Overzicht van de theorie

Overzicht van de theorie
Inhoudsopgave
Voeden van gevoelige belastingen................................ 2
Soorten elektrische storingen ...............................................................2
Meest voorkomende storingen in elektrische laagspanning .................3
UPS'en.............................................................................. 4
De UPS-oplossing ................................................................................4
UPS-toepassingen ...............................................................................5
Soorten UPS'en ............................................................... 7
Statische of roterende UPS ..................................................................7
Soorten statische UPS'en .....................................................................9
UPS-componenten en werking ...................................... 16
Componenten van een UPS .................................................................16
Hoofdkenmerken van UPS-componenten ............................................19
Overzichtsdiagram voor hoofdkenmerken ............................................24
Werkingsmodi van de UPS...................................................................25
UPS-configuraties ................................................................................26
Technologie ..................................................................... 28
UPS'en zonder transformator ...............................................................28
Elektromagnetische compatibiliteit (EMC).................... 34
Elektromagnetische storingen ..............................................................34
EMC-standaarden en aanbevelingen ...................................................35
UPS-standaarden ............................................................ 36
Reikwijdte en naleving van normen ......................................................36
Belangrijkste normen waaraan UPS'en onderhevig zijn .......................36
Energieopslag ................................................................. 39
Mogelijke technologieën .......................................................................39
Batterijen ..............................................................................................39
Vliegwielen ...........................................................................................43
Combinatie UPS-/generatorset ...................................... 46
Gebruik van een generator ...................................................................46
Combinatie UPS-/generatorset.............................................................46
Belasting in overgangstoestand ................................... 48
Overzicht van inschakelstroom.............................................................48
Harmonischen ................................................................. 49
Harmonischen ......................................................................................49
Gebruikelijke harmonische waarden ....................................................51
Niet-lineaire belastingen en PWM-technologie............. 54
Prestaties voor niet-lineaire belastingen van UPS'en die PWM-gebruiken 54
Vergelijking van verschillende bronnen ................................................57
Chopping met vrije frequenties .............................................................58
PFC-gelijkrichter ............................................................. 60
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 1
Voeden van gevoelige belastingen
Soorten elektrische
storingen
Zie WP 18 
In theorie wordt elektrische apparatuur door zowel openbare als particuliere
stroomdistributiesystemen gevoed met een sinusvormige spanning met een vaste
amplitude en frequentie (bijv. 400 volt rms, 50 Hz, op laagspanningssystemen).
In werkelijkheid zijn het echter de elektriciteitsbedrijven die de mate van fluctuatie
bepalen rond de nominale waarden. In norm EN 50160 worden de normale
fluctuaties in het laagspanningsvoltage van de stroomtoevoer in Europese
distributiesystemen als volgt gedefinieerd:
• Voltage +10% tot -15% (gemiddelde rms-waarden gedurende intervallen van 10
minuten),
waarvan 95% elke week in het +10%-bereik moet liggen.
• Frequentie +4 tot 6% gedurende één jaar met ±1% gedurende 99,5% van de tijd
(synchrone verbindingen in een onderling verbonden systeem).
Afgezien van de zojuist genoemde fluctuaties, is het ook nog zo dat de sinusgolf van
de spanning in de praktijk altijd in een bepaalde mate wordt vervormd door allerlei
storingen die zich in het systeem voordoen.
 Zie White Paper WP 18 “The Seven Types of Power Problems”
Oorzaken van storingen
Netstroom
Netstroom kan door de volgende verschijnselen worden verstoord of zelfs
afgesneden:
• Atmosferische verschijnselen beïnvloeden hooggeplaatste lijnen en ondergrondse
kabels:
- bliksem kan leiden tot een plotselinge spanningspiek in het systeem,
- ijs kan zich ophopen op hooggeplaatste lijnen waardoor deze kunnen breken,
• Ongelukken:
- een tak die op een lijn valt, wat kortsluiting of een kabelbreuk tot gevolg kan
hebben,
- het doorsnijden van een kabel, bijvoorbeeld tijdens graafwerkzaamheden of andere
bouwactiviteiten,
- een storing in het netstroomsysteem,
• Onbalans van de fase,
• Het omschakelen van beveiligings- of controleapparaten in het netstroomsysteem,
voor het verlagen van de belasting of onderhoudsdoeleinden.
Gebruikersapparatuur
Sommige apparatuur kan het netstroomsysteem verstoren, zoals:
• Industriële apparatuur:
- motoren, die bij het opstarten netspanningsvallen kunnen veroorzaken door
inschakelstroom,
- apparatuur zoals vlamboogovens en lasmachines, die netspanningsvallen en
hoogfrequente interferentie kan veroorzaken,
• Vermogenselektronische apparatuur (omschakelende voeding, aandrijvingen met
variabele snelheid, elektronische ballast, enz.), die vaak harmonischen veroorzaakt,
• Faciliteiten in gebouwen zoals liften, die een piek geven in de inschakelstroom, of
tl-verlichting, die harmonischen kan voortbrengen.
Soorten storingen
Storingen die het resultaat zijn van de hierboven genoemde oorzaken worden in de
volgende tabel genoemd, overeenkomstig de definities in norm EN 50160 en ANSI
1100-1992.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 2
Voeden van gevoelige belastingen (vervolg)
Storingen
Stroomuitval
Stroomonderbrekingen
Kenmerken
Hoofdoorzaken
Belangrijkste gevolgen
Totaal ontbreken van spanning ≤
10 ms.
Atmosferische omstandigheden,
omschakelingen, storingen,
werkzaamheden aan het
netstroomsysteem.
Uitval
Totaal ontbreken van spanning
gedurende meer dan één periode:
- korte uitval: ≤ 3 minuten
(70% van de gevallen duurt korter
dan 1 s)
- langdurige uitval: > 3 minuten
Atmosferische omstandigheden,
omschakelingen, storingen,
incidenten, kabelbreuk,
werkzaamheden aan het
netstroomsysteem.
Gebrekkige werking en
gegevensverlies
(computersystemen) of
onderbroken productie
(continuprocessen).
Afhankelijk van de duur,
uitschakeling van machines en
risico's voor mensen (bijv. liften),
gegevensverlies
(computersystemen) of
onderbroken productie
(continuprocessen).
Verlaging van de rms-waarde van
spanning tot minder dan 90% van
de nominale waarde (maar meer
dan 0%), met terugkeer naar een
waarde van meer dan 90% binnen
10 ms tot 1 minuut.
Tijdelijke toename van meer dan
10% boven de nominale spanning,
gedurende 10 ms tot enkele
seconden.
Atmosferische verschijnselen,
fluctuerende belastingen,
kortsluiting in een naastgelegen
circuit.
Uitschakeling van machines,
defecten, schade aan apparatuur
en gegevensverlies.
- Kwaliteit van generatoren en
transmissiesystemen bij
elektriciteitsbedrijven.
- Interactie tussen generatoren en
fluctuerende belastingen in het
netstroomsysteem.
- Het netstroomsysteem inschakelen.
- Stoppen van belastingen met
hoog vermogen (bijv. motoren,
condensatorbanken).
Piek in verbruik, wanneer het
elektriciteitsbedrijf niet aan de
vraag kan voldoen en het voltage
moet verlagen om de stroom te
begrenzen.
- Voor computersystemen:
beschadiging van gegevens,
verwerkingsfouten, uitschakeling
van het systeem, drukspanning op
onderdelen.
- Toename van de temperatuur en
voortijdige slijtage van apparatuur.
Variaties in de spanning
Spanningsvallen
Overspanning
Onderspanning
Spanningsval gedurende enkele
minuten tot dagen.
Spanningspiek
Plotselinge, grote stijging van de
spanning (bijv. 6 kV).
Nabije bliksemschichten, statische
ontladingen.
Onbalans van de spanning
(in driefasige systemen)
Omstandigheid waarin de rmswaarde van de fasevoltages of de
onbalans tussen fases niet gelijk
is.
- Inductiefornuizen.
- Onevenwichtige enkelfasige
belastingen.
- Toename van de temperatuur.
- Uitschakeling van een fase.
Instabiliteit van de frequentie.
Meestal +5%, - 6% (gemiddelde
voor intervallen van tien
seconden).
- Regeling van generatoren.
- Afwijkende werking van
generatoren.
- Instabiele frequentiebron.
Flikkeringen in
verlichtingssystemen vanwege
een scherpe daling in spanning en
frequentie
(< 35 Hz).
Lasapparaten, motoren,
vlamboogovens,
röntgenapparaten,
laserapparatuur,
condensatorbanken.
Deze variaties overschrijden de
toleranties van bepaalde
instrumenten en
computerhardware (vaak ± 1%),
wat tot verlies of beschadiging van
gegevens kan leiden.
Fysiologische storingen.
Plotselinge, grote en zeer korte
stijging van de spanning.
Vergelijkbaar met een
spanningspiek.
Atmosferische verschijnselen
(onweer) en omschakelingen.
< 1 µs
Amplitude < 1 tot 2 kV bij
frequenties van enkele tientallen
MHz.
> 1 µs en ≤ 100 µs
Piekwaarde 8 tot 10 keer hoger dan
de nominale waarde tot enkele MHz.
Starten van kleine, inductieve
belastingen, herhaaldelijk openen
en sluiten van laagspanningsrelais
en -contactgevers.
Storingen (onweer) of
hoogspanningsomschakeling die via
elektromagnetische koppeling wordt
doorgegeven aan de laagspanning.
Stoppen van inductieve
belastingen of
Variaties in frequentie
Frequentiefluctuaties
Flikkeringen
Overige storingen
HF-overgangen
Korte duur
Gemiddelde duur
Lange duur
APC by Schneider Electric
> 100 µs
Piekwaarde 5 tot 6 keer hoger dan
Editie 01/2012
Uitschakeling van
computersystemen.
