wie folgt zu begrenzen: • Auf 5 %, wenn die Quelle ein Generator ist • Auf 3 %, wenn die Quelle ein Transformator ist, um 1 bis 2 % THDU zu berücksichtigen, die bereits im Hochspannungsverteilungssystem vorliegen können Diese Empfehlung kann je nach Land unterschiedlich sein. In der Praxis müssen spezifische Lösungen bezüglich der Spannungsverzerrung (THDU) für das Land implementiert werden, in dem sich die Installation befindet. Problemlose Kombination mit einem Motorgeneratorsatz Ziel ist es, eine Kombination aus USV und Motorgeneratorsatz zu ermöglichen, ohne dass die Oberschwingungen stärker werden, wenn die Last auf den Generator umgeschaltet wird. Diese Gefahr besteht, weil die Impedanz der Quelle für den Generator niedriger ist als für einen Transformator. Dadurch verstärken sich die Auswirkungen von Oberschwingungen. Hoher Leistungsfaktor am Gleichrichtereingang Ziel ist es, den Eingangsleistungsfaktor zu erhöhen (in der Regel auf mehr als 0,94). Dadurch wird der Verbrauch in kVA verringert und die Quellen müssen nicht überdimensioniert werden. Installation entsprechend den Normen Ziel ist es, Normen zu durch Oberschwingungen verursachten Störungen sowie die Empfehlungen von Stromversorgungsunternehmen einzuhalten. • Normen zu durch Oberschwingungen verursachten Störungen (siehe Tabelle 1.2) - IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2 für Geräte mit Eingangsstrom ≤ 16 A/Ph. - IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 für Geräte mit Eingangsstrom > 16 A/Ph. • Normen und Empfehlungen zur Qualität von Verteilungssystemen, vor allem folgende: - IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5 - EN 50160 (Europa) - IEEE 519-2 (USA) - ASE 3600 (Schweiz) - G5/3 (Vereinigtes Königreich)

Normen zu Oberschwingungen, siehe „USV-Normen“ in Technischer Überblick, S. 29. Tabelle 1.2. Beispiel für Begrenzungen von Oberschwingungsströmen nach IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4 für Geräte mit Eingangsstrom > 16 A/Ph (Stufe 1, vereinfachter Anschluss).

Oberschwingung % von H1 (Grundschwingung) H3 21,6 % H5 10,7 % H7 7,2 % H9 3,8 % H11 3,1 % H13 2,0 % H15 0,7 % H17 1,2 % H19 1,1 % H21 ≤ 0,6 % H23 0,9 % H25 0,8 % H27 ≤ 0,6 % H29 0,7 % H31 0,7 % ≥ H33 ≤ 0,6 % Gerade Ordnungen ≤ 0,6 % oder ≤ 8/n (n gerade

Ordnung)

Arten von Oberschwingungsfiltern Oberschwingungsfilter beseitigen je nach Technologie bestimmte Ordnungen oder alle Ordnungen. Die folgenden Arten sind erhältlich:



Passive LC-Filter • Nicht ausgeglichen • Ausgeglichen • Nicht ausgeglichen mit Kontaktgeber Gleichrichter mit Thomson-Brücke Phasenverschiebungsfilter Aktiver THM-Filter (aktive 12-Puls-Technologie).

Filterung und Parallelanschluss Wenn eine Reihe von USV-Einheiten parallel angeschlossen sind, kann je nach verwendeter Filterart Folgendes installiert werden: • Ein eigener Filter an jeder USV-Einheit • Ein gemeinsamer Filter für die gesamte Parallelkonfiguration Ziel ist es, ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit zu erreichen, unter Berücksichtigung der akzeptablen Oberschwingungsverzerrungen. Die Vergleichstabellen für die unterschiedlichen Lösungen (Kap. 1, S. 28) sind für die Auswahl hilfreich. Kombination aus LC-Filtern und Generator Der Generator kann nur relativ niedrige kapazitive Ströme liefern (10 bis 30 % von In). Wenn ein LC-Filter installiert ist, liegt die Hauptschwierigkeit im allmählichen Anfahren des Gleichrichters mit Generatorstrom. In dieser Zeit ist die Wirkleistung gleich Null und der Generator liefert nur den kapazitiven Strom für den Filter. Daher muss die Verwendung von LC-Filtern richtig analysiert werden, um sicherzustellen, dass der Betrieb den Anweisungen des Herstellers entspricht. Im Folgenden wird eine Methode zum Auswählen von LC-Filtern beschrieben. Als Beispiel dient dabei die Derating-Kurve für einen Generator, wie sie in ähnlicher Form von Herstellern bereitgestellt wird.

Abb. 1.21. Derating-Kurve für einen Generator, als Funktion des Leistungsfaktors der Installation. Die Kurve in der Abbildung, die nur ein Beispiel von vielen ist, zeigt die Leistungsreduzierung als Funktion des Betriebspunkts für einen gegebenen Generator. Bei einer rein kapazitiven Last (λ = 0) entspricht die verfügbare Leistung nur 30 % der Nennleistung (Punkt A). Unter der Annahme, dass für die scheinbare Nennleistung Pn (Generator) = Pn (Gleichrichter) gilt, bedeuten die Punkte A, B, C, D, E und F Folgendes: A: Blindleistung entspricht dem kapazitiven Strom eines nicht ausgeglichenen Filters. B: Blindleistung entspricht dem kapazitiven Strom eines ausgeglichenen Filters. C: Betriebspunkt beim Anfahren mit nicht ausgeglichenem Filter mit Kontaktgeber. D: Betriebspunkt bei Nennlast mit nicht ausgeglichenem Filter. E: Betriebspunkt bei Nennlast mit ausgeglichenem Filter. F: Betriebspunkt bei Nennlast ohne Filter oder mit Phasenverschiebungsfilter.



Beispiel Ausgangspunkt sind ein nicht ausgeglichener Filter mit 300 kVA-Generator und eine 200 kVA-USV vom Typ Galaxy PW. Die Nennleistung des Gleichrichters, bei einem Wirkungsgrad von 87 % (1 / 0,87 = 1,15), ist das 1,15-Fache derjenigen des Wechselrichters, d. h. 200 x 1,15 = 230 kVA. Der kapazitive Strom des nicht ausgeglichenen Filters ist gleich 230 x 30 % (1) = 69 kVA. Die Blindleistung, die der Generator verarbeiten kann (Punkt A), beträgt 300 x 0,3 = 90 kVA. Daher ist der Filter mit dem Generator kompatibel. (1) Der Wert von 30 % wurde experimentell bestimmt.

Auswahl eines Filters Auswahlparameter für einen Filter

Leistungsfähigkeit insgesamt – Verringerung der Verzerrung (THDI und THDU) Die Leistungsfähigkeit hängt davon ab, welche Oberschwingungsordnungen gefiltert werden und in welchem Ausmaß diese gedämpft bzw. beseitigt werden. Als Messgröße dient der THDI-Wert am Gleichrichtereingang. Die Auswirkungen auf den THDI-Wert bestimmen den THDU-Wert. Die Leistungsfähigkeit muss bei der geplanten prozentualen Last überprüft werden, weil viele USV-Systeme mit prozentualen Lasten zwischen 50 und 75 % betrieben werden. Verbesserung des Leistungsfaktors λ Der Filter verbessert den Leistungsfaktor (in der Regel auf mehr als 0,92). Kompatibilität mit einem Motorgeneratorsatz Die Leistungsfähigkeit muss außerdem mit den geplanten Quellen überprüft werden, entweder mit einem Transformator oder mit einem Motorgeneratorsatz. Dies liegt daran, dass die Ausgangsimpedanz des Generators niedriger ist als diejenige eines Transformators. Dadurch verstärken sich die Auswirkungen von Oberschwingungen. Eignung für USV-Parallelkonfigurationen Je nach Art des Filters ist es möglich, einen Filter an jeder USV-Einheit zu installieren oder einen einzelnen Filter zur Beseitigung sämtlicher Oberschwingungen einzurichten. Wirkungsgrad Durch den Verbrauch des Filters kann sich der Wirkungsgrad der Installation als Ganzes geringfügig ändern. Flexibilität für Einrichtung und Aktualisierungen Filter sind in der Regel USV-spezifisch und können entweder werksseitig oder nach der Installation montiert werden. Der SineWave-Filter ermöglicht die Beseitigung sämtlicher Oberschwingungen und bietet eine hohe Flexibilität in der Konfiguration. Abmessungen Es muss überprüft werden, ob der Filter im USV-Gehäuse installiert werden kann oder in einem zweiten Schrank installiert werden muss. Kosten Die Kosten haben Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Filters und müssen gegen die erzielten Vorteile abgewägt werden. Konformität mit Normen Die Einhaltung von Normen, insbesondere IEC 61000-3-4, im Hinblick auf die einzelnen dort angegebenen Oberschwingungspegel muss überprüft werden. Vergleichstabelle der Lösungen In den folgenden Tabellen sind die Elemente zum Vergleich aufgeführt, mit allgemeinen Bemerkungen zur Verwendung der einzelnen Lösungsarten. Tabelle 1.3 enthält Einzellösungen für Konfigurationen mit einzelnen USVen. Diese Lösungen können auch in Parallelkonfigurationen eingesetzt werden. Tabelle 1.4 enthält Gesamtlösungen für ganze Konfigurationen.



Tabelle 1.3. Vergleich von Einzellösungen zum Filtern von Oberschwingungen.

Art des Filters Kriterium

LC nicht ausgeglichen

LC ausgeglichen LC mit Kontaktgeber

Thomson-Brücke THM integriert

Schaltplan

Abb. 1.22a Abb. 1.22b Abb. 1.22c Abb. 1.22d Abb. 1.22e

Verringerung der Verzerrung

THDI bei 100 % Last THDI bei 50 % Last

7 bis 8 % 10 %

7 bis 8 % 10 %

7 bis 8 % 10 %

10 % 15 %

4 % 5 %

Beseitigte Oberschwingungen

H5, H7 H5, H7 H5, H7 H5, H7, H17, H19 H2 bis H25

Leistungsfaktor λ bei 100 % Last λ bei 50 % Last

0,95 1

0,95 1

0,95 1

0,85 0,8

0,94 0,94

Kompatibilität mit Generator

* ** ** ** ***

Wirkungsgrad des Filters *** *** *** * ** Flexibilität, Erweiterungsfähigkeit

* * * * ***

Kosten *** *** *** * ** Abmessungen *** *** *** * *** Anschluss parallel mit USV * * * * **

Abb. 1.22f Abb. 1.22g Abb. 1.22h Abb. 1.22i Abb. 1.22j Konformität mit Richtlinie IEC 61000-3-4

nein nein nein nein ja

Allgemeine Bemerkung Lösung ist für Installationen ohne Motorgeneratorsatz geeignet.