Beschadiging of verlies van
gegevens.
Toename van de temperatuur.
Voortijdige veroudering van de
apparatuur.
Verwerkingsfouten, beschadiging
van gegevens, uitschakeling van
systemen.
Schade aan computers,
elektronische kaarten.
Vernietiging van apparatuur,
versnelde slijtage, defect raken
van componenten of isolatoren.
p. 3
Voeden van gevoelige belastingen (vervolg)
de nominale waarde tot enkele
honderden MHz.
Harmonische vervorming
Elektromagnetische compatibiliteit
(EMC)
APC by Schneider Electric
Vervorming van de stroom en
spanningssinusgolven ten gevolge
van de harmonische spanningen
die door niet-lineaire belastingen
worden opgenomen. Het effect van
harmonischen boven de 25e orde
is te verwaarlozen.
Elektromagnetisch of
elektrostatisch geleide of
uitgestraalde storingen.
Het doel is te zorgen voor lage
emissies en een hoog niveau van
immuniteit.
hoogspanningsstoringen die via
elektromagnetische koppeling
worden doorgegeven aan het
laagspanningssysteem.
Elektrische machines met een
magnetische kern (motoren,
onbelaste transformatoren, enz.),
omschakelende stroomvoeding,
vlamboogovens, aandrijvingen met
variabele snelheid.
Omschakelen van elektronische
componenten (transistors,
thyristors, dioden), elektrostatische
ontladingen.
Editie 01/2012
Extra grote apparatuur,
temperatuurstijging,
resonantieverschijnselen bij
condensatoren, vernietiging van
apparatuur (transformatoren).
Defecten aan gevoelige
elektronische apparaten.
p. 4
UPS'en
De UPS-oplossing
Hedendaagse economische activiteiten worden steeds meer afhankelijk van digitale
technologieën die uitermate gevoelig zijn voor elektrische storingen.
Vele toepassingen hebben hierdoor een reservevoorraad stroom nodig om ze te
beveiligen tegen het risico van storingen in de netstroom:
• Industriële processen en bijbehorende controle-/bewakingssystemen - risico van
productieverlies,
• Vliegvelden en ziekenhuizen - risico's voor de veiligheid van mensen,
• ICT-technologie die gerelateerd is aan het internet - risico van crashen tijdens
informatieverwerking met zeer hoge downtimekosten per uur. Dit ten gevolge van
onderbrekingen in de uitwisseling van essentiële gegevens, die benodigd zijn door
wereldwijde bedrijven.
UPS'en
Een UPS (uninterruptible power system; ononderbroken voedingssysteem) wordt
gebruikt om gevoelige toepassingen gegarandeerd van stroom te voorzien.
Een UPS is een elektrisch apparaat dat tussen de netvoeding en de gevoelige
belastingen wordt geplaatst en voltage levert met:
• Hoge kwaliteit: de uitgangssinusgolf is vrij van storingen in de netvoeding en blijft
binnen strikte amplitude- en frequentietoleranties,
• Hoge beschikbaarheid: de voortdurende voorziening van spanning, binnen de
gespecificeerde toleranties, wordt gegarandeerd door een
reservestroomvoorziening. De reservevoorziening is meestal een batterij die, indien
nodig, zonder stroomonderbreking de netstroom vervangt en de reservetijd levert die
de toepassing nodig heeft.
Deze kenmerken zorgen ervoor dat UPS'en de ideale stroomvoorziening zijn voor
alle gevoelige toepassingen, omdat ze de kwaliteit en beschikbaarheid van stroom
garanderen, ongeacht de staat van de netstroom.
Componenten van een UPS
De hoofdcomponenten van een UPS worden hieronder beschreven.
Gelijkrichter/oplader
Neemt netvoeding op en produceert een gelijkstroom waarmee de inverter wordt
gevoed en de batterij (opnieuw) wordt geladen.
Inverter
Deze zorgt ervoor dat een uitgangssinusgolf met een spanning van hoge kwaliteit
volledig wordt geregenereerd:
• Zonder alle storingen van de netvoeding, vooral stroomonderbrekingen,
• Binnen toleranties die compatibel zijn met de vereisten van gevoelige
elektronische apparaten (bijv. toleranties in amplitude ± 0,5% en frequentie ± 1%,
vergeleken bij ± 10% en ± 5% bij netstroomsystemen, die corresponderen met
verbeteringsfactoren van respectievelijk 20 en 5.
Opmerking. Met de term inverter wordt soms een UPS bedoeld, terwijl dit in
werkelijkheid slechts een onderdeel van een UPS is.
Batterij
De batterij biedt voldoende reservetijd voor de bedrijfsmodus (6 minuten tot een
aantal uren) door de netstroom naar behoefte te vervangen.
Statische bypass
De statische bypass zorgt voor een overdracht zonder onderbreking van de belasting
van de inverter naar rechtstreekse netstroom en terug. Overdracht zonder
onderbreking komt tot stand via een apparaat dat SCR's (soms een statische
schakelaar genoemd) implementeert.
De statische bypass maakt het mogelijk de belasting te blijven voeden, zelfs als zich
een interne storing voordoet of tijdens onderhoud aan de gelijkrichter/oplader- en
invertermodules. Via bypass kunnen overdrachten ook de volledige stroom benutten
die stroomopwaarts beschikbaar is in het geval van overbelastingen (bijv.
kortsluiting) die de capaciteit van de UPS overschrijden.
Tijdens de modus van de statische bypass, wordt de belasting rechtstreeks via de
netstroom gevoed en is deze dus niet langer beschermd (bedrijf in gereduceerde
modus).
Onderhoudsbypass
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 5
UPS'en
Deze bypass kan worden gebruikt om de belasting rechtstreeks van netstroom te
voorzien, zonder gebruikmaking van de inverter of de statische schakelaar. De
overdracht naar de onderhoudsbypass wordt door de gebruiker geïnitieerd met
behulp van schakelaars. Door de benodigde schakelaars te activeren, worden de
statische bypass en inverter geïsoleerd voor onderhoud, terwijl de belasting in
gereduceerde modus wordt gevoed.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 6
UPS'en (vervolg)
HV system
HV/LV
transformer
Normal utility power
(disturbances and
system tolerances)
Non-sensitive loads
UPS
Rectifier/
charger
Battery
Inverter
Maintenance
bypass
Static
bypass
Reliable power
(no disturbances, within
strict tolerances
and available due to
battery backup power)
Sensitive loads
Fig. 5.1. De UPS-oplossing.
UPS-toepassingen
APC by Schneider Electric
UPS'en worden voor zeer uiteenlopende toepassingen gebruikt die stroom vereisen
die te allen tijde beschikbaar moet zijn, en niet gevoelig is voor storingen in het
netstroomsysteem. In onderstaande tabel wordt een aantal toepassingen genoemd.
Voor elke toepassing wordt de gevoeligheid voor storingen aangegeven en het type
UPS dat geschikt is voor beveiliging van de toepassing.
De toepassingen waarvoor dit installatietype benodigd is, zijn:
• Computersystemen,
• Telecommunicatie,
• Industrie en instrumenten,
• Overige toepassingen.
De vereiste UPS-typologieën worden beschreven op pagina 9, "Soorten statische
UPS'en".
Ze omvatten statische UPS'en waarin de volgende typologieën zijn
geïmplementeerd:
• Passieve stand-by,
• Interactie met het distributiesysteem,
• Dubbele conversie.
Editie 01/2012
p. 7
UPS'en (vervolg)
UPS-toepassingen
Toepassing
Beveiligde apparaten
Computersystemen
Datacenters
- Grote sleuven voor op racks
bevestigde servers
- Internet-datacenters
Bedrijfsnetwerken
- Computersets met terminals en
randapparatuur
(magneetbandeenheden, schijfstations,
enz.)
Kleine netwerken en
- Netwerken die bestaan uit pc's of
servers
werkstations, servernetwerken (WAN,
LAN)
Zelfstandige computers - pc's, werkstations
- Randapparatuur: printers, plotters,
voicemail
Telecommunicatie
Telecommunicatie
- Digitale PABX-telefooncentrales
Industrie en instrumenten
Industriële processen
- Procescontrole
- PLC's
- Numerieke controlesystemen
- Controlesystemen
- Robotbesturings-/bewakingssystemen
- Automatische machines
Medische omgeving en - Instrumentatie
laboratoria
- Scanners (60 Hz)
Industriële apparatuur
- Gereedschapswerktuigen
- Lasrobots
- Plastic-injectiepersen
- Nauwkeurig afgestemde apparaten
(textiel, papier, enz.)
- Verwarmingsapparatuur voor
fabrikanten van halfgeleiders, glas, pure
materialen
Verlichtingssystemen
- Openbare gebouwen (liften,
veiligheidsuitrusting)
- Tunnels
- Verlichting van de startbaan op
vliegvelden
Overige toepassingen
Speciale frequenties
- Frequentieconversie
- Voeding voor luchtvaartuigen (400 Hz)
*
lage gevoeligheid voor storingen.
*****
hoge gevoeligheid voor storingen.