Lösung ist für Installationen mit Motorgeneratorsatz geeignet. Durch die zusätzliche Induktorlast verringert sich die kapazitive Leistung, die vom Motorgeneratorsatz geliefert werden muss.

Lösung ist für Installationen mit Motorgeneratorsatz geeignet, bei denen die Nennleistung niedriger ist als die der USV. Die LC-Leitung wird vom Kontaktgeber bei einem voreingestellten Wert zugeschaltet, der einer für den Motorgeneratorsatz akzeptablen prozentualen Wechselrichterlast entspricht.

Lösung ist für Installationen mit Generatorsätzen geeignet.

Lösung ist für sensible Installationen oder Installationen mit wechselnden Lastpegeln geeignet. Dies ist die effektivste und flexibelste Lösung. Sie ist unabhängig von der prozentualen Last und von der Art der vorgeschalteten Quelle.

*** Hervorragend ** Gut * Ausreichend




Tabelle 1.4 Vergleich von Gesamtlösungen.

Art des Filters Kriterium

SineWave Phasenverschiebungsfilter

Schaltplan

UPSUPS UPS

AC input

Load

SW

Abb. 1.23a Abb. 1.23b Abb. 1.23c Abb. 1.23d

Verringerung der Verzerrung

THDI bei 100 % Last THDI bei 50 % Last

4 % 5 %

< 10 % 35 % bei einer

abgeschalteten USV

< 5 % 19 % bei einer

abgeschalteten USV

< 4 % 12 % bei einer

abgeschalteten USVBeseitigte Oberschwingungen

H2 bis H25

Leistungsfaktor λ bei 100 % Last λ bei 50 % Last

0,95 1

0,8 0,8

Kompatibilität mit Generator

*** **

Wirkungsgrad des Filters *** ** Flexibilität, Erweiterungsfähigkeit

*** *

Kosten *** *** Abmessungen *** * Konformität mit Richtlinie IEC 61000-3-4

ja ja

Allgemeine Bemerkung Lösung ist für sensible Installationen oder Installationen mit wechselnden Lastpegeln geeignet. Dies ist die effektivste und flexibelste Lösung. Sie ist unabhängig von der prozentualen Last und von der Art der vorgeschalteten Quelle.

Lösung kann nicht geändert werden. Sie ist für Installationen mit mehr als zwei parallel angeschlossenen USV-Einheiten geeignet.

*** Hervorragend ** Gut * Ausreichend

Systemerdungen (Fortsetzung)

Hintergrund-informationen zu Systemerdungen

Schutz von Personen gegen Kontakt mit elektrischen Komponenten Internationale Normen erfordern, dass in elektrischen Installationen zwei Arten des Schutzes von Personen gegen die mit elektrischen Strömen verbundenen Gefahren implementiert werden. Schutz gegen direkten Kontakt Der Zweck dieser Schutzform besteht darin, „direkten“ Kontakt zwischen Personen und stromführenden Teilen (siehe Abb. 1.24) zu verhindern. Dazu gehören die im Folgenden aufgeführten Punkte. • Isolation stromführender Teile mithilfe von Sperren oder Gehäusen, deren Schutzgrad mindestens IP2X oder IPXXB entspricht. • Gehäuse (Türen, Racks usw.) dürfen sich nur mit einem Schlüssel oder Werkzeug öffnen lassen bzw. nach Ausschalten der stromführenden Teile oder automatischer Installation einer Abschirmung. • Das Metallgehäuse muss mit einem Schutzleiter verbunden werden. Schutz gegen indirekten Kontakt und Systemerdungen Der Zweck dieser Schutzform besteht darin, „indirekten“ Kontakt zwischen Personen und freiliegenden leitfähigen Teilen (ECP) zu verhindern, die nach einem Isolierungsfehler Strom führen. Der Fehlerstrom erzeugt in den freiliegenden leitfähigen Teilen ein Potenzial, das ausreichen kann, um bei Kontakt mit den freiliegenden leitfähigen Teilen einen gefährlichen Strom durch den Körper der betreffenden Person fließen zu lassen (siehe Abb. 1.24). Zu diesem Schutz gehören die im Folgenden aufgeführten Punkte. • Obligatorische Erdung aller freiliegenden leitfähigen Teile, die für den Benutzer zugänglich sind. Für die Verbindung zur Erde wird der Schutzleiter verwendet. Diese Verbindung darf nie unterbrochen werden (keine Unterbrechungsgeräte am Schutzleiter). Die Verbindungs- und Erdungsmethoden für die freiliegenden leitfähigen Teile bestimmen die Systemerdung für die Installation. • Trennung von der Stromversorgung, wenn das Potenzial in den freiliegenden leitfähigen Teile gefährliche Werte zu erreichen droht. Die Unterbrechung erfolgt durch ein Schutzgerät, das von der ausgewählten Systemerdung abhängt. Häufig werden Fehlerschutzschalter benötigt, weil die durch Isolierungsfehler entstehenden Ströme in der Regel zu niedrig sind, um von herkömmlichen Überspannungsschutzgeräten erkannt zu werden.

Abb. 1.24. Direkter und indirekter Kontakt. Arten von Systemerdungen Es gibt drei Arten von Systemerdungen. • Isolierter Neutralleiter (IT) • Geerdeter Neutralleiter (TT) • Freiliegende leitfähige Teile mit dem Neutralleiter verbunden (TN mit TN-C und TN-S) Die ersten beiden Buchstaben geben an, wie der Neutralleiter und die freiliegenden leitfähigen Teile der Lasten angeschlossen werden.



Erster Buchstabe Zweiter Buchstabe Dritter Buchstabe (bei TN) Anschluss des

Neutralleiters Anschluss der

freiliegenden leitfähigen Teile

Art des Schutzleiters

T = geerdeter Neutralleiter T = freiliegende leitfähige Teile geerdet

C = Gemeinsamer PEN-Leiter (Neutral- und

Schutzleiter) S = Separater Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE)

I = Isolierter Neutralleiter N = Freiliegende leitfähige Teile mit dem Neutralleiter

verbunden IT-, TT- oder TN-Systeme TN-C oder TN-S

Systemerdungen Isolierter Neutralleiter (IT)

● Für den Neutralleiter der Quelle gibt es zwei Möglichkeiten: - Isolation von der Erde (isolierter Neutralleiter)- Anschluss an die Erde über eine hohe Impedanz res (impedanter Neutralleiter) ● Die freiliegenden leitfähigen Teile, alle durch dasselbe Unterbrechungsgerät geschützt, werden geerdet (Widerstand der Erdelektrode RA).

L1L2L3N

PE

Ud

Zres

RAId

Beispiel: Phase-auf-ECP-Fehler in einer Last. Uo ist die Sternspannung im Verteilungssystem (230 V). ● Strom durch den ersten Fehler RA= 10 Ω und Zres= 3500 Ω (ungefähr), Id = Uo / (RA + Zres) = 66 mA. ● Spannung durch den ersten Fehler Ud = Uo x RA / (RA + Zres) = 0,66 V. Dieses Potenzial ist nicht gefährlich. Der Fehler muss durch ein Isolierungsüberwachungsgerät erkannt, durch ein Fehlerlokalisierungsgerät gefunden und anschließend behoben werden. ● Strom durch den zweiten Fehler Ein zweiter Fehler, der auftritt, bevor der erste Fehler behoben ist, führt zu einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder zwischen einer Phase und dem Neutralleiter. Er muss durch die Überspannungsschutzgeräte innerhalb der in den Normen festgelegten Zeiträume beseitigt werden.

Abb. 1.25. IT-System. Geerdeter Neutralleiter (TT)

● Der Neutralleiter der Quelle wird geerdet. ● Die freiliegenden leitfähigen Teile, alle durch dasselbe Unterbrechungsgerät geschützt, werden geerdet (Widerstand der Erdelektrode RA).

L1L2L3N

PE

UdRB RAId

Beispiel: Phase-auf-ECP-Fehler in einer Last. Uo ist die Sternspannung im Verteilungssystem (230 V). ●Fehlerstrom Beispiel: RA= 10 Ω und RB= 5 Ω Id = Uo / (RA + RB) = 15,3 A ●Fehlerspannung Ud = Uo x RA / (RA + RB) = 153 V Dieses Potenzial ist gefährlich (> 50 V). Der Fehler muss durch die Schutzgeräte innerhalb der in den Normen festgelegten Zeiträume beseitigt werden. Der Fehlerstrom ist niedrig und muss daher durch einen Fehlerschutzschalter erkannt werden, der das unmittelbar vorgeschaltete Schutzgerät betätigt. Der Betriebsstrom des Fehlerschutzschalters und die zur Beseitigung des Fehlers erforderliche Zeit sind durch die Normen festgelegt.

Abb. 1.26. TT-System.



Freiliegende leitfähige Teile mit dem Neutralleiter verbunden (TN) ● Der Neutralleiter der Quelle wird direkt

geerdet. ● Die freiliegenden leitfähigen Teile der Installation werden über den Schutzleiter (PEN) mit dem Neutralleiter und daher mit der Erde verbunden. Bei dieser Erdung werden alle Isolierungsfehler in Kurzschlüsse zwischen einer Phase und dem Neutralleiter umgewandelt. ● Das Potenzial des Schutzleiters wird durch zahlreiche Anschlusspunkte nahe an demjenigen der Erde gehalten.

L1L2L3

PEN

Ud

FE

C

D

BA Id

● Impedanz der Fehlerschleife Zb = ZABCDEF (Teil des Stromkreises ABCDEF) Zb ≈ ZBCDE ≈ 2 ZDE, weil ZBC = ZDE (BC und DE sind identisch, die Fehlerimpedanz ist unerheblich) Beispiel: Eine Last wird über ein Kupferkabel mit 50 mm² Querschnitt und 50 m Länge versorgt (Phase und PE). Zb = 2 ρ L / S. Dabei ist ρ = 22,5 Ω mm2/m. Zb = 2 x 22,5 10-3 x 50 / 50 = 45 mΩ.. ●Fehlerspannung Ein Spannungsabfall von 20 % ist für die Sternspannung Uo zulässig, d. h.: UBE = 0,8 Uo. Da ZBC = ZDE ist, steigt das Potential der freiliegenden leitfähigen Teile auf Ud = UBE / 2 = 0,8 Uo / 2 = 92 V. ●Fehlerstrom Id = 0,8 Uo / Zb = 0,8 x 230 / 45 10-3 = 4089 A Die Unterbrechung erfolgt durch die Überspannungsschutzgeräte innerhalb der in den Normen festgelegten Zeiträume. Der Fehlerstrom hängt von der Impedanz der Fehlerschleife ab. Es muss gewährleistet sein, dass der Fehlerstrom an allen Punkten im System größer ist als der Betriebsgrenzwert der Schutzgeräte.

Abb. 1.27. TN-S-System. (Das grundlegende Prinzip ist für das TN-C-System identisch.)



Vergleich von Systemerdungen

Art der Systemerdung

IT (isolierter Neutralleiter) TT (geerdeter Neutralleiter)

TN-S (ECP mit Neutralleiter verbunden)

TN-S (ECP mit Neutralleiter verbunden)

Operation (Betrieb) ● Signalisierung des ersten Isolierungsfehlers. ●Lokalisierung und Beseitigung des ersten Fehlers. ● Trennung für den zweiten Fehler.

● Trennung für den ersten Isolierungsfehler.

● Trennung für den ersten Isolierungsfehler erfolgt. ● Separater Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE).

● Trennung für den ersten Isolierungsfehler. ● Gemeinsamer PEN-Leiter (Neutral- und Schutzleiter).

Schutz von Personen ● Verbindung und Erdung von freiliegenden leitfähigen Teilen. ● Erster Fehler: - Sehr niedriger Strom - Überwachung/Anzeige durch ein Isolierungsüberwachungsgerät ● Zweiter Fehler: - Potenziell gefährlicher Strom - Unterbrechung durch Überspannungsschutzgeräte (z. B. Schutzschalter)

● Erdung von freiliegenden leitfähigen Teilen, kombiniert mit dem Einsatz von Fehlerschutzschaltern. ● Erster Fehler: - Fehlerstrom ist gefährlich, aber zu niedrig, um von herkömmlichen Überspannungsschutzgeräten erkannt zu werden - Erkennung durch die Fehlerschutzschalter kombiniert mit Unterbrechungsgeräten

● Verbindung und Erdung von freiliegenden leitfähigen Teilen und Neutralleiter erforderlich. ● Erster Fehler: - Fehlerstrom - Unterbrechung durch Überspannungsschutzgeräte (z. B. Schutzschalter)

● Verbindung und Erdung von freiliegenden leitfähigen Teilen und Neutralleiter erforderlich. ● Erster Fehler: - Fehlerstrom - Unterbrechung durch Überspannungsschutzgeräte (z. B. Schutzschalter)

Spezifische Geräte Isolierungsüberwachungsgerät und Fehlerlokalisierungsgerät.

Fehlerschutzschalter. Bei größeren Entfernungen müssen Fehlerschutzschalter eingesetzt werden.

Vor- und Nachteile EMC

● Lösung bietet die beste Betriebskontinuität (weil der erste Fehler signalisiert wird). ● Erfordert kompetentes Überwachungspersonal (Lokalisierung des ersten Fehlers). ● Hohe EMC-Leistung, sehr niedrige Ströme im Erdungskabel.

● Am einfachsten zu planende und zu installierende Lösung. ● Obligatorischer Einsatz von Fehlerschutzschaltern. ● Verschiedene Erdelektroden (entfernte Quellen). ● Hohe Empfindlichkeit gegen Blitzeinschläge.

● Hohe Installationskosten bei hohen Nennleistungen. ● Schwierig zu planen (Berechnung der Schleifenimpedanzen). ● Fließen hoher Fehlerströme. ● Hohe EMC-Leistung, niedriger Strom im PE bei Normalbetrieb.

● Niedrigere Installationskosten (ein Leiter weniger). ● Schwierig zu planen (Berechnung der Schleifenimpedanzen). ● Fließen hoher Fehlerströme. ● Niedrige EMC-Leistung, hohe Ströme im PEN (Verbindungen zwischen freiliegenden leitfähigen Teilen).

Verwendungsbereiche ● Installationen, bei denen Betriebskontinuität erforderlich ist, z. B. Krankenhäuser, Flughäfen, industrielle Prozesse, Schiffe. ● Installationen und Standorte, bei denen Brand- und Explosionsgefahr besteht, d. h. Bergwerke usw.

● Gewerbe- und Wohngebäude, öffentliche Beleuchtung, Schulen usw.

● Große gewerbliche Gelände, hohe Gebäude usw. ● Branchen ohne kontinuierliche Prozesse (IT-System). ● Stromversorgung von Computersystemen.

● Große gewerbliche Gelände, hohe Gebäude usw. ● Branchen ohne kontinuierliche Prozesse (IT-System). ● Stromversorgung von Computersystemen.

ECP = Exposed Conductive Parts (freiliegende leitfähige Teile).

Anwendungen in USV-Installationen

Spezifische Aspekte in Systemen mit USVen Die Implementierung der oben beschriebenen Schutzsysteme in Installationen mit USV erfordert aus verschiedenen Gründen eine Reihe von Vorkehrungen: • Die USV spielt zweierlei Rolle: - als Last für das vorgeschaltete System - als Stromquelle für das nachgeschaltete System • Wenn die Batterie nicht in einem Schrank installiert ist, kann ein Isolierungsfehler im Gleichstromsystem dazu führen, dass eine Rest-Gleichstromkomponente fließt. Diese Komponente kann den Betrieb bestimmter Schutzgeräte stören, vor allem Fehlerschutzschalter zum Schutz von Personen.



Schutz gegen direkten Kontakt Alle USV-Installationen von Schneider Electric erfüllen die geltenden Anforderungen, weil die Geräte in Schränken installiert werden, die den Schutzgrad IP 20 bieten. Dies gilt auch für die Batterie, wenn diese in einem Schrank untergebracht ist. Wenn die Batterie nicht in einem Schrank installiert ist (in der Regel in einem speziellen Raum), müssen die am Ende dieses Kapitels vorgestellten Maßnahmen implementiert werden. Schutz gegen indirekten Kontakt Auswahl einer Systemerdung Eine einfache, nach den Normen erforderliche Schutzmaßnahme ist die Schaffung einer genormten Systemerdung sowohl vor als auch hinter der USV. Die beiden Systeme können identisch oder unterschiedlich sein, wenn bestimmte Vorkehrungen getroffen werden. In einer vorhandenen Installation, zu der die USV hinzugefügt wird, ist das vorgeschaltete System bereits bestimmt. Die Auswahl des nachgeschalteten Systems (entweder dasselbe oder ein anderes) ist von dessen Kompatibilität mit sensiblen Lasten abhängig. Die Tabelle auf der vorherigen Seite enthält die notwendigen Elemente zum Vergleichen der verschiedenen genormten Systemerdungen.

Vorsicht: Möglicherweise verbieten die orts- und landesüblichen Bestimmungen bestimmte Systemerdungen. Auswahl der Unterbrechungsgeräte Über die Verbindung und Erdung der freiliegenden leitfähigen Teile gemäß einer genormten Systemerdung hinaus muss der Schutz von Personen durch Unterbrechungsgeräte sichergestellt werden, die entsprechend der Systemerdung ausgewählt wurden. Diese Geräte müssen im Fall eines Isolierungsfehlers die Überspannungsschutzgeräte auslösen. Die Auslösung kann auf folgende Arten erfolgen: • Direkt durch geeignete Einstellungen an den Überspannungsschutzgeräten (Schutzschalter, Sicherungen) • Durch den (für das IT-System obligatorischen) Einsatz von Fehlerschutzschaltern, die in den Schutzschalter integriert sein können. Die Fehlerschutzschalter sind erforderlich, um die durch Isolierungsfehler entstehenden Ströme zu erkennen, die häufig zu niedrig sind, um herkömmliche Überspannungsschutzgeräte auszulösen.

Überprüfen Sie die orts- und landesüblichen Anforderungen bezüglich der Sicherheit elektrischer Installationen. Systemarten für USVen Welche Systeme möglich sind, hängt von Folgendem ab: • Vom vorhandenen oder ausgewählten der USV vorgeschalteten System. • Vom der USV nachgeschalteten System, dessen Auswahl durch Folgendes bestimmt werden kann: - Wiederverwendung desselben Systems wie im vorgeschalteten Bereich - Vorhandensein von vor- oder nachgeschalteten Trenntransformatoren, die es ermöglichen, die Systemerdung zu ändern - Lasten (z. B. erfordern Computersysteme ein TN-C- oder TN-S-System) - Aufbau des nachgeschalteten Verteilungssystems mit statischen Übertragungsschaltern • Von bestimmten Anforderungen aus Normen, z. B. darf der Schutzleiter (PE oder PEN) nie unterbrochen werden, um das Fließen des Fehlerstroms zu gewährleisten. Ein TN-C-System (nicht unterbrochener PEN-Leiter) kann einem TN-S-System (separate N- und PE-Leiter) vorgeschaltet werden, aber nicht umgekehrt. USVen werden zunehmend ohne Transformatoren konstruiert, was Vorteile im Hinblick auf Gewicht, Größe und Wirkungsgrad bietet. Technologie ohne Transformator ermöglicht es außerdem, die Spannung für eine verbesserte Anpassung an alle Arten von Lasten zu modulieren, insbesondere an nicht lineare Lasten mit Oberschwingungen.


Siehe White Paper 98


Technologie ohne Transformator hat Auswirkungen auf den Einsatz von Systemerdungen. Weitere Informationen finden Sie in White Paper 98: „The Elimination of Isolation Transformers in Data Center Power Systems“. Je nach den Erdungen im vor- und nachgeschalteten Bereich sowie USV-Typ sind die unterschiedlichsten Fälle denkbar. Ihr Repräsentant von Schneider Electric verfügt über einen vollständigen Satz von Schaltplänen für alle betroffenen Systemerdungen und USV-Modellreihen. Die Modellreihen Galaxy PW und Galaxy 9000 verfügen über Trenntransformatoren. Alle anderen Modellreihen nutzen Technologie ohne Transformator, bei der der Neutralleiter elektronisch erzeugt wird. Die folgenden Seiten enthalten einige Beispiele für USVen vom Typ Galaxy PW sowie Galaxy 5000, 7000 und 9000. Für andere Fälle erhalten Sie den entsprechenden Schaltplan bei Ihrem Repräsentanten von Schneider Electric.

Ausgangstransformator (Galaxy PW und 9000)

Kein Ausgangstransformator (Galaxy 5000 und 7000)

Separate normale und Bypass-AC-Eingänge. Gemeinsame normale und

Bypass-AC-Eingänge. Abb. 1.28. Standardschaltpläne. Identische vor- und nachgeschaltete Systeme

Identische vor- und nachgeschaltete Systeme IT oder TT oder TN-S.