APC by Schneider Electric
Beveiliging benodigd tegen
Stroomond Uitval
Variaties in Variaties in Overige
erbrekinge
de
frequentie
n
spanning
UPS-type
(zie p. 8)
*****
*****
*****
*****
*****
Dubbele conversie
*****
*****
*****
*****
*****
Dubbele conversie
****
****
***
***
**
Interactie met het
distributiesysteem
**
**
*
*
**
Passieve stand-by
*****
*****
*****
*****
*****
Dubbele conversie
***
*****
***
***
****
Dubbele conversie
****
*****
****
****
***
Dubbele conversie
***
****
***
***
***
Dubbele conversie
**
****
***
***
**
Dubbele conversie
Interactie met het
distributiesysteem
****
****
****
*****
***
Dubbele conversie
Editie 01/2012
p. 8
Soorten UPS'en
Statische of roterende
UPS
Zie WP 92 
Statische of roterende UPS-oplossingen
Er zijn twee soorten UPS (fig. 5.2 en details in  White Paper WP 92 - "Comparison
of Static and Rotary UPS"), die van elkaar verschillen in de wijze waarop de functie
van de UPS-inverter wordt geïmplementeerd.
Statische oplossing
Deze UPS'en maken alleen gebruik van elektronische componenten om de
inverterfunctie uit te voeren. Er wordt een "statische-inverterfunctie" verkregen.
Roterende oplossing
Deze UPS'en maken alleen gebruik van roterende machines om de inverterfunctie
uit te voeren.
Er wordt een "roterende-inverterfunctie" verkregen.
In deze UPS'en worden in feite een motor en generator gecombineerd met een zeer
versimpelde statische inverter.
De inverter filtert netvoedingsstoringen uit en regelt alleen de frequentie van zijn
uitgangsvoltage (meestal in de vorm van een "blokgolf"), die een gereguleerde
motor-/generatorset voedt. Deze set wordt soms met een vliegwiel gecombineerd.
De motor-/generatorset wekt een uitgangsvoltagesinusgolf op, waarbij de
uitgangsfrequentie van de inverter als referentie wordt genomen.
Fig. 5.2. Statische en roterende UPS'en.
Vergelijking
Roterende oplossing
De volgende argumenten worden dikwijls ten gunste van deze oplossing
aangevoerd:
• Hoge kortsluitstroom van de generator in de orde van 10 In (tien keer de nominale
spanning) die het instellen van beveiligingsapparaten eenvoudiger maakt,
• 150% overbelastingscapaciteit (van de nominale spannning) gedurende een
langere periode (twee minuten in plaats van één),
• Stroomafwaartse installatie die galvanisch is geïsoleerd van de stroomopwaartse
wisselstroombron dankzij de motor-/generatorset,
• Interne impedantie biedt hoge tolerantie voor de niet-lineaire belastingen die
veelvuldig worden aangetroffen met de door computersystemen gebruikte
omschakelende voeding.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 9
Soorten UPS'en (vervolg)
Statische oplossing
Vergeleken met de voordelen van roterende oplossingen
De statische UPS'en van APC by Schneider Electric bieden onderstaande
voordelen.
• Gebruik in stroombegrenzingsmodus (bijv. tot 2,33 In voor MGE Galaxy 5000) met
gegarandeerde selectiviteit voor circuits berekend tot In/2.
Deze voorzieningen, die in de praktijk meer dan voldoende blijken, kunnen de
nadelen van roterende systemen voorkomen:
- oververhitting van kabels,
- de effecten van een overmatige kortsluitstroom en de corresponderende
spanningsval voor gevoelige apparaten, in de tijd die door beveiligingsapparatuur
wordt gebruikt om de storing te verhelpen.
• 150% overbelastingcapaciteit (van de nominale spanning) gedurende een minuut.
De overbelastingcapaciteit van twee minuten heeft geen praktisch nut, aangezien de
meeste overbelastingen zeer kortstondig zijn (minder dan een seconde, bijv.
inschakelstroom van motoren, transformatoren en vermogenselektronica).
• Galvanische isolatie, indien vereist, door middel van een isolerende transformator.
• Dubbele-conversiemodus die de belasting volledig isoleert van netvoeding en de
uitgangsspanning regenereert met nauwkeurige afstemming van de
voltageamplitude en de frequentie.
• Zeer lage interne impedantie voor betere prestaties met niet-lineaire belastingen
door het gebruik van vermogenstransistortechnologieën.
Andere voordelen
 Statische oplossingen bieden ook nog vele andere voordelen, dankzij de
vermogenstransistortechnologie gecombineerd met een PWM
(pulsbreedtemodulatie) -choppertechniek.
• Vereenvoudigd totaalontwerp, met minder onderdelen en aansluitingen en minder
mogelijke oorzaken van storing.
• In staat om direct te reageren op fluctuaties in netstroomamplitude en -frequentie
door middel van microprocessor-omschakelregeling op basis van digitalesampletechnieken. De voltageamplitude gaat in minder dan 10 milliseconden terug
naar gereguleerde omstandigheden (± 0,5% of ± 1%, afhankelijk van het model) voor
belastingsstapwijzigingen tot 100%. Binnen de aangegeven tijdsinterval produceert
een dergelijke wijziging in de belastingsstap een variatie in de belastingsspanning
van minder dan bijvoorbeeld ± 2% voor MGE Galaxy PW en Galaxy 5000.
• Hoge, constante efficiency ongeacht de percentage belasting, wat een groot
voordeel is voor redundante UPS-eenheden met belastingen met laag percentage.
Een statische UPS-eenheid met een belasting van 50% behoudt een hoge efficiency
(94%), terwijl de efficiency van een roterende UPS naar het 88-90%-bereik daalt
(gebruikelijke waarde), wat een direct effect heeft op de bedrijfskosten.
• Redundante configuraties zorgen voor een hoge beschikbaarheid in het kader van
superbetrouwbare voedingssystemen (bijv. voor datacenters).
• Mogelijke integratie in redundante architecturen met afzonderlijke functies die het
onderhoud vergemakkelijken door onderdelen van de installatie te isoleren.
In roterende systemen zijn de UPS, de reservevoeding en de generator in één
enkele component met elkaar geïntegreerd, waardoor de functies niet kunnen
worden gescheiden.
• Geen enkelvoudige storingspunten. Roterende systemen met een ingebouwd
vliegwiel zijn afhankelijk van de capaciteit van de motor om snel te kunnen starten
(meestal in minder dan 12 seconden). Dit betekent dat de motor in perfecte conditie
moet zijn en deugdelijk moet worden onderhouden. Indien de motor niet start, is er
geen tijd om de kritische belastingen op een geordende wijze uit te schakelen.
 Overweeg ook de volgende niet onbelangrijke voordelen:
• kleinere afmetingen en lager gewicht,
• geen slijtage aan roterende onderdelen, waardoor het onderhoud eenvoudiger en
sneller is. Zo zijn voor roterende systemen controles van de uitlijning van de
roterende onderdelen vereist. Daarnaast is de vervanging van de lagers na 2 tot 6
jaar een grote operatie (apparatuur optillen, verwarmen en afkoelen van de lagers
tijdens het vervangen).
Conclusie
De hierboven beschreven voordelen verklaren waarom statische UPS'en het
populairst zijn, in het bijzonder voor toepassingen met hoog vermogen.
 In het vervolg wordt met de term uninterruptible power supply (UPS) de statische
oplossing bedoeld.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 10
Soorten UPS'en (vervolg)
Soorten statische
UPS'en
Standaarden
UPS'en
Vanwege de enorme toename van het aantal gevoelige ladingen, omvat de term
"UPS" thans apparaten die variëren van een paar honderd VA voor
desktopcomputers tot meerdere MVA voor datacenters en
telecommunicatiewebsites.
Tegelijkertijd zijn verschillende typologieën ontwikkeld. De namen waarmee de
producten op de markt worden aangeduid zijn niet altijd even duidelijk (of zelfs
misleidend) voor de eindgebruiker.
Daarom heeft de IEC (Internationale Elektrotechnische Commissie) normen in het
leven geroepen waaraan de soorten UPS'en en de technieken voor het meten van
hun prestaties onderworpen zijn. Deze criteria zijn overgenomen door Cenelec
(Europees Comité voor elektrotechnische normalisatie).
In norm IEC 62040-3 en het Europese equivalent EN 62040-3 worden drie
standaard-UPS-typen (topologieën) en hun prestatieniveau beschreven.
De UPS-technologieën omvatten:
● Passieve stand-by,
● Line-interactive,
● Dubbele conversie.
Wisselstroom-ingangsvoeding
Deze definities betreffen de stroombron voor het gebruik van de UPS, met inbegrip
van het distributiesysteem stroomopwaarts van de UPS.
In de normen worden de volgende termen gedefinieerd:
• Primaire voeding: stroom die normaal gesproken continu beschikbaar is en
geleverd wordt door een elektriciteitsbedrijf, maar die soms ook door de gebruiker
zelf wordt opgewekt,
• Stand-byvoeding: stroom die bedoeld is als vervanging van de primaire voeding
in het geval van een primaire-stroomstoring,
Een UPS beschikt over een of twee ingangen:
• Normale wisselstroomingang (of Netvoeding 1), geleverd door primaire stroom,
• Wisselstroom-bypassingang (of Netvoeding 2), geleverd door stand-byvoeding
(meestal via een afzonderlijke kabel van hetzelfde MLVS (Main Low-Voltage
Switchboard).
UPS in passieve stand-bymodus
 De UPS is parallel aan de voeding geïnstalleerd en fungeert als
reservevoeding. De batterij wordt geladen door een oplader die onafhankelijk is van
de inverter.
Werkingsprincipe
• Normale modus
- De inverter werkt in de passieve stand-bymodus.
- De belasting wordt gevoed door de netvoeding via een filter dat bepaalde storingen
elimineert en de spanning in bepaalde mate regelt.
- In de normen wordt dit filter niet vermeld; er wordt eenvoudigweg gesproken over
een "UPS-schakelaar". Er wordt ook aangegeven dat "er extra apparaten ingebouwd
kunnen zijn om de stroom te conditioneren, bijv. een ferroresonante transformator of
automatische vermogenstransformator".