Verteilter Neutralleiter auf den beiden Leitungen.

Identische vor- und nachgeschaltete Systeme IT oder TT oder TN-S.

Verteilter Neutralleiter nur auf der Bypass-Leitung.

Identische vor- und nachgeschaltete Systeme TN-C

Identische vor- und nachgeschaltete Systeme IT oder TT oder TN-S. Verteilter Neutralleiter.

Galaxy PW und 9000 Galaxy 5000 und 7000Abb. 1.29. Beispiele mit identischen vor- und nachgeschalteten Systemen.




Unterschiedliche vor- und nachgeschaltete Systeme

Änderung des Erdungssystems IT oder TT oder TN-S im nachgeschalteten Bereich.


Änderung des Erdungssystems IT oder TT oder TN-S im nachgeschalteten Bereich.


Änderung des Erdungssystems

TN-C im nachgeschalteten Bereich.Änderung des Erdungssystems

TN-C im nachgeschalteten Bereich. Galaxy PW und 9000 Galaxy 5000 und 7000

Abb. 1.30. Beispiele mit unterschiedlichen vor- und nachgeschalteten Systemen.

Schutz

Schutz durch Schutzschalter Im hier dargestellten Schutzsystem für Installationen mit USV-Einheiten werden Schutzschalter implementiert. Im Folgenden werden die Hauptmerkmale von Schutzschaltern und deren Auslösern beschrieben. Die als Beispiele genannten Teilenummern beziehen sich auf Schutzschalter von Schneider Electric. Weitere Eigenschaften, wie das Begrenzen von Wärmebelastung und Strom, gehören zu den Stärken von Schutzschaltern der Compact NSX-Modellreihe, werden hier jedoch nicht behandelt.

Weitere Informationen finden Sie im Vertriebskatalog von Schneider Electric für Nieder- und Mittelspannungsprodukte und im Handbuch zur elektrischen Installation. Auslöser Technologie Es gibt zwei Arten von Auslösern: • Thermomagnetisch • Elektronisch Bauweise • Integriert (nur thermomagnetische Auslöser) • Austauschbar Vergleich Thermomagnetische Auslöser sind einfach und kostengünstig. Elektronische Auslöser bieten genauere und umfangreichere Einstellungen, sodass sie besser an Installationen und deren Anforderungen angepasst werden können. In der nachfolgenden Tabelle werden die Eigenschaften beider Arten von Auslösern für Schutzschalter von 1 bis 630 A zusammengefasst. Damit lassen sich die meisten häufig auftretenden Probleme lösen (von 1 bis 400 kVA). Abbildung 1.31 zeigt die typischen Kurven für die Auslöser.

Schutz Symb. Definition Verfügbarkeit Überlastschutz

(thermisch oder lange Verzögerung) (1)

Ir Überlaststrom-Einstellung. Alle Auslöser.

Lange Verzögerung (2)

tr Lange Auslöseverzögerung (z. B. beim Starten eines Motors).

Elektronische Auslöser (z. B. Micrologic 2, 5, 6).

Kurzschlussschutz (magnetisch oder kurze Verzögerung) (3)

Im oder Isd

Kurzschlussstrom-Einstellung. Bei elektronischen Auslösern ist Isd eine Funktion von Ir (in der Regel 2 bis 10 Ir).

Alle Auslöser.

Kurze Verzögerung (4)

tm oder tsd

Kurze Auslöseverzögerung (z. B. zur zeitlichen Entkopplung bei nachgeschaltetem Schutzschalter).

Elektronische Auslöser (z. B. Micrologic 5, 6).

Kurzschlussschutz, sofortiges Auslösen (5)

Ii Momentane Kurzschlussstrom-Einstellung. Hängt ausschließlich von der Auslegung des Auslösers ab (z. B. Schutz von statischen Schaltern).

Elektronische Auslöser (z. B. Micrologic 5, 6).

(1) Ir ist bei thermomagnetischen Auslösern der Grenzwert für den thermischen Schutz (auch als Ith geschrieben) bzw. bei elektronischen Auslösern der Grenzwert für die lange Verzögerung. Diese Grenzwerte werden durch eine inverse Zeitkurve definiert, die von der ausgewählten Einstellung abhängt. (2) tr ist die zeitliche Verzögerung für den thermischen Schutz mit langer Verzögerung bei einem gegebenen Wert von Ir. (3) Im ist der magnetische Grenzwert von thermomagnetischen Auslösern und Isd der Grenzwert für die kurze Verzögerung von elektronischen Auslösern. (4) tm ist die Verzögerung (einstellbar oder fest) für den magnetischen Schutz bei thermomagnetischen Auslösern und tsd die Verzögerung (in der Regel einstellbar) für den Schutz mit kurzer Verzögerung bei elektronischen Auslösern. (5) Ii ist der Grenzwert für das sofortige Auslösen.


Schutz (Fortsetzung)

Abb. 1.31. Zeit-/Stromkurven für Schutzschalter (wobei Icu das maximale Ausschaltvermögen ist).



Entkopplung, Kaskadierung, Strombegrenzung Entkopplung Die Entkopplung ergibt sich aus der richtigen Auswahl und Einstellung der Schutzschalter, sodass im Fall eines Fehlers nur der erste vorgeschaltete Schutzschalter ausgelöst wird. Daher wird durch die Entkopplung der von dem Fehler betroffene Teil der Installation auf ein Minimum begrenzt. Verschiedene Arten der Entkopplung sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst und wurden auf der vorherigen Seite dargestellt. Strombegrenzung Wenn ein hoher Fehlerstrom auf den Schutzschalter trifft, trennen sich die Kontakte des Schutzschalters aufgrund der elektrodynamischen Kräfte, ein Lichtbogen wird erzeugt und sein Widerstand begrenzt die Kurzschlussenergie. Kaskadierung Wenn ein Kurzschluss im der Installation nachgeschalteten Bereich auftritt (siehe Abb. 1.32), fließt der Fehlerstrom auch durch den vorgeschalteten Schutzschalter, der den Strom begrenzt und so den auf den nachgeschalteten Schutzschalter wirkenden Strom dämpft. Dadurch wird das Ausschaltvermögen des Letzteren verstärkt.

Entkopplung Betrifft Prinzip Stromentkopplung

Alle Arten von Auslösern

Der Fehlerstrom ist niedriger als der eingestellte Grenzwert des vorgeschalteten Schutzschalters. Ir (vorgeschaltet) > Ir (nachgeschaltet) und Im bzw. Isd (vorgeschaltet) > Im bzw. Isd (nachgeschaltet)

Zeitliche Entkopplung

Nur elektronische Auslöser (z. B. Micrologic)

Das Auslösen des vorgeschalteten Schutzschalters wird um die lange (Ir) und kurze (Im bzw. Isd) Verzögerung verzögert.

Energieentkopplung

Compact NSX und NS

Der Lichtbogendruck im vorgeschalteten Bereich reicht nicht aus, um den vorgeschalteten Schutzschalter auszulösen, reicht jedoch aus, um den nachgeschalteten Schutzschalter auszulösen.

Zonenselektive Verriegelung

Compact NSX 100 bis Masterpact mit Micrologic-Auslösern

Das Auslösen des vorgeschalteten Schutzschalters wird verzögert, wenn der Kurzschluss auch im nachgeschalteten Bereich erkannt wird. Ein Steuerdraht verbindet die vor- und nachgeschalteten Auslöser.

Abb. 1.32. Entkopplung und Kaskadierung des vor-/nachgeschalteten Bereichs



Auswahl von Schutzschaltern

Auslegung Die ausgewählte Auslegung (der Nennstrom) für den Schutzschalter muss knapp über dem Nennstrom des zu schützenden nachgeschalteten Kabels liegen. Ausschaltvermögen Das ausgewählte Ausschaltvermögen muss knapp über den Kurzschlussstrom liegen, der am Installationspunkt auftreten kann. Grenzwerte für Ir und Im Die nachfolgende Tabelle gibt an, wie die Grenzwerte für Ir und Im so bestimmt werden, dass die Entkopplung gewährleistet ist, in Abhängigkeit von den vor- und nachgeschalteten Auslösern. Bemerkung: Zeitliche Entkopplung darf nur von qualifizierten Mitarbeitern implementiert werden, weil sich durch Verzögerungen vor dem Auslösen die Wärmebelastung (I2t) im nachgeschalteten Bereich (Kabel, Halbleiter usw.) erhöht. Vorsicht ist geboten, wenn das Auslösen von CB2 mithilfe der Verzögerung für den Im-Grenzwert verzögert wird. Die Energieentkopplung hängt nicht vom Auslöser ab, sondern nur vom Schutzschalter. Grenzwerte für Ir und Im in Abhängigkeit von den vor- und nachgeschalteten Auslösern

Art des nachgeschalteten Stromkreises

Verhältnis Ir (vorgeschaltet) / Ir (nachgeschaltet)

Verhältnis Im (vorgeschaltet) / Im (nachgeschaltet)

Verhältnis Im (vorgeschaltet) / Im (nachgeschaltet)

Nachgeschalteter Auslöser

Alle Arten Magnetisch Elektronisch

Verteilung > 1,6 > 2 > 1,5 Asynchronmotor > 3 > 2 > 1,5

Sonderfall Generator-Kurzschluss Abbildung 1.33 zeigt die Reaktion eines Generators auf einen Kurzschluss. Um Unsicherheiten hinsichtlich der Art der Erregung zu vermeiden, wird bei der ersten Spitze (3 bis 5 In gemäß X"d) mithilfe der Im-Schutzeinstellung ohne Verzögerung ausgelöst.

Abb. 1.33. Generator während eines Kurzschlusses. Beispiel Ausgangspunkt ist das Beispiel zur Berechnung der USV-Nennleistung (Kap. 1, S. 21) mit folgenden parallel angeschlossenen Dreiphasen-Lasten (400 V): • Computersystem – S1 = 4 x 10 kVA, λ = 0,6, Einschaltstrom 8 In über vier Perioden (80 ms) • Regelbarer Antrieb – S2 = 20 kVA, λ = 0,7, Einschaltstrom 4 In über fünf Perioden



(100 ms) • Trenntransformator – S3 = 20 kVA, λ = 0,8, Einschaltstrom 10 In über sechs Perioden (120 ms) Die drei Lasten ergeben 54 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,68. In Kapitel 1 (S. 21) wurde eine Galaxy PW mit einer Nennleistung von 100 kVA ausgewählt, I = 100 / (400 x 3 ) = 144 A.

630 kVA-Transformator

Bestimmung von CB1 und CB2

Bestimmung des leistungsstärksten CB3 für

die Entkopplung Gesamt-Stromverbrauch

der Lasten P (kW) = 54 kW

40 kVA 20 kVA 20 kVA λ = 0,6 λ = 0,7 cos ϕ = 0,8

400 kVA-Generator

Scheinbare Nenn-Ausgangsleistung

100 kVA In = 144 A

Leistungsfaktor am USV-Ausgang für alle Lasten

λ = 0,68

Maximale Ausgangswirkleistung (mit

der die USV die Lasten versorgen kann)

λ Sn (kVA) = 68 kW Abb. 1.34. Beispiel einer Installation. Ziel ist es, die Schutzschalter CB1 und CB2 sowie den leistungsstärksten Schutzschalter CB3 so auszuwählen, dass sie mit den Entkopplungsanforderungen kompatibel sind. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die vorgeschaltete Installation Folgendes umfasst: • 20 kV-/400 V-Transformator mit 630 kVA Nennleistung • 400 V-Motorgeneratorsatz mit 400 kVA Nennleistung • Verbindung vom Transformator zur Niederspannungsschaltanlage (fünf Meter Aluminiumkabel, 4 x 240 mm2 pro Phase) • Verbindung von Stromschienen zu Schutzschalter (vier Meter mit drei Kupferschienen, 400 mm² pro Phase). Berechnung von Auslegung und Ausschaltvermögen für CB1 und CB2 Das Ausschaltvermögen hängt von den Kurzschlussströmen im nachgeschalteten Bereich von CB1 und CB2 ab, auf der Ebene der Niederspannungsschaltanlage. Meistens wird dieser Kurzschlusswert für den vorgeschalteten Bereich vom Stromversorgungsunternehmen geliefert. Er kann auch berechnet werden. Bestimmt werden müssen, vom betrachteten Punkt aus, die Summe R der Widerstände im nachgeschalteten Bereich und die Summe X der Reaktanzen im vorgeschalteten Bereich. Der dreiphasige Kurzschlussstrom wird folgendermaßen berechnet:

Isc 3-ph =

U

R X3 2 2+ U ist die Spannung zwischen Phasen ohne Last (Lastspannung + 3 bis 5 %). R = Σ Rvorgeschaltet und XR = Σ Xvorgeschaltet

Dieses Beispiel zeigt lediglich die allgemeine Methode, wobei die Berechnungen durch eine Reihe von Vereinfachungen verkürzt sind.

Ausführliche Informationen zur Berechnung von Kurzschlussströmen finden Sie im Cahier Technique-Dokument Nr. 158 von Schneider Electric.



Vorgeschaltetes System Ra, Xa

Quellen Rtr, Xtr

Kabelverbindung vom Quellenausgang zur

Niederspannungsschaltanlage Rc, Xc

Allgemeiner Schutzschalter Rd, Xd

Stromschienen der Niederspannungsschaltanlage

Rb, Xb

Abb. 1.35. Berechnung des Kurzschlussstroms für CB1 und CB2. Berechnet werden müssen die Widerstände und Reaktanzen im CB1 und CB2 vorgeschalteten Bereich aus Abbildung 1.34. Dem Transformator vorgeschaltetes Verteilungssystem • Psc = Kurzschlussleistung (vorgeschaltet) = 500 MVA = 500 x 106 VA • U20 = Spannung zwischen Phasen ohne Last auf der Sekundärwicklung des Transformators = 400 V, + 3 %, d. h. 410 V • Rup = Widerstand (vorgeschaltet)≈ 15 % Xup, angesichts von Xup unerheblich • Xup = Reaktanz (vorgeschaltet) bezüglich der Sekundärwicklung des Transformators

Xup =

UPsc

202

=

410500 10

2

6x = 0,288 mΩ Rup ≈ 0 und Xup = 0,33 mΩ. Transformator • Sn = scheinbare Nennleistung 630 kVA • In = Nennstrom = 630 / U 3 = 630 103 / (400 x 3 ) = 909 A • Usc = Transformator-Kurzschlussspannung = 4 % • Pcu = Kupferverluste des Transformators in VA

Rtr = Transformatorwiderstand =

PcuIn3 2

≈ 20 % Xtr, angesichts von Ztr unerheblich

Xtr ≈ Ztr = Transformatorimpedanz =

USn

x Usc202

= 4102 x 0,04 / 630 103 = 10,7 mΩ Rtr ≈ 0 und Xtr = 10,7 mΩ. Kabelverbindung vom Transformator zur Niederspannungsschaltanlage • Länge 5 m • Querschnitt 240 mm² • ρ = spezifischer Widerstand bei normaler Temperatur der Leiter Kupfer: ρ = 22,5 mΩ mm2/m, Aluminium: ρ = 36 mΩ mm2/m • Xc = Leiterreaktanz (normalerweise 0,08 mΩ/m) = 0,08 x 5 = 0,4 mΩ

Rc = Kabelwiderstand (Kupfer) = ρ

LS = 22,5 x 5 / (4 x 240) = 0,12 mΩ

Rc = 0,12 mΩ und Xc = 0,4 mΩ. Allgemeiner Schutzschalter Typische Werte Rd ≈ 0 und Xd = 0,15 mΩ.



Stromschienen • Xb = Stromschienenreaktanz (normalerweise 0,15 mΩ/m) = 0,15 x 4 = 0,6 mΩ

• Rc = Stromschienenwiderstand (Kupfer) = ρ = 22,5 x 4 / (3 x 400) = 0,075 mΩ (unerheblich)

Rb ≈ 0 und Xb = 0,6 mΩ. Kurzschlussstrom (Isc) des Transformators auf der Ebene von CB1 und CB2 • R = Gesamtwiderstand (vorgeschaltet) = 0,12 mΩ • X = Gesamtreaktanz (vorgeschaltet) = 0,33 + 10,7 + 0,4 + 0,15 + 0,6 = 12,18 mΩ R kann angesichts von X vernachlässigt werden.

Isc 3-ph =

U

R X3 2 2+ ≈

UX3 =

4103 1218 10 3x x. −

= 19,4 kA Anmerkung: Als grober Schätzwert kann der Kurzschlussstrom an den Anschlussklemmen des Transformators verwendet werden, unter der Annahme, dass die vorgeschaltete Kurzschlussleistung unendlich ist. ISCT = an den Anschlussklemmen des Transformators = In / Usc = 20 In = 20 x 909 = 18,2 kA Kurzschlussstrom (Isc) des Generators auf der Ebene von CB1 und CB2 • Scheinbare Nennleistung des Generators = 400 kVA • Nennstrom des Generators = 400 / U 3 = 400 103 / (400 x 3 ) = 577 A • X"d = Kurzschlussspannung des Generators = 10 % Die Auslösung soll bei 5 In erfolgen (siehe Abb. 1.33). ISCG = an den Anschlussklemmen des Generators = 5 In = 5 x 577 = 2,9 kA Dauerstrom von CB1 Dies ist der Strom am USV-Eingang. Die Nennleistung der USV muss mit 1,2 multipliziert werden, um den Wirkungsgrad zu berücksichtigen, d. h. 120 kVA.

IEingang = 120 / U 3 = 120 103 / (400 x 3 ) = 173 A Dauerstrom von CB2 Dies ist der Dauerstrom der Lasten über den Bypass, d. h., 54 kW bei einem Leistungsfaktor von 0,68 entsprechen der Scheinleistung S = 54 / 0,68 = 67,5 kVA.

ILast = 67,5 / U 3 = 120 103 / (400 x 3 ) = 97 A Einschaltstrom der größten Last Die Lasten müssen zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingeschaltet werden. Der höchste Einschaltstrom ist derjenige des 20 kVA-Transformators, d. h.: In = 28,8 A und 10 In = 288 A für 120 ms. Berechnung des maximalen Stroms für statische Schalter Dies ist der Kurzschlussstrom auf der Ebene von CB3, der praktisch demjenigen von CB2 entspricht.



Auswahlparameter In der nachfolgenden Tabelle werden die verschiedenen berechneten Werte zusammengefasst. Parameter Wert Kurzschlussstrom des Transformators 19,4 kA Kurzschlussstrom des Generators 2,9 kA Gleichrichterstrom (USV-Eingang) 173 A Dauerlaststrom (der USV nachgeschaltet) 97 A Einschaltstrom der größten Last 288 A für 120 ms Maximaler Strom für statische Schalter 19,4 kA

Eigenschaften von CB1 und CB2 Eigenschaft D1 D2 Ausschaltvermögen > 19,4 kA, d. h. 25 kA > 19,4 kA, d. h. 25 kA Dauerstrom > 173 A, d. h. 200 A > 97 A, d. h. 125 A Ir-Grenzwert > 173 A + 20 % > 97 A + 20 % Im-Grenzwert > 173 A + 20 % und

< 2,9 kA - 20 % > 288 A + +20 % und < 2,9 kA - 20 %

„20 %“ bedeutet hier den typischen Toleranzbereich in Einstellungen von Schutzschaltern. Eigenschaften des leistungsstärksten möglichen Schutzschalters CB3

Quellen

Schutzschalter (Eingang)

Statischer Bypass Unerhebliche Impedanz

Schutzschalter (Ausgang) Isc an CB3 ≈ Isc an CB2

Abb. 1.36. Berechnung des Kurzschlussstroms an CB3. Betrieb mit Bypass-Strom • Ausschaltvermögen Der höchste Kurzschlussstrom im CB3 nachgeschalteten Bereich entspricht praktisch demjenigen für CB2, weil angenommen wird, dass die abgehenden Stromkreise nahe an der USV liegen. Daher beträgt das Ausschaltvermögen von CB3 ebenfalls 25 kA. • Die Auslegung wird durch die größte Last bestimmt, d. h. durch die 4 x 10 kVA des Computersystems, bei folgendem Dauerstrom:

ILast = 40 / U 3 = 40 103 / (400 x 3 ) = 57 A Ein 60 A-Gerät muss ausgewählt werden. • Einstellungen




Bei den meisten Lasten handelt es sich um Verteilungskomponenten, d. h., der Ir-Grenzwert von CB3 muss kleiner sein als 97 A / 1,6 = 61 A. Der Im-Grenzwert muss kleiner sein als 1847 A / 2 = 900 A. Betrieb ohne Bypass-Strom In diesem Fall begrenzt die kurzgeschlossene USV ihren Strom auf 2,33 In für eine Sekunde. Bei USVen der Modellreihe Galaxy von Schneider Electric haben experimentelle Ergebnisse gezeigt, dass der höchste Auslegungswert von CB3 kleiner sein muss als 0,5 In, um die Entkopplung zu gewährleisten. Dies ist bei dem Schutzschalter für die Computerlasten der Fall. 60 A < 0,5 x 144 = 72 A