• Batterijreservemodus
- Wanneer de wisselstroomspanning zich buiten de gespecificeerde toleranties
bevindt voor de UPS, of de netstroom wordt onderbroken, nemen de inverter en de
batterij het over, zodat na een zeer korte overdrachtstijd (meestal minder dan 10 ms)
een continue stroomtoevoer naar de belasting plaatsvindt. In de normen wordt geen
tijd vermeld, maar ze geven wel aan dat "de lading direct naar de inverter [wordt]
overgebracht of via de UPS-schakelaar (die elektronisch of elektromechanisch kan
zijn)".
- De UPS blijf op batterijstroom werken tot het einde van de batterijreservetijd of
totdat de netstroom weer normaal functioneert, wat een overdracht van de belasting
terug naar de wisselstroomingang oproept (normale modus).
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 11
Soorten UPS'en (vervolg)
Fig. 5.3. UPS in passieve stand-bymodus.
Voordelen
• Simpel diagram.
• Minder kosten.
Nadelen
• Geen werkelijke isolatie van de belasting ten opzichte van het stroomopwaartse
distributiesysteem.
• Overdrachttijd. Werkt zonder een echte statische schakelaar. Er is dus een
bepaalde tijd vereist om de belasting aan de inverter over te dragen. Deze tijd is
acceptabel voor bepaalde individuele toepassingen, maar niet compatibel met de
prestaties die vereist zijn voor meer verfijnde, gevoelige systemen (grote
computercentra, telefooncentrales, enz.).
• Geen regeling van de uitgangsfrequentie, die gewoon hetzelfde is als die van de
netstroom.
Gebruik
Deze configuratie is eigenlijk een compromis tussen een acceptabel
beveiligingsniveau tegen storingen en hoge kosten.
Praktisch gezien betekenen de genoemde nadelen dat dit type UPS alleen kan
worden gebruikt voor laag nominaal vermogen (< 2 kVA) en niet kan worden
ingezet als frequentieomzetter.
UPS in line-interactive modus
 De inverter is parallel verbonden met de wisselstroomingang in een standbyconfiguratie en laadt tevens de batterij op. Er vindt dus interactie plaats
(reversibele bedrijfsmodus) met de ingangsbron van wisselstroom.
Werkingsprincipe
• Normale modus
De belasting wordt gevoed met geconditioneerde stroom via een parallelle
verbinding van de wisselstroom en de inverter. Zolang de netstroom binnen de
toleranties blijft, worden fluctuaties in het ingangsvoltage door de inverter
gereguleerd. In het andere geval (reversibele bedrijfsmodus) wordt de batterij
geladen. De uitgangsfrequentie hangt af van de frequentie van de wisselstroom.
• Batterijreservemodus
- Wanneer de ingangsspanning van de wisselstroom zich buiten de gespecificeerde
toleranties bevindt voor de UPS, of de netstroom wordt onderbroken, nemen de
inverter en de batterij het over, zodat een continue stroomtoevoer naar de belasting
plaatsvindt. De stroomschakelaar (bijv. statische schakelaar) schakelt ook de
wisselstroomingang uit om te voorkomen dat stroom uit de inverter zich
stroomopwaarts beweegt.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 12
Soorten UPS'en (vervolg)
- De UPS blijf op batterijstroom werken tot het einde van de batterijreservetijd of
totdat de netstroom weer normaal functioneert, wat een overdracht van de belasting
terug naar de wisselstroomingang oproept (normale modus).
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 13
Soorten UPS'en (vervolg)
• Bbypassmodus
Deze UPS-soort kan uitgerust zijn met een bypass. Als een van de UPS-functies
uitvalt, kan de belasting worden overgedragen aan de bypass-wisselstroomingang
via de onderhoudsbypass.
Fig. 5.4. UPS in line-interactive modus.
Voordelen
• De kosten kunnen lager zijn dan die voor een UPS met dubbele conversie met
eenzelfde nominaal vermogen, omdat de inverter niet continu in bedrijf is.
Nadelen
• Geen werkelijke isolatie van de belasting ten opzichte van het stroomopwaartse
distributiesysteem en daardoor:
- gevoelig voor variaties in de netspanning en veelvuldig gebruik van de inverter,
- invloed van stroomafwaartse, niet-lineaire belastingen op de stroomopwaartse
ingangsspanning.
• Geen regeling van de uitgangsfrequentie, die gewoon hetzelfde is als die van de
netstroom.
• Matige conditionering van de uitgangsspanning, omdat de inverter niet in series
wordt geïnstalleerd met de wisselstroomingang. In de norm wordt gesproken over
"geconditioneerde stroom" gegeven de parallelle verbinding van de
wisselstroomingang en de inverter. Conditionering wordt echter beperkt door de
gevoeligheid voor stroomop- en afwaartse fluctuaties in de spanning en de
reversibele bedrijfsmodus van de inverter.
• Efficiency is afhankelijk van:
- de soort belasting. Bij niet-lineaire belastingen bevat de opgenomen spanning
harmonischen die de grondfrequentie veranderen. De harmonische spanningen
worden gevoed door de reversibele inverter die het voltage regelt en daardoor wordt
de efficiency beduidend lager.
- het percentage belasting. De stroom die vereist is voor het laden van de batterij
neemt steeds meer toe naarmate de percentage belasting vermindert.
• Vanwege het ontbreken van een statische bypass, komt er een enkelvoudig
storingspunt voor, d.w.z. bij storingen wordt de UPS uitgeschakeld.
Gebruik
Deze configuratie is niet geschikt voor regulering van gevoelige belastingen in het
middelhoge tot hoge vermogensbereik omdat regeling van frequenties niet
mogelijk is. Om deze reden wordt de configuratie nagenoeg altijd gebruikt voor laag
vermogen.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 14
Soorten UPS'en (vervolg)
UPS'en met dubbele conversie
 De inverter wordt in series tussen de wisselstroomingang en de toepassing
verbonden. De aan de belasting geleverde voeding blijft continu door de inverter
stromen.
Werkingsprincipe
• Normale modus
Tijdens normaal bedrijf passeert alle aan de belasting geleverde stroom door de
gelijkrichter/oplader en inverter die samen een dubbele conversie uitvoeren (AC-DCAC), vandaar de benaming. Het voltage wordt voortdurend geregenereerd en
geregeld.
• Batterijreservemodus
- Wanneer de ingangsspanning van de wisselstroom zich buiten de gespecificeerde
toleranties bevindt voor de UPS, of de netstroom wordt onderbroken, nemen de
inverter en de batterij het over, zodat een continue stroomtoevoer naar de belasting
plaatsvindt.
- De UPS blijf op batterijstroom werken tot het einde van de batterijreservetijd of
totdat de netstroom weer normaal functioneert, wat een overdracht van de belasting
terug naar de wisselstroomingang oproept (normale modus).
• Bypassmodus
Deze UPS-soort omvat een statische bypass (soms een statische schakelaar
genoemd) die zorgt voor een overdracht zonder onderbreking van de belasting van
de inverter naar de netstroom en terug.
In de volgende gevallen wordt de belasting overgebracht naar de statische bypass:
- UPS-storing,
- overgangen van belasting naar spanning (inschakelstroom of uitvalstroom),
- overbelastingen,
- eind van de batterijreservetijd.
De aanwezigheid van een statische bypass geeft aan dat de ingangs- en
uitgangsfrequenties gelijk zijn. Dit betekent dat de UPS niet als frequentieomzetter
kan worden gebruikt. Als de voltageniveaus niet gelijk zijn aan elkaar, is een
bypasstransformator vereist.
De UPS is gesynchroniseerd met de wisselstroomingang van de bypass voor
gegarandeerde overdrachten zonder onderbreking van de inverter naar de
bypasslijn.
Opmerking. Een andere bypassleiding, vaak de onderhoudsbypass genoemd, is
beschikbaar voor onderhoudsdoeleinden. Deze wordt met een handmatige
schakelaar gesloten.
Fig. 5.5. UPS'en met dubbele conversie.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 15
Soorten UPS'en (vervolg)
Voordelen
• Volledige regeneratie van de uitgangsstroom, ongeacht of deze afkomstig is van
de netvoeding of de batterij.
• Belasting is compleet geïsoleerd van het distributiesysteem en zijn storingen.
• Zeer ruim bereik van de ingangsspanning, maar een nauwkeurige regeling van de
uitgangsspanning.
• Onafhankelijkheid van de ingangs- en uitgangsfrequenties, waardoor de
uitgangsfrequentie binnen strenge toleranties ligt. Vermogen om als
frequentieomzetter te fungeren (indien dit is gepland), door de statische schakelaar
uit te schakelen.
• Veel hogere prestatieniveaus bij stationaire en overgangstoestanden.
• Onmiddellijke overgang naar batterijreservemodus als de netstroom uitvalt.
• Overdracht zonder onderbreking naar een bypassleiding (bypassmodus).
• Handmatige bypass (veelal standaard) ten behoeve van onderhoud.
Nadelen
• Hogere prijs, maar deze wordt gecompenseerd door de vele voordelen.
Gebruik
Deze configuratie is het meest compleet wat betreft beveiliging van de belasting,
regelmogelijkheden en prestatieniveaus. Hij zorgt met name voor onafhankelijkheid
van de uitgangsspanning en -frequentie ten opzichte van de ingangsspanning en frequentie.
De vele voordelen maken dat het nagenoeg de enige configuratie is die wordt
gebruikt voor middelhoge en hoge vermogens (vanaf 10 kVA).