Kabel

Auswahl von Kabelgrößen Temperaturanstieg und Spannungsabfälle in Kabeln Der Querschnitt von Kabeln hängt von Folgendem ab: • Zulässiger Temperaturanstieg • Zulässiger Spannungsabfall Bei gegebener Last ergibt sich aus jedem dieser Parameter ein minimal zulässiger Querschnitt. Der größere der beiden Querschnitte muss verwendet werden. Beim Verlegen von Kabeln ist darauf zu achten, dass die erforderlichen Abstände zwischen Steuerkreisen und Stromkreisen eingehalten werden, um Störungen durch HF-Ströme zu vermeiden. Temperaturanstieg Der zulässige Temperaturanstieg in Kabeln wird durch die Widerstandskapazität der Kabelisolierung begrenzt. Der Temperaturanstieg in Kabeln hängt von Folgendem ab: • Art des Kerns (Cu oder Al) • Installationsverfahren • Anzahl der sich berührenden Kabel Für jeden Kabeltyp ist der maximal zulässige Strom durch Normen festgelegt. Spannungsabfälle Maximalwerte Die folgenden Spannungsabfälle sind maximal zulässig: • 3 % für Wechselstromkreise (50 oder 60 Hz) • 1 % für Gleichstromkreise Auswahltabellen In den Tabellen unten ist der Spannungsabfall für einen aus 100 m Kupferkabel bestehenden Stromkreis angegeben. Um den Spannung für einen Stromkreis der Länge L zu berechnen, müssen Sie lediglich den Wert aus der Tabelle mit L/100 multiplizieren. Wenn der Spannungsabfall 3 % in einem dreiphasigen Stromkreis bzw. 1 % in einem Gleichstromkreis überschreitet, vergrößern Sie den Querschnitt der Leiter, bis der Wert innerhalb der Toleranzen liegt. Spannungsabfall für 100 m lange Kabel • Sph: Querschnitt der Leiter • In: Nennstrom der Schutzgeräte im Stromkreis Dreiphasiger Stromkreis (Kupferleiter) 50-60 Hz, 400 V dreiphasig, cos ϕ = 0,8, ausgeglichenes 3-ph+N-System

Sph (mm2) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 In (A) 10 0,9 16 1,2 20 1,6 1,1 25 2,0 1,3 0,9 32 2,6 1,7 1,1 40 3,3 2,1 1,4 1,0 50 4,1 2,6 1,7 1,3 1,0 63 5,1 3,3 2,2 1,6 1,2 0,9 70 5,7 3,7 2,4 1,7 1,3 1,0 0,8 80 6,5 4,2 2,7 2,1 1,5 1,2 0,9 0,7 100 8,2 5,3 3,4 2,6 2,0 2,0 1,1 0,9 0,8 125 6,6 4,3 3,2 2,4 2,4 1,4 1,1 1,0 0,8 160 5,5 4,3 3,2 3,2 1,8 1,5 1,2 1,1 0,9 200 5,3 3,9 3,9 2,2 1,8 1,6 1,3 1,2 0,9 250 4,9 4,9 2,8 2,3 1,9 1,7 1,4 1,2 320 3,5 2,9 2,5 2,1 1,9 1,5 400 4,4 3,6 3,1 2,7 2,3 1,9 500 4,5 3,9 3,4 2,9 2,4 600 4,9 4,2 3,6 3,0 800 5,3 4,4 3,8 1000 6,5 4,7

Für einen dreiphasigen 230 V-Stromkreis muss das Ergebnis mit 3 multipliziert werden. Für einen einphasigen 208/230 V-Stromkreis muss das Ergebnis mit 2 multipliziert werden.


Kabel (Fortsetzung)

Gleichstromkreis (Kupferleiter) Sph (mm2) 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 In (A) 100 5,1 3,6 2,6 1,9 1,3 1,0 0,8 0,7 0,5 0,4 125 4,5 3,2 2,3 1,6 1,3 1,0 0,8 0,6 0,5 160 4,0 2,9 2,2 1,6 1,2 1,1 0,6 0,7 200 3,6 2,7 2,2 1,6 1,3 1,0 0,8 250 3,3 2,7 2,2 1,7 1,3 1,0 320 3,4 2,7 2,1 1,6 1,3 400 3,4 2,8 2,1 1,6 500 3,4 2,6 2,1 600 4,3 3,3 2,7 800 4,2 3,4 1000 5,3 4,2 1250 5,3

Sonderfall für Neutralleiter

In Dreiphasen-Systemen summieren sich die Oberschwingungen der dritten Ordnung (und deren Vielfache) von Einzelphasen-Lasten im Neutralleiter (Summe der Ströme in den drei Phasen). Aus diesem Grund wird die folgende Regel angewendet: Querschnitt Neutralleiter = 1,5 x Querschnitt Phase. Berechnungsbeispiel Ausgangspunkt ist ein 70 m langer dreiphasiger 400 V-Stromkreis mit Kupferleitern und einem Nennstrom von 600 A. Die Norm IEC 60364 enthält die minimalen Querschnitte in Abhängigkeit von Installationsverfahren und Last. Hier wird ein minimaler Querschnitt von 95 mm2 angenommen. Zuerst muss überprüft werden, ob der Spannungsabfall 3 % überschreitet. Laut der Tabelle zu dreiphasigen Stromkreisen auf der nächsten Seite beträgt für einen Strom von 600 A, der in einem Kabel mit 300 mm2 Querschnitt fließt, der Spannungsabfall 3 % auf 100 m Kabel. Für 70 m Kabel ergibt sich daraus: 3 x 70/100 = 2,1 %, weniger als der Grenzwert von 3 %. Eine solche Rechnung ist auch für einen Gleichstrom von 1000 A in einem 10 m langen Kabel mit einem Querschnitt von 240 mm² möglich. Der Spannungsabfall auf 100 m beträgt 5,3 %. Für 10 m Kabel ergibt sich daraus: 5,3 x 10/100 = 0,53 %, weniger als der Grenzwert von 1 %.

Beispiel einer Installation

Abb. 1.37. Anschluss von Kabeln.


Energiespeicherung

Speicherungstechnologien Energiespeicherung in USVen USVen erfordern ein Energiespeicherungssystem, damit der Wechselrichter versorgt werden kann, wenn der Netzstrom ausfällt oder nicht mehr innerhalb der Toleranzen liegt. Die gespeicherte Energie muss folgende Eigenschaften aufweisen: • Sofort verfügbarer Strom zum Überbrücken von Kleinstausfällen, kurzen Spannungsabfällen und Netzausfällen • Ausreichende Leistung, um die gesamte Last zu versorgen, d. h. Nennleistung entsprechend derjenigen für das USV-System selbst • Autonomiezeit, in der Regel etwa zehn Minuten, entsprechend den Anforderungen der Lasten sowie anderen verfügbaren Quellen (z. B. Motorgeneratorsatz für lange Autonomiezeiten)

Abb. 1.38. Vereinfachter Schaltplan einer USV mit Energiespeicherung. Verfügbare Technologien Zurzeit sind die folgenden unterschiedlichen Technologien verfügbar: • Batterien: - Geschlossene Bleibatterie - Belüftete Bleibatterie - Nickel-Cadmium-Batterie • Ultrakondensatoren • Schwungräder: - Herkömmliche Einheiten mit niedrigen Drehzahlen (1500 U/min), die mit Motorgeneratorsätzen kombiniert werden - Einheiten mit mittleren (7000 U/min) oder hohen (30.000 bis 100.000 U/min) Drehzahlen Vergleich der Technologien Batterien sind heutzutage bei Weitem die gängigste Lösung. Dass sie die vorherrschende Lösung sind, liegt an den niedrigen Kosten sowie der bewährten Effektivität und Speicherungskapazität. Sie haben jedoch eine Reihe von Nachteilen im Hinblick auf Größe, Wartung und Umweltverträglichkeit. Ultrakondensatoren bieten noch nicht die notwendige Leistung. Schwungräder mit hohen Drehzahlen stellen angesichts ihrer Nennleistung (40 bis 500 kW) eine mögliche Alternative für kurze Autonomiezeiten (12 Sekunden bis 1 Minute) dar. Abbildung 1.39 zeigt die Anwendungsbereiche für die verschiedenen Technologien.

Weitere Informationen finden Sie in White Paper 65: „Comparing Data Center Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors“.

Siehe White Paper 65

Abb. 1.39. Eigenschaften bezüglich Nennleistung und Autonomiezeit.


Energiespeicherung (Fortsetzung)

In der nachfolgenden Tabelle werden die unterschiedlichen Lösungen im Hinblick auf die Möglichkeit verglichen, mit ihnen die Energiespeicherungsanforderungen statischer USVen zu erfüllen.

Vergleichskriterien Technologie Geschlossene

Bleibatterien Belüftete Bleibatterien

Ni/Cd-Batterien Ultrakondensatoren

Schwungräder

Leistung ****

**** **** * ***

Autonomiezeit *** 5 Minuten bis zu mehreren Stunden

**** 5 Minuten bis zu mehreren Stunden

* 5 Minuten bis zu mehreren zig Minuten

* Ein paar Sekunden

** Ein paar zig Sekunden

Kaufpreis **** Niedrig

*** Niedrig bis mittel

** Hoch

* Im Vergleich zu Batterien 2- oder 3-mal so hohe Kosten für 10 Sekunden Autonomiezeit

* Im Vergleich zu Batterien 8-mal so hohe Kosten für 10 Sekunden Autonomiezeit

Implementierung, Installation und Anlauf Erfordert einen speziellen Raum

*** nein

** ja

* ja

**** nein

** ja

Temperatur * * ** **** *** Lebensdauer ** ** *** **** *** Stellfläche ** ** ** **** *** Wartung Häufigkeit/benötigte Zeit

*** Niedrig

** Mittel

* Hoch

**** Keine

* Lange Wartungszeiten

Ausgereiftheit der Technologie für USVen **** **** **** ** *** **** sehr gut *** gut ** mittelmäßig * schlecht Schwungräder Schneider Electric bietet auf Anfrage Energiespeicherungssysteme mit Schwungrad an. Diese Lösung eignet sich insofern als Ergänzung zu Batterien, als mit ihr kurze Störungen überbrückt werden können, ohne auf Batteriestrom zurückgreifen zu müssen, sodass die Batterie geschont wird. Eine Verwendung ohne Batterie ist möglich, jedoch nur für Autonomiezeiten von 12 Sekunden. In bestimmten Anwendungen reicht eine so kurze Autonomiezeit nicht aus, um einen Motorgeneratorsatz zu starten.

Auswahl einer Batterie Arten von Batterien Die folgenden Batterien werden in USVen am häufigsten verwendet: • Geschlossene Bleibatterien, auch Gasrekombinationsbatterien genannt • Belüftete Bleibatterien • Nickel-Cadmium-Batterien Lithium-Polymer-Batterien werden zurzeit auf ihre Eignung für USVen untersucht. Lösungen mit dieser Technologie sollten in zwei bis drei Jahren verfügbar sein.

Arten von Batterien, siehe Kap. 5, S. 32 "„Energiespeicherung – Arten von Batterien“. Für den Einsatz in Verbindung mit seinen USV-Modellreihen empfiehlt Schneider Electric geschlossene Bleibatterien. Die Auswahl einer Batterie hängt von den folgenden Faktoren ab: • Betriebsbedingungen und Anforderungen (spezieller Raum, Batterieschrank, Racks usw.) • Erforderliche Autonomiezeit • Kostenüberlegungen Autonomiezeit Schneider Electric bietet Folgendes an: • Standardmäßige Autonomiezeiten von 5, 10, 15 oder 30 Minuten • Kundenspezifische Autonomiezeiten bis zu einigen Stunden Die Auswahl hängt von Folgendem ab: • Durchschnittliche Dauer von Stromausfällen • Verfügbare Quellen mit langen Autonomiezeiten (Motorgeneratorsatz usw.) • Art der Anwendung



Die folgenden allgemeinen Regeln gelten: • Computersysteme Die Batterieautonomiezeit muss für das Speichern der Dateien und das Herunterfahren des Systems ausreichen, um ein kontrolliertes Herunterfahren des Computersystems zu gewährleisten. In der Regel ermittelt die IT-Abteilung die notwendige Autonomiezeit in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen. • Industrielle Prozesse Bei der Berechnung der Autonomiezeit müssen die Kosten berücksichtigt werden, die durch eine Unterbrechung des jeweiligen Prozesses und die für den Neustart erforderliche Zeit entstehen. • Anwendungen, die lange Autonomiezeiten erfordern Ein Motorgeneratorsatz kann bei längeren Ausfällen als Absicherung für eine Batterie dienen, sodass keine allzu großen Batterien benötigt werden. In der Regel ist die Verwendung eines Motorgeneratorsatzes ab Autonomiezeiten von über 30 Minuten bis einer Stunde praktikabel. Die Kombination muss genau untersucht werden, um die Nennleistung des Generators zu optimieren und einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten.

Kombination mit einem Motorgeneratorsatz, siehe Kap. 5, S. 35 „Motorgeneratorsatz“. Lebensdauer Schneider Electric bietet Batterien mit Lebensdauern von 5 oder 10 Jahren oder länger an.

Batterielebensdauer, siehe Kap. 5, S. 33. Vergleich zwischen Arten von Batterien Geschlossene Bleibatterien (Gasrekombination) Diese Art von Batterien wird aus den folgenden Gründen am häufigsten verwendet: • Keine Wartung • Einfache Implementierung • Installation in Räumen jeder Art (Computerräume, nicht speziell für Batterien vorgesehene Technikräume usw.) Belüftete Batterien Diese Art von Batterien (Blei oder Ni/Cd) bietet bestimmte Vorteile: • Lange Lebensdauer • Lange Autonomiezeiten • Hohe Nennleistungen Belüftete Batterien müssen in speziellen Räumen installiert werden, die genauen Vorschriften entsprechen (siehe Kap. 1, S. 51 „Vorarbeiten“), und erfordern eine angemessene Wartung. USVen von Schneider Electric verfügen über moderne Batterieüberwachungssysteme. Batterieüberwachung Batterieüberwachung für Galaxy-USVen DigiBatTM Das Batterieüberwachungssystem DigiBatTM besteht aus Hardware und Software, ist in USVen der Modellreihe Galaxy von Schneider Electric standardmäßig installiert und bietet die folgenden Funktionen: • Automatische Erfassung von Batterieparametern • Optimierte Batterielebensdauer • Schutz gegen übermäßige Entladungen • Regelung der Ladespannung der Batterie je nach Temperatur • Begrenzung des Batteriestroms • Kontinuierliche Beurteilung des verfügbaren Stroms unter Berücksichtigung von Batteriealter, Temperatur und prozentualer Last • Prognose der Batterielebensdauer • Periodische automatische Tests der Batterie, einschließlich Überprüfung des Batteriestromkreises, Test bei nicht geschlossenem Stromkreis, Teilentladungstest usw.

DigiBat, siehe Kap. 5, S. 34 „Batteriemanagement“.




Umgebungssensoreinheit Betriebsparameter und insbesondere die Temperatur haben Auswirkungen auf die Lebensdauer einer Batterie. Der Umgebungssensor, der leicht zu installieren ist und mit einer Netzwerkmanagementkarte (SNMP/Web) kombiniert wird, ermöglicht die Überwachung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie des Status zweier Kontakte über SNMP oder Web. Außerdem wird bei Bedarf eine Abschaltung der Anlage initiiert.

Erkennung und Verhinderung von Batterieausfällen für Galaxy-USVen Trotz der Vorteile, die geschlossene Bleibatterien bieten, fallen mit der Zeit alle Batterien aufgrund von Alterung aus. Ohne gründliche Überwachung bleibt die tatsächliche Integrität und Kapazität einer Batterie unbekannt. Die Batterieüberwachung hat erhebliche Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und kann genutzt werden, um die beste Strategie für den Austausch zu definieren, wodurch der Schutz verbessert wird. Schneider Electric bietet außerdem Systeme an, die Batterien kontinuierlich, Zelle für Zelle, überwachen sowie über Software- und Kommunikationsfunktionen verfügen. Diese Systeme können vom Benutzer implementiert oder in das Teleservice-Angebot integriert werden. Batterieüberwachungssystem B2000 Das B2000-System bietet eine kontinuierliche Gesamtüberwachung der Hauptbatterieparameter. Dazu gehören Spannung, Strom, Temperatur sowie Abweichungen, die während Lade- und Entladezyklen erkannt wurden. Wenn Toleranzwerte überschritten werden, gibt das System einen Alarm aus. Außerdem ist zu Datenanalysezwecken eine automatische Erfassung von geplanten und ungeplanten Entladungen verfügbar. Das Überwachungssystem kann dazu beitragen, dass mögliche Probleme erkannt werden, bevor die Batterie ausfällt, und so die Verfügbarkeit des USV-Stroms verbessern. Batterieüberwachungssystem Cellwatch Die allgemeine Batteriewartung reicht möglicherweise nicht aus, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, vor allem bei kritischen Anwendungen ohne Fehlerspielraum. Es ist möglich, dass eine Zelle zwischen periodischen Tests (die in der Regel alle drei Monate stattfinden) plötzlich ausfällt. Zellen von geschlossenen Bleibatterien mit Regelventil können nach einem periodischen Test innerhalb weniger Tage ausfallen. Ursache dafür sind die chemischen Reaktionen, die nach Lade- und Entladezyklen in der Zelle stattfinden. Diese Zyklen laufen auch dann ab, wenn das Schutzsystem nicht in Betrieb ist. Darüber hinaus kann Korrosion das gesamte Verbindungssystem der Batteriereihe schädigen, sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle. Daher ist mehr Wartungsaufwand erforderlich als das einfache Überprüfen der Spannung. Forschungsergebnisse zeigen, dass der interne Widerstand (die Impedanz) der Zelle insofern ein guter Indikator für deren Status ist, als er sowohl Schädigung als auch physikalische Probleme erkennbar macht. Das Cellwatch-Überwachungssystem nutzt dieses auf der Zellenimpedanz basierende System, um die einzelnen Zellen zu überwachen. Es ermöglicht eine zuverlässige Überwachung der Lebensdauer jeder einzelnen Zelle. Schneider Electric-Batteriemanagementsystem für SymmetraTM-USVen Das Schneider Electric-Batteriemanagementsystem, das für USVen der Symmetra-Modellreihe von Schneider Electric erhältlich ist, gewährleistet, dass Batterien immer optimal aufgeladen und betriebsbereit sind. Dieses per Browser zugängliche, rackmontierbare (1U) System kombiniert Batterieüberwachung und -prüfung mit individueller Schnellladung für Spitzen in der Batterieleistung. Durch Integration in Ihr bevorzugtes Gebäudemanagementsystem oder mithilfe eines Webbrowsers haben Sie immer den Überblick über Zustand und Status Ihrer Batterien. Dieses System ermöglicht es, Probleme mit Batterien zu lösen, bevor diese die Verfügbarkeit beeinträchtigen.

Benutzerschnittstelle und Kommunikation

Allgemeine Eigenschaften Die Benutzerschnittstelle der USV muss benutzerfreundlich, einfach zu bedienen und mehrsprachig (auf die Sprache des Benutzers einstellbar) sein. Sie besteht in der Regel aus einem Blindschaltbild, einem Status- und Bedienfeld und einer alphanumerischen Anzeige. Möglicherweise ist ein kennwortgeschütztes Personalisierungsmenü verfügbar, über das Sie Installationsparameter eingeben und auf detaillierte Informationen zugreifen können. Beispiel Normalerweise bietet die Benutzerschnittstelle die im Folgenden aufgeführten Funktionen. Ein- und Aus-Taste • Verzögert, um irrtümliche Betätigung zu vermeiden • Mit Option für Remote-Notabschaltung • Unabhängig vom Rest der Anzeige Status-LEDs, die Folgendes deutlich anzeigen: • Normalbetrieb (Last geschützt) • Betrieb in einem heruntergestuften Modus (Fehlfunktion) • Gefährliche Situationen für die Last (Last nicht geschützt), • Batteriebetrieb Alarme • Alarmsummer und Taste zum Zurücksetzen des Summers • Warnung bei Abschalten der Batterie • Sammelstörung • Batteriestörung Bildschirm für folgende Funktionen: • Zugriff auf Messwerte - Eingangsleistung (Spannung, Strom, Frequenz) - Batterie (Spannung, Lade- und Entladestrom, verbleibende Autonomiezeit, Temperatur) - Wechselrichterausgang (Sternspannung, Strom, Frequenz, Wirk- und Scheinleistung, Crest-Faktor) • Zugriff auf Verlaufsprotokolle - Protokoll enthält mit Zeitstempeln versehene Ereignisse - Kurven und Balkendiagramme der gemessenen Werte Hochverfügbarkeit für kritische Anwendungen erfordert kommunizierende Schutzgeräte Da die USV für kritische Geräte eine entscheidende Rolle spielt, muss sie über Kommunikationsfunktionen verfügen, damit Bediener unabhängig vom Standort laufend über Risiken informiert sind, die möglicherweise die Betriebssicherheit des Systems beeinträchtigen, und sofort entsprechende Maßnahmen ergreifen können. Um die Verfügbarkeit des Stroms zu gewährleisten, decken die Kommunikationsfunktionen der USV die folgenden vier wesentlichen Bereiche ab:

- Überwachung aller installierten USVen über Software Benachrichtigung über das Netzwerk und das Internet Gesteuertes Abschalten (lokal oder remote, automatisch oder manuell)

geschützter Anwendungen Teleservice über eine Modem- und Telefonverbindung zum Kundendienst

Kommunikation

Benutzerschnittstelle


Benutzerschnittstelle und Kommunikation

(Fortsetzung)

Lösungen von Schneider Electric Kommunikationskarten • Netzwerkmanagementkarte (Ethernet) - Webüberwachung - E-Mail-Benachrichtigung - SNMP MIB und -Traps - Serverschutz mit Network Shutdown-Modul - Überwachung mit Enterprise Power Manager oder ISX Central - Umgebungsüberwachung mit Environment Sensor (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Eingänge) • - Modbus – JBUS-Karte (RS232 & RS485) - Überwachung • Teleservice-Karte (Modem) - Alarme - Überwachung - Diagnose - Berichterstellung • Relaiskarte (Kontakte) - Anzeigen Verwaltungssoftware • Enterprise Power Manager und ISX Central (Software und Server) Softwarelösungen zum Verwalten aller installierten USVen über IP-Netzwerke, Web-kompatibel und über jeden Webbrowser zugänglich. • NMS-Integrationskits (Netzwerkmanagementsystem) Integration in Netzwerkmanagementsysteme wie HP OpenView, IBM Tivoli, CA Unicenter usw. • Network Shutdown-Modul - Softwaremodul für sichere USV-Abschaltung.

Abb. 1.40. Die Kommunikationskarten bieten in Kombination mit Überwachungssoftware eine Vielzahl an Funktionen.

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Vorarbeiten

Hinweise zur Installation Die folgenden Hauptelemente müssen bei der USV-Installation berücksichtigt werden: • Pläne für Veränderungen am Standort, Vorarbeiten (vor allem für einen Batterieraum), einschließlich des Folgenden: - Abmessungen der Geräte - Betriebs- und Wartungsbedingungen (Zugang, Abstände usw.) - Einzuhaltende Temperaturbedingungen - Sicherheitsaspekte - Geltende Normen und Vorschriften • Belüftung von Räumen bzw. Klimaanlagen • Schaffung eines Batterieraums Abmessungen Die Anordnung der USV-Gehäuse und Schränke muss auf genauen Plänen basieren. In Kapitel 4 sind die physischen Merkmale der USVen von Schneider Electric aufgeführt, die zum Erstellen der Pläne verwendet werden können. Für jede Modellreihe umfasst dies die folgenden Angaben: • Abmessungen und Gewicht folgender Komponenten: - USV und zentrale Bypass-Schränke - Batterieschränke - Zusätzliche Schränke (Spartransformatoren, Transformatoren, Filter usw.) • Mindestabstände für Schränke und Gehäuse, um optimale Belüftung und ausreichenden Zugang zu gewährleisten Belüftung und Klimaanlage Luftzirkulationsanforderungen USVen sind für den Betrieb innerhalb eines gegebenen Temperaturbereichs ausgelegt (0 bis 40° C für USVen von Schneider Electric), der für die meisten Betriebsbedingungen ausreicht. USVen und die dazugehörigen Geräte erzeugen Wärmeverluste, durch die sich die Temperatur eines schlecht belüfteten Raums erhöhen kann, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden. Darüber hinaus ist die Lebensdauer einer Batterie stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Bei Temperaturen zwischen 15 und 25° C ist die Lebensdauer optimal. Dieser Faktor muss berücksichtigt werden, wenn die Batterie im selben Raum installiert wird wie die USV. Außerdem muss die Tatsache berücksichtigt werden, dass USVen möglicherweise im selben Raum installiert werden wie Computerausrüstung, für die häufig strengere Anforderungen bezüglich der Betriebstemperaturbereiche gelten. Auswahl einer Belüftungsart Aus den oben aufgeführten Gründen ist ein Mindestmaß an Belüftung erforderlich, ggf. auch eine Klimaanlage, um jedes Risiko eines übermäßigen Temperaturanstiegs im Raum aufgrund der Wärmeverluste auszuschließen. Die Belüftung kann folgendermaßen erfolgen: • Natürliche Konvektion • Erzwungener Austausch über ein Belüftungssystem • Installation einer Klimaanlage Die Auswahl hängt von Folgendem ab: • Auszugleichende Wärmeverluste • Größe des Raums In Kapitel 4 sind die Wärmeeigenschaften der USVen von Schneider Electric aufgeführt, die zum Berechnen der erforderlichen Belüftung verwendet werden können. Für jede Modellreihe umfasst dies die folgenden Angaben: • Wärmeverluste für Schränke und installierte Filter • Durch ein Belüftungssystem ausgestoßenes Luftvolumen

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Vorarbeiten

IP-Schutzgrad und Geräuschpegel Schutzgrad (IP) USVen müssen in einer Umgebung betrieben werden, die mit ihrem Schutzgrad kompatibel ist (IP 20 für USVen von Schneider Electric), definiert durch die Norm IEC 60529/EN 60529. Staub, Wasser und ätzende Substanzen sind fernzuhalten. Geräuschpegel USVen müssen einen niedrigen Geräuschpegel erzeugen, angemessen für den Raum, indem sie installiert sind. Die vom Hersteller angegebenen Messbedingungen für den Geräuschpegel müssen der Norm ISO 3746 (Geräuschmessung) entsprechen.

Batterieraum Sofern dies möglich und erwünscht ist, sollten Batterien in einem Schrank installiert

werden. Die Abmessungen von Batterieschränken sind für jede USV-Modellreihe in Abhängigkeit von der Nennleistung angegeben. Bei sehr leistungsstarken USVen werden Batterien jedoch in der Regel in speziellen Räumen installiert (Elektroraum). Batterien müssen unter Einhaltung der internationalen Normen, der ortsüblichen Vorschriften und der Norm IEC 60364 installiert werden. Batterieinstallationsverfahren Das Batterieinstallationsverfahren wird durch die folgenden Kriterien bestimmt: • Verfügbarer Platz • Auf dem Boden zulässiges Gewicht (kg/m2), • Möglichkeiten für Zugang und Wartung Die folgenden drei Installationsverfahren werden verwendet. Installation der Batterie direkt auf dem Boden Dies ist die einfachste Anordnung. Angesichts der folgenden Aspekte ist jedoch ein großer Batterieraum erforderlich: • Die Batterie nimmt viel Platz in Anspruch. • Wenn die Spannung 150 V überschreitet, ist ein isolierter Bodenbelag (Brettersteg) erforderlich. Rackmontage der Batterie Die Batteriezellen werden auf verschiedenen Ebenen über dem Boden installiert. Bei der Bestimmung der Höhe zwischen den einzelnen Racks muss der Platz berücksichtigt werden, der erforderlich ist, damit problemlos die Batteriestände überprüft und die Batteriezellen aufgefüllt werden können. Die empfohlene Mindesthöhe beträgt 450 mm. Satzmontage der Batterie Dieses Installationsverfahren ähnelt dem vorangegangenen. Im Hinblick auf das Überprüfen der Batteriestände ist dies die praktischste Lösung. Merkmale des Batterieraums Unabhängig vom ausgewählten Installationsverfahren muss die Installation der Batterie die im Folgenden beschriebenen Anforderungen erfüllen. (Die Nummern stehen dabei für die Elemente in Abbildung 1.40.) Boden und Wände (1) • Der Boden muss ein Gefälle hin zu einer Ablaufmulde aufweisen, die in einen Behälter führt. • Schutzbeschichtung gegen Säure auf Boden und Wänden bis zu einer Höhe von mindestens 0,5 m. Beispiel: Asphalt für Bleibatterien, PVC oder Farben auf Chlorbasis für alkalische Batterien.

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Vorarbeiten

Belüftung (2) • Berechnung des Durchsatzes Das auszutauschende Luftvolumen hängt vom maximalen Laststrom und von der Art der Batterie ab. In Installationen mit mehreren Batterien summieren sich die auszutauschenden Luftmengen. - Belüftete Batterien d = 0,05 x N x Im. Dabei gilt: d ist der Durchsatz in Kubikmetern pro Stunde. N ist die Anzahl der Batteriezellen. Im ist der maximale Laststrom in Ampere. - Geschlossene Batterie Die Belüftung in einem universell genutzten Raum reicht aus. • Sicherheit Die Batterieaufladung muss automatisch beendet werden, wenn das Belüftungssystem ausfällt. • Position Luft muss an der Decke des Batterieraums abgesaugt werden. Anordnung der Zellen (3) Die Anordnung muss einen gleichzeitigen Kontakt mit zwei freiliegenden Teilen verhindern, die eine Spannung von mindestens 150 V darstellen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt werden kann, müssen Abschirmungen an Anschlussklemmen installiert und Verbindungen über isolierte Kabel hergestellt werden. Bodenbelag (4) Wenn die Spannung 150 V überschreitet, ist ein spezieller Bodenbelag erforderlich. Er muss einen sicheren Stand ermöglichen, vom Boden isoliert sein und einen mindestens einen Meter breiten Laufweg um die Batterie herum bieten. Batterieanschluss (5) Verbindungen müssen möglichst kurz sein. Batterieschutzschalter (6) Der Schutzschalter wird in der Regel in einem wandmontierten Gehäuse installiert. Brandschutzausrüstung (7) Zu den zulässigen Löschmitteln gehören Pulver, CO2 und Sand. Sicherheitsausrüstung (8) Die Sicherheitsausrüstung muss Schutzbrillen, Schutzhandschuhe und eine Wasserquelle umfassen. Inspektionsausrüstung (9) • Hydrometer • Füllvorrichtung • Thermometer Sensoren (10) • Wasserstoffdetektor • Temperatursensor

Abb. 1.41. Anordnung eines Batterieraum

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Hauptfaktoren bei USV-Installationen - - APC USA bezüglich der Qualität und Verfügbarkeit von elektrischem Strom haben erheblich an Bedeutung gewonnen, seit Computer und Elektronik