Conclusie
UPS'en met dubbele conversie vertegenwoordigen het merendeel van de
systemen met middelhoog tot hoog vermogen dat wordt verkocht (95%
beginnend vanaf enkele kVA en 98% voor 10 kVA en hoger).
Dit is te danken aan de vele sterke punten waarmee ze tegemoetkomen aan de
behoeften van gevoelige belastingen op dit vermogensniveau, en grotendeels het
resultaat van de in series met de wisselstroom verbonden inverter.
Bovendien hebben ze zeer weinig zwakke punten, afgezien van de hoge kosten
die nu eenmaal verbonden zijn aan het kunnen beschikken over prestaties die vaak
onmisbaar zijn gegeven de kritische aard van de beveiligde belastingen. Een ander
zwak punt zijn de iets hogere energieverliezen (een paar procent).
In de vermogensklassen die we hier bedoelen, spelen de andere technologieën
slechts een marginale rol, ondanks dat de kosten duidelijk lager liggen.
Ze hebben de hieronder genoemde nadelen.
• Geen spanningsregeling voor UPS'en in de passieve stand-bymodus
• Geen frequentieregeling voor UPS'en in de passieve stand-bymodus en UPS'en in
line-interactivemodus.
• Matige isolatie (vaak een spanningsbeveiliging) van de wisselstroomingang door
de parallelle configuratie van de inverter.
Conclusie
 Voor de lagere vermogens (< 2 kVA) is er weinig verschil tussen de drie
standaardtechnologieën.
Welke van de drie typologieën wordt gekozen, wordt uiteindelijk bepaald door de
kosteneffectiviteit van de beveiligingsfuncties in verhouding tot de door de
belastingen gestelde eisen en de risico's (voor mensen, productie, enz.).
 Voor hogere vermogens worden bijna alleen UPS'en met dubbele conversie
gebruikt.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 16
Soorten UPS'en (vervolg)
UPS'en met delta onlineconversie
Dit UPS-ontwerp, dat wordt geïllustreerd in Figuur 5.6, is een wat recentere, 10 jaar
oude technologie die geïntroduceerd is om de nadelen van het ontwerp met dubbele
onlineconversie te ondervangen en is verkrijgbaar in formaten van 5 kVA tot 1,6 MW.
Net zoals bij het ontwerp met dubbele onlineconversie, is het bij de UPS met delta
onlineconversie altijd de inverter die de belasting voedt. De extra deltaomzetter
draagt echter ook bij aan het voeden van de inverteruitgang. Wanneer de
wisselstroom uitvalt of als er storingen zijn, vertoont dit ontwerp hetzelfde gedrag als
de modellen met dubbele onlineconversie
STATIC BYPASS
SWITCH
DELTA
TRANSFORMER
AC
AC
DC
DC
MAIN
INVERTER
DELTA
CONVERTER
BATTERY
Figuur 5.6: UPS met delta onlineconversie
Een gemakkelijke manier om inzicht te krijgen in de energie-efficiency van de
deltaconversietopologie is stil te staan bij de energie die vereist is om een pakket
van de 4e naar de 5e verdieping van een gebouw te brengen, zoals geïllustreerd in
Figuur 5.7. De deltaconversietechnologie bespaart energie doordat het pakket
alleen hoeft te worden gedragen over het verschil (de delta) tussen begin- en
eindpunt. De UPS met dubbele onlineconversie converteert de stroom naar de
batterij en weer terug, terwijl de deltaomzetter componenten van de stroom van
ingang naar uitgang verplaatst.
DOUBLE CONVERSION
4th
Floor
X
DELTA CONVERSION
5th
Floor
4th
Floor
X
5th
Floor
Figuur 5.7: Analogie van dubbele conversie versus deltaconversie
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 17
Soorten UPS'en (vervolg)
In het ontwerp met delta onlineconversie dient de deltaomzetter een dubbel doel. Het
eerste is het controleren van de ingangsstroomkenmerken. Dit actieve front-end
neemt op sinusvormige wijze stroom op, waardoor de harmonischen die in de
netvoeding zijn ontstaan, worden geminimaliseerd. Hierdoor ontstaat een optimale
compatibiliteit tussen netstroomsysteem en generator, waardoor opwarming en
slijtage in het stroomdistributiesysteem beperkt worden. De tweede functie van de
deltaomzetter is het controleren van de ingangsspanning om het laden van het
batterijsysteem te kunnen reguleren.
De UPS met delta onlineconversie biedt dezelfde uitgangskenmerken als het ontwerp
met dubbele onlineconversie. De ingangskenmerken verschillen echter dikwijls van
elkaar. Modellen met delta onlineconversie bieden dynamisch gecontroleerde, met
een vermogensfactor gecorrigeerde ingangsspanning, zonder het inefficiënte gebruik
van filters die we bij de traditionele oplossingen zien. Het belangrijkste voordeel is
een aanzienlijk lager verlies van energie. De controle van ingangsstroom maakt de
UPS compatibel met alle generatorsets, waardoor er minder behoefte is aan bedrading
en zeer grote generatoren. Technologie met delta onlineconversie is tegenwoordig de
enige UPS-coretechnologie die wordt beschermd door patenten en is daardoor maar
bij een klein aantal UPS-leveranciers verkrijgbaar.
In stationaire toestand stelt de deltaomzetter de UPS in staat de belasting op een veel
efficiëntere wijze te voeden dan het geval is bij het ontwerp met dubbele conversie.
APC by Schneider Electric
Editie 05/2012
p. 18
UPS-componenten en werking
Componenten van een UPS
De informatie die hieronder wordt gegeven betreft UPS'en met dubbele conversie,
de technologie die het meest wordt toegepast door APC by Schneider Electric voor
vermogens groter dan 10 kVA.
Algemeen diagram van een UPS
In onderstaand diagram heeft elk onderdeel een nummer dat overeenkomt met de
secties op de volgende pagina's.
Fig. 5.6. De componenten van een UPS.
Stroombronnen en UPS-ingangen
Een UPS beschikt over een of twee ingangen:
• Normale wisselstroomingang (of Netvoeding 1), geleverd door primaire voeding,
• Wisselstroom-bypassingang (of Netvoeding 2), geleverd door stand-byvoeding
(meestal via een afzonderlijke kabel van hetzelfde MLVS (Main Low-Voltage
Switchboard).
 Bronnen van wisselstroom, zie p. 9.
Aansluiting van de UPS op zowel de primaire als stand-bybron (UPS-ingangen
gevoed door twee afzonderlijke circuits van de MLVS) wordt aangeraden omdat
daardoor de betrouwbaarheid van het systeem in zijn geheel zal toenemen. Als er
echter niet twee gescheiden circuits van de MLVS beschikbaar zijn, is het mogelijk
beide wisselstroomingangen (normaal en bypass) te voorzien van primaire voeding
(tweede kabel).
Het beheer van de overdrachten tussen beide ingangsleidingen wordt als volgt
geregeld:
• De UPS synchroniseert de uitgangsspanning van de inverter met die van de
bypassleiding zolang de laatste binnen de toleranties valt. Indien nodig kan de
statische schakelaar daardoor de belasting overdragen aan de bypasswisselstroomingang, zonder onderbreking (omdat beide voltages gesynchroniseerd
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 19
UPS-componenten en werking
zijn en in fase) of storingen (omdat de stand-bystroom binnen de toleranties valt)
voor de belasting.
• Als de stand-bystroom niet binnen de toleranties valt, wordt de inverter
gedesynchroniseerd en de overdracht uitgeschakeld. Deze kan dan echter wel
handmatig worden uitgevoerd.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 20
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Componenten van een UPS
Gelijkrichter/oplader (1)
Draagt de wisselstroom over van de primaire stroombron naar gelijkstroomvoltage
en -spanning ten behoeve van:
• Het voeden van de inverter,
• Het laden en druppelladen van de batterij.
Inverter (2)
Gebruikt de gelijkstroom die is geleverd door de:
• Gelijkrichter tijdens normaal bedrijf,
• Batterij tijdens autonoom bedrijf,
de inverter regenereert een sinusvormig uitgangssignaal volledig, binnen strenge
toleranties voor amplitude en frequentie.
Batterijen (3)
Zorgen ervoor dat de UPS onafhankelijk kan zijn van de netvoeding in het geval van:
• Uitval van de netstroom,
• Netstroomeigenschappen buiten gespecificeerde toleranties voor de UPS.
Batterijreservetijden variëren standaard van 6 tot 30 minuten en kunnen op verzoek
worden uitgebreid. Afhankelijk van de duur van de reservetijd, is de batterij
ondergebracht in de kast van de UPS of in een afzonderlijke kast.
Statische bypass (4)
Met behulp van een statische schakelaar wordt de belasting van de inverter
overgedragen aan de bypass, zonder onderbreking* in de stroomtoevoer voor de
belasting (geen onderbreking omdat de overdracht wordt uitgevoerd door
elektronische in plaats van mechanische componenten). De statische schakelaar is
alleen mogelijk als de frequenties stroomopwaarts en stroomafwaarts van de UPS
identiek zijn.
De overdracht vindt automatisch plaats door een van de volgende redenen:
• Bewuste uitschakeling van de UPS,
• Een overbelasting die de begrenzingscapaciteit van de inverter overschrijdt (deze
overdracht kan worden uitgeschakeld),
• Een interne storing.
De overdracht kan ook handmatig worden uitgevoerd.
* Overdracht zonder onderbreking is mogelijk als de voltages bij de inverteruitgang en op de
bypass-wisselstroomingang gesynchroniseerd zijn. De UPS onderhoudt de synchronisatie
zolang de stand-bystroom binnen de toleranties valt.
Handmatige bypass (5)
Voor onderhoudsdoeleinden wordt de belasting via een handmatige schakelaar
overgebracht aan de bypass. Dit kan alleen mogelijk als de frequenties
stroomopwaarts en stroomafwaarts van de UPS identiek zijn.
De overgang naar de handmatige bypassmodus wordt uitgevoerd via handmatige
schakelaars.
Handmatige schakelaars (6, 7, 8)
Deze apparaten zorgen voor isolatie van de gelijkrichter/oplader en invertermodules
en/of de bypassleiding voor reparaties en onderhoud.
Stroomonderbreker van batterij (9)
De stroomonderbreker van de batterij beschermt de batterij tegen overmatige
ontlading, en de gelijkrichter/oplader en inverter tegen kortsluiting van de batterij.
Stroomopwaartse, isolerende transformator (10)
(optionele apparatuur)
Voorziet de UPS van ingangs-/uitgangsisolatie wanneer de stroomafwaartse
installatie via de bypass wordt gevoed.
Dit is met name nuttig als de stroomopwaartse en stroomafwaartse
aardingssystemen van elkaar verschillen. Kan in de MGE Galaxy PW-serie worden
geïnstalleerd in de UPS-kast.
Transformator met spanningsaanpassing (11)
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 21
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
(optionele apparatuur)
Past de spanning aan de gewenste waarde aan.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 22
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Filters (12)
(optionele apparatuur)
• Stroomopwaarts van de gelijkrichter/oplader, mits deze het op thyristors
gebaseerde Graetz-schakelingstype is (dit is het geval bij de UPS'en MGE Galaxy
PW en 9000), zorgt een harmonische filter (zie “Belangrijke factoren in UPSinstallaties” p. 24) voor beperking van de stroomharmonischen die het resultaat zijn
van het omschakelen van de gelijkrichterthyristors. Hierdoor wordt de
spanningsvervorming van de stroomopwaartse busbars beperkt die het gevolg is van
het stromen van harmonische spanningen (over het algemeen is een niveau van
<5% vereist). Bovendien zijn deze UPS'en van APC by Schneider Electric standaard
uitgerust met een zeer grote neutrale geleider als oplossing voor de gevolgen van
derde harmonischen en hun veelvouden die in de neutrale geleider stromen.
• Alle andere UPS'en uit de MGE Galaxy- en Symmetra-series zijn uitgerust met
een gelijkrichter van het PFC-type, waardoor een filter overbodig is (zie “Belangrijke
factoren in UPS-installaties” p. 24).
• Stroomafwaarts kunnen UPS'en waarbij nieuwe PWM-choppertechnieken zijn
geïmplementeerd, direct worden verbonden met niet-lineaire belastingen. Dankzij
deze techniek zijn UPS'en van APC by Schneider Electric in staat de totale
harmonische vervorming onder de 3% te houden.
Ingebouwde communicatie (13) (14)
Naast de noodzaak van een gebruikersvriendelijke human/machine-interface (HMI)
voor effectieve bewaking van UPS'en, is het tegenwoordig steeds belangrijker dat
UPS'en kunnen communiceren met hun elektrische en computeromgeving
(supervisiesystemen, BMS-systemen (building management
systems;gebouwbeheersystemen), computerbeheersystemen, enz.).
De UPS'en van APC by Schneider Electric worden ontworpen met ingebouwde
capaciteit voor een allesomvattende communicatie:
• Een gebruikersvriendelijke HMI (Human-machine interface) met een
geavanceerde grafische display en nabootsingsspaneel. De interface is opgebouwd
rond systemen voor automatische bewaking en zelfdiagnose, die doorlopend aangeven
wat de status van de verschillende UPS-componenten is, met name van de batterijen.
Voor de MGE Galaxy-serie geldt bijvoorbeeld het volgende:
- het Digibat-systeem bewaakt doorlopend de status van de batterij met alle functies
voor batterijbeheer,
- het B2000- of Cellwatch-systeem voor batterijbewaking detecteert en lokaliseert
onmiddellijk eventuele storingen in de batterij en biedt proactieve bewaking.
Voor de Symmetra-series geldt het volgende:
- Dit in een rack te bevestigen (1U) APC-batterijbeheersysteem, dat toegankelijk is
via een webbrowser, combineert batterijcontrole en -tests met afzonderlijke
snellaadmogelijkheden voor piekprestaties van de batterij.
• Een groot aantal communicatiekaarten die compatibel zijn met de
marktstandaarden:
- Netwerkbeheerkaart (Ethernet)
- Modbus – Jbus-kaart (RS232 en RS485)
- Relaiskaart (potentiaalvrije contacten) voor indicaties
- Teleservice-modemkaart
Met deze kaarten kunnen functies worden geïmplementeerd voor supervisie,
meldingen, gecontroleerd uitschakelen en Teleservice.
 Human-machine interface en communicatie: zie “Belangrijke factoren in UPSinstallaties” p. 49.
Stroomopwaartse en/of stroomafwaartse distributie- en
beveiligingsapparaten (15) (16)
(optionele apparatuur)
De UPS kan eventueel worden aangevuld met de volgende apparaten:
• Stroomopwaartse laagspannings-stroomonderbrekers voor de
wisselstroomingangen (normaal en bypass),
• Stroomopwaarts laagspanningsschakelbord met beveiliging van de
stroomonderbrekers voor de wisselstroomingangen (normaal en bypass),
• Stroomafwaarts laagspanningsschakelbord met beveiliging van de
stroomonderbrekers voor de verschillende uitgaande circuits.
APC by Schneider Electric biedt een selectie van UPS'en en beveiligingsapparaten
die perfect op elkaar zijn afgestemd wat betreft vermogen en prestaties.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 23
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Complete oplossingen
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 24
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Hoofdkenmerken van UPScomponenten
APC by Schneider Electric kan samen met Schneider Electric complete oplossingen
bieden die alle eerder genoemde componenten bevatten, met inbegrip van
airconditioning-oplossingen voor datacenters. Het voordeel voor de gebruiker is dat
hij maar met één partner te maken heeft en kan beschikken over een installatie met
optimale prestaties en betrouwbaarheid.
Deze kenmerken zijn gebaseerd op de technische hoofdspecificaties die worden
beschreven in de normen IEC 62040-3 / EN 62040-3 inzake prestatievereisten voor
UPS'en.
Bepaalde termen die hier worden gebruikt verschillen van het populaire jargon en
een aantal nieuwe functies zijn nog niet door de fabrikanten opgenomen. Nieuwe
termen of kenmerken die in de norm worden genoemd, worden tussen haakjes
geplaatst en voorafgegaan door een sterretje.
Zo wordt de titel van een sectie "ingangsspanning bij druppelladen van batterij", een
veelgebruikte term, gevolgd door (*nominale ingangsspanning), de in de norm
gebruikte term.
Een aantal numerieke waarden wordt slechts als voorbeeld gebruikt.
Ze zijn grotendeels afkomstig uit de technische kenmerken van de
corresponderende UPS'en, die te vinden zijn in hoofdstuk 4, of dienen alleen maar
als voorbeeld.
Wisselstroom-ingangsvoeding
Aantal fases en aardingssysteem
De wisselstroom-ingangsvoeding (primaire voeding) is driefasig + neutraal.
Enkelfasige ingangen worden niet gebruikt voor het stroomniveau dat we in dit
bestek behandelen.
Het aardingssysteem wordt normaal gesproken opgelegd door normen (IT, TT, TNS
of TNC).
Normale wisselstroomingang
De normale wisselstroomingang wordt binnen de gespecificeerde toleranties gevoed
met netstroom voor de gelijkrichter/oplader.
• Voorbeeld: 400 V rms ± 15% bij een frequentie van 50 of 60 Hz ± 5%, driefasig.
Bypass-wisselstroomingang
De bypass-wisselstroomingang wordt gevoed met stand-bystroom. Dit is in feite een
kabel die is aangesloten op een netvoedingslijn in een andere MLVS dan die de
normale wisselstroomingang voedt.
Over het algemeen beschikt de toegevoerde spanning over dezelfde kenmerken als
die van de primaire voeding.
• Voorbeeld: 400 V rms ± 15% bij een frequentie van 50 of 60 Hz ± 5%, en een
kortsluitstroom Isc2 = 12,5 kA. De kortsluitstroom is belangrijke informatie voor de
stroomafwaartse beveiligingsapparaten indien de statische of onderhoudsbypass
wordt gebruikt.
Toevoer van gescheiden primaire en stand-byvoeding wordt aanbevolen omdat dit
de algehele betrouwbaarheid van het systeem verbetert, maar is niet verplicht. Als er
echter niet twee gescheiden circuits van de MLVS beschikbaar zijn, is het mogelijk
beide wisselstroomingangen (normaal en bypass) te voorzien van primaire voeding
(tweede kabel).
Gelijkrichter/oplader
Druppelspanning
Dit is de spanning die door de gelijkrichter/oplader wordt toegevoerd, waardoor de
batterij volledig geladen blijft.
Hoeveel spanning wordt toegevoerd wordt bepaald door de soort batterijen die
gebruikt wordt en de aanbevelingen van de fabrikant.
ingangsspanning bij druppelladen van batterij (* nominale
ingangsspanning)
Dit is de spanning die, onder normale bedrijfsomstandigheden, vereist is om de
inverter naar zijn vermogen te voeden tijdens het druppelladen van de batterij.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 25
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
 Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA MGE Galaxy PW met een batterijreservetijd van
10 minutes, is deze spanning I ingangsspanning van de druppellading = 166 A tijdens
het druppelladen van de batterij.
Ingangsspanning tijdens laden van de batterij
Deze correspondeert met de spanning die benodigd is om de inverter naar zijn
vermogen te voeden tijdens het laden van de batterij. De spanning is dus hoger dan
de vorige spanning en wordt gebruikt om de ingangskabels van de oplader naar
grootte te rangschikken.
 Bijvoorbeeld: voor dezelfde UPS als hierboven, is de ingangsspanning I
ingangsspanning van de druppellading = 182 A, d.w.z. hoger dan hierboven omdat het
nodig is de batterij te laden.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 26
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Maximale ingangsspanning
Dit is de ingangsspanning wanneer de UPS onder de slechtst mogelijke
omstandigheden van toegestane overbelasting in bedrijf is, met een ontladen
batterij. Deze ingangsspanning is hoger dan de bovengenoemde spanning tijdens
het laden van de batterij (vanwege de overbelastingsspanning) maar is van beperkte
duur (net zoals de overbelasting).
 Bijvoorbeeld: voor dezelfde UPS als hierboven, kan de MGE Galaxy PW
gedurende tien minuten een overbelasting van 25% accepteren en gedurende één
minuut een overbelasting van 50%. In de slechtste situatie waarin de batterij wordt
geladen, kan de ingangsspanning de volgende waarde bereiken:
I ingangsmax. = 182 A x 1,25 = 227,5 A gedurende tien minuten,
I ingangsmax. = 182 A x 1,5 = 273 A gedurende één minuut.
Boven de genoemde limieten initieert de UPS een overdracht zonder onderbreking
van de belasting aan de bypassleiding. Als de overbelasting voorbij is of is opgelost
door de betreffende beveiligingsapparaten, vindt automatisch een overdracht terug
plaats.
Batterij (* middelen voor energieopslag)
Type
Welke kenmerken een batterij heeft, wordt bepaald door de soort batterij
(geventileerd of afgedicht loodzuur, of nikkel/cadmium) en hoe deze wordt
geïnstalleerd. APC by Schneider Electric suggereert in een kast geplaatste
afgedichte loodzuurbatterijen.
Levensduur
Deze wordt gedefinieerd als de gebruiksperiode, onder normale
gebruiksomstandigheden, gedurende welke de batterij ten minste 50% van de initiële
reservetijd levert.
 De MGE Galaxy PW bijvoorbeeld, wordt standaard gevoed via afgedichte
loodzuurbatterijen met een levensduur van tien jaar of langer. Deze soort batterij,
berekend op 30 minuten reservetijd, zal aan het eind van de gespecificeerde
levensduur slechts 15 minuten reservetijd leveren.
Is de batterij altijd onder optimale omstandigheden gebruikt (vooral wat betreft de
temperatuur) dan zou de reservetijd langer kunnen zijn. Wat echter contractueel is
vastgelegd, is dat er niet minder dan de gespecificeerde reservetijd wordt geleverd,
tenzij het apparaat ondeugdelijk wordt gebruikt.
Werkingsmodi
De batterij kan:
• Laden. De batterij neemt oplaadspanning op (I1 oplading) die wordt geleverd door
de gelijkrichter/oplader.
• Druppelladen. De batterij neemt een lage, zogenaamde druppelspanning (I1
druppellading) op, die geleverd wordt door de gelijkrichter/oplader. De lading wordt
behouden door compensatie van verliezen in het open circuit.
• Ontladen. De inverter wordt door de batterij gevoed totdat de
uitschakelingsspanning is bereikt.
Wanneer dit door de batterijfabrikant ingestelde voltage is bereikt, wordt de batterij
automatisch uitgeschakeld (UPS'en van APC by Schneider Electric) om schade door
overontlading te voorkomen.
Nominaal voltage
Dit is de gelijkstroomuitgangsspanning die de batterij aan de inverter levert.
 Bijvoorbeeld: 450 V gelijkstroom voor de MGE Galaxy PW-serie.
Capaciteit:
De capaciteit van de batterij wordt uitgedrukt in ampère/uur.
 Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA MGE Galaxy PW uitgerust met een batterij met
tien minuten reservetijd en een levensduur van vijf jaar, is de capaciteit 85 A/h.
Aantal cellen
Het aantal individuele batterijcellen dat de hele batterijserie vormt.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 27
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
 Bijvoorbeeld: de batterij van een 100 kVA MGE Galaxy PW omvat voor een
gegeven batterijsoort 33 cellen die per cel 13,6 V leveren, voor een reservetijd van
tien minuten.
Druppelspanning
Dit is de gelijkstroomspanning waarmee de lading van de batterij door de
gelijkrichter/oplader op peil wordt gehouden.
 Bijvoorbeeld: voor een MGE Galaxy PW ligt de druppelspanning tussen 423 en
463 V gelijkstroom.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 28
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Reservetijd (* opgeslagen energietijd)
Deze tijd, die wordt gespecificeerd aan het begin van de levensduur van de batterij,
geeft aan hoe lang de batterij de inverter kan voeden bij een belasting op volledig
vermogen als er geen wisselstroomvoeding beschikbaar is.
 Bijvoorbeeld: MGE Galaxy PW biedt standaardreservetijden van 8, 10, 15, 20, 30
en 60 minuten.
De tijd is afhankelijk van de percentage belasting van de UPS.
• Voor een UPS die in bedrijf is bij een belasting op volledig vermogen (100% van
het nominaal vermogen), is het einde van de batterijreservetijd bereikt wanneer de
spanning van de batterij gezakt is naar het door de fabrikant gespecificeerde
spanningsniveau voor uitschakeling. Hierdoor worden de UPS'en van APC by
Schneider Electric automatisch uitgeschakeld.
• Voor een UPS die actief is bij een lagere percentage belasting (bijv. 75%), is de
werkelijke reservetijd langer. Ook hier geldt echter dat de tijd voorbij is als de
uitschakelingsspanning van de batterij is bereikt.
Oplaadtijd (* nominale tijd herstelde energie)
Dit is de tijd die de batterij nodig heeft om 80% van de reservetijd te herstellen (90%
van de capaciteit), uitgaande van de uitschakelingsspanning van de batterij. De
voeding wordt via de gelijkrichter/oplader toegevoerd.
 Bijvoorbeeld: voor een MGE Galaxy 5500-UPS bedraagt de oplaadtijd acht tot tien
uur, afhankelijk van de batterij en reservetijd. De kans dat er twee keer in zo'n korte
periode een beroep wordt gedaan op de batterij om stroom te leveren, is vrij klein.
Dit betekent dat de aangegeven oplaadtijd representatief is voor de werkelijke
prestatie.
Maximale batterijspanning (lb)
Bij het ontladen voedt de batterij de inverter met een spannings-Ib die aan het eind
van de ontlading zijn maximale waarde bereikt. Deze waarde bepaalt de mate van
bescherming van de batterij en de kabelafmetingen.
 Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA MGE Galaxy 5500, is deze spanning Ib max =
257 A.
Inverter
Nominaal vermogen (Sn)
(* nominaal schijnbaar uitgangsvermogen)
Dit is het maximale schijnbare vermogen Sn (kVA) dat de inverter kan leveren aan
een lineaire belasting bij een vermogensfactor van 0,8, tijdens normaal bedrijf in
stationaire toestanden.
In de normen wordt deze parameter ook beschreven voor gebruik op batterijstroom.
In theorie is het hetzelfde als de batterij het juiste formaat heeft.
 Bijvoorbeeld: een MGE Galaxy 5500 met een nominaal vermogen (Sn) van 100
kVA.
Actief uitgangsvermogen (Pa)
(* nominaal actief uitgangsvermogen voor lineaire of niet-lineaire
referentiebelasting)
Dit is de actieve uitgangs-Pa (kW) die overeenkomt met het nominaal schijnbaar
uitgangsvermogen Sn (kVA), onder de bovengenoemde metingsomstandigheden.
Deze waarde kan ook worden aangegeven voor een gestandaardiseerde nietlineaire referentiebelasting.
 Bijvoorbeeld: de vorige UPS, een MGE Galaxy 5500 met een nominaal vermogen
van 100 kVA levert een actief vermogen van Pa = Sn x 0,8 = 80 kW.
Nominale stroom (In)
Dit is de stroom die overeenkomt met het nominale vermogen.
 Bijvoorbeeld: opnieuw voor een 100 kVA MGE Galaxy 5500-UPS en een
uitgangsspanning van 400 V, is deze stroom:
Sn
100000
In =
=
= 144.3 A
400 x 1732
,
Un 3
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 29
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Schijnbaar belastingsvermogen (Su) en percentage belasting
Dit is het schijnbaar belastingsvermogen Sn (kVA) dat feitelijk door de inverter aan
de belasting wordt geleverd onder bepaalde bedrijfsomstandigheden.
Deze waarde is een fractie van het nominale vermogen, afhankelijk van het
percentage belasting.
.Su ≤ Sn. en .Tc = Percentage belasting (%) = Su / Sn..
 Bijvoorbeeld: voor de hierboven genoemde UPS geldt dat, als de inverter 3/4 van
zijn nominale vermogen levert (75% belasting), er een schijnbaar vermogen van 75
kVA wordt geleverd, wat onder standaardbedrijfsomstandigheden (PF = 0,8)
correspondeert met een actief belastingvermogen van
Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW.
Belastingsspanning (Iu)
Dit is de spanning die correspondeert met het belastingsvermogen, dat wil zeggen,
met het betreffende percentage belasting. Deze waarde wordt berekend vanaf Pu,
net zoals de nominale spanning, waarbij de spanning het nominale vermogen Un is
(door de inverter geregelde waarde).
 Bijvoorbeeld: voor de hierboven genoemde UPS (75% belasting)
Su
75000
Iu =
=
= 108,2 A
400 x 1732
,
Un 3
wat gelijk is aan:
.Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A
Efficiency (η)
Dit is de verhouding van actief vermogen Pu (kW) geleverd door de UPS aan de
belasting van de vermogens-Pin (kW) die deze bij de ingang opneemt, via de
gelijkrichter of de batterij.
.η= Pu / Pin.
Bij de meeste UPS'en is de efficiency optimaal bij een volledige belasting, en daalt
deze scherp als het belasting percentage lager is. Vanwege hun lage
uitgangsimpedantie en onbelaste verliezen, is de efficiency van MGE Galaxy-UPS'en
nagenoeg stabiel voor belastingen van 25 tot 100%. De efficiency van de MGE
Galaxy-serie is groter dan 90% vanaf belastingen van 25% tot 93% bij volledige
belasting. Daarnaast is een ECO-modus beschikbaar die de efficiency met nog eens
4% vergroot, d.w.z. tot 97%.
In de praktijk kan voor MGE Galaxy-UPS'en een efficiencywaarde van 0,93 worden
gebruikt voor alle ingangsstroomberekeningen voor belastingen van 30 tot 100%.
 Bijvoorbeeld: voor een 100 kVA MGE Galaxy met een belasting van 75%, komt
0,93 efficiency overeen met een UPS actief ingangsvermogen van
Pin = Pu / η = 60/0,93 = 64,5 kW.
Uitgangsspanning Un
Aantal fasen
De uitgang kan driefasig (3ph-3ph UPS) of enkelfasig (3ph-1ph UPS) zijn, afhankelijk
van de situatie. Houd er rekening mee dat de stroomopwaartse en stroomafwaartse
aardingssystemen van elkaar kunnen verschillen.
Nominaal uitgangsvoltage
Dit is normaal gesproken hetzelfde als dat van de wisselstroomingang. Er kan echter
een transformator met spanningsaanpassing zijn geïnstalleerd.
Statische kenmerken
Dit zijn de toleranties (maximaal toegestane variaties) voor de amplitude en
frequentie van de uitgangsspanning in stationaire toestand. Ze zijn strenger dan de
toleranties die van toepassing zijn op netstroom en worden gemeten voor normaal
bedrijf op wisselstroom en voor bedrijf in batterijreservemodus.
• Variatie in de uitgangsspanning
De amplitudetolerantie wordt uitgedrukt als percentage van de nominale rms-waarde
en kan mogelijk worden aangepast.
 Bijvoorbeeld: voor een MGE Galaxy, kan de spanning 400 V rms ± 1% mogelijk
worden aangepast tot ± 3%.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 30
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
In de normen wordt ook een nominale piekuitgangsspanning voorgeschreven en de
tolerantie met betrekking tot de nominale waarde.
• Variatie in de uitgangsfrequentie
De tolerantie wordt uitgedrukt als percentage van de nominale frequentie.
 Bijvoorbeeld: voor een MGE Galaxy, 50 of 60 Hz ± 0,1% tijdens normaal bedrijf op
primaire voeding en ± 0,5% in batterijreservemodus.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 31
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Frequentiesynchronisatie met primaire voeding
De inverter levert een uitgangsspanning binnen bovengenoemde toleranties,
ongeacht of de stroomopwaartse voeding last heeft van storingen.
Daartoe doet de UPS het volgende:
• Bewaakt de spanningsparameters (amplitude, frequentie, fase) voor de primaire
voedingsbron om te bepalen of ze zich binnen de gespecificeerde toleranties
bevinden,
• Reageert op eventuele drift in parameters om:
- de inverter aan te passen (fase en frequentie) aan de stand-byvoeding, zolang de
drift binnen de toleranties blijft, indien nodig met het oog op de overdracht van de
belasting,
- de belasting naar batterijvoeding over te dragen zodra de drift buiten de toleranties
komt.
De nieuwe IGBT- en PWM-choppertechnieken in de UPS'en van APC by Schneider
Electric kunnen uitstekend aan deze variaties worden aangepast.
 Bijvoorbeeld: voor de MGE Galaxy-UPS'en is de maximumvariatie in frequentie
die correspondeert met de tolerantie 50 Hz x 0,5% = 0,25 Hz.
Frequentiesynchronisatie met bypasswisselstroom is mogelijk van 0,25 tot 2 Hz, in
stappen van 0,25 Hz. In de praktijk betekent dit dat de frequentievariaties kunnen
worden bewaakt bij dF/dt = 0,25 Hz/s en dat binnen 0,25 tot 1 seconde
heraanpassing plaatsvindt.
Dynamische kenmerken
Dit zijn de toleranties in overgangstoestanden van de belasting.
MGE Galaxy-UPS'en zijn bestand tegen de volgende omstandigheden.
• Onbalans van de belasting
Voor onbalans van de belastingsspanning (fase-naar-neutraal of fase-naar-fase) of:
- 30%, de variatie in de uitgangsspanning is minder dan 0,1%,
- 100% (een fase bij Pn en de andere bij 0), de uitgangsspanning varieert niet meer
dan 0,2%.
• Wijzigingen in de belastingsstap (spanningsovergangen)
Voor belastingsstappen van 0 tot 100% of van 100 tot 0% van de nominale
belasting, varieert de spanning niet meer dan:
± 2% bij netstroom;
+ 2% tot -4 % bij batterijstroom.
Overbelasting en kortsluitcapaciteit
• Overbelastingen
- 1,1 In gedurende 2 uur,
- 1,5 In gedurende 1 minuut,
zonder wijzigingen in de uitgangstoleranties.
• Kortsluitingen
Boven 1,65 In werken de inverters van de MGE Galaxy in de
stroombegrenzingsmodus tot 2,33 In gedurende 1 seconde, wat overeenkomt met:
I piekmax. = √2 x 1,65 In = 2,33 In.
Voorbij deze waarde draagt de inverter de belasting over aan stand-byvoeding of
voert een statische uitschakeling uit (functie voor zelfbescherming).
Totale vervorming van de uitgangsspanning
UPS'en moeten prestaties garanderen voor alle soorten ladingen, inclusief nietlineaire ladingen.
 Bijvoorbeeld: MGE Galaxy UPS'en begrenzen de totale harmonische vervorming
van spanning (THDU) in uitgangsstroom tot de volgende niveaus voor:
• 100% lineaire belastingen:
- THDU ph/ph < 1,5 %,
- THDU ph/N < 2%,
• 100% niet-lineaire belastingen:
- THDU ph/ph < 2 %,
- THDU ph/N < 3%.
MGE Galaxy UPS'en werken volgens de gespecificeerde kenmerken voor alle
soorten belastingen.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 32
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Overzichtsdiagram voor
hoofdkenmerken
Algemene opmerking. In de norm worden sommige van de eerder genoemde
prestatieniveaus voor uitgangsstroom gespecificeerd tijdens normaal bedrijf en
bedrijf op batterijvermogen. Ze zijn meestal identiek.
Fig. 5.7. Diagram met de hoofdkenmerken (zie onderstaande lijst).
Normale wisselstroomingang
● Voltage Un + 10% tot - 15%
● Frequentie f + 4% tot - 6%
Bypass-wisselstroomingang
● Voltage Un + 10% tot - 15%
● Frequentie f + 4% tot - 6%
● Korstsluitstroom Isc2 (weerstandscapaciteit van de statische bypass)
Gelijkrichter/oplader
● Druppelspanning
● Ingangsspanningen
- nominaal (druppelladen batterij)
- maximum (batterij laden)
Batterij
● Reservetijd: standaard 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minuten, langere duur op
verzoek)
● Levensduur: 10 jaar of langer
● Maximumspanning Ib max.
Inverter
● Schijnbaar uitgangsvermogen:
- nominaal: Sn (kVA)
- belastingsvermogen: Su (kVA) = Sn x Tc%
● UPS percentage belasting Tc% = Su / Sn
● Actief uitgangsvermogen:
- nominaal: Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8
- belastingsvermogen: Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF
● Efficiency: η Pu / Pn = 93% (97% in ECO-modus).
● Statische kenmerken (toleranties voor de uitgangsspanning in stationaire
toestanden)
- amplitude: Un ± 1% aanpasbaar tot ± 3%
- frequentie: f ± 1% tijdens normaal bedrijf, f ± 0,5% in batterijreservemodus
- uitgangsspanning van de inverter gesynchroniseerd (frequentie en fase) met die
van het stand-byvermogen zolang de laatste zich binnen de toleranties bevindt.
● Dynamische kenmerken (toleranties in overgangstoestanden)
- maximumvoltage en frequentievariaties voor wijzigingen in de belastingsstap van
0% tot 100% of 100% tot 0%: Un ± 2%, f ± 0,5%
● Vervorming van de uitgangsspanning
- 100% niet-lineaire belastingen THDU < 2%
● Overbelasting en korstsluitcapaciteit:
- overbelastingen: 1,5 In gedurende 1 minuut
- kortsluitingen: spanningsbegrenzing tot 2,33 In gedurende 1 seconde
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 33
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Belasting
● Belastingsspanning (Iu)
● Vermogensfactor PF
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 34
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Werkingsmodi van de UPS
Normale modus (op stroom van lichtnet, zie fig. 5.8 aan de linkerkant)
De UPS neemt de benodigde stroom voor zijn werking op van de netstroom via de
gelijkrichter/oplader die gelijkstroom levert.
Een gedeelte van de opgenomen netstroom wordt gebruikt om de batterij op te laden
of te druppelladen:
• I1 druppelladen, als de batterij al geheel is opgeladen,
• I1 laden als de batterij niet geheel is opgeladen (dat wil zeggen opladen na een
recente ontlading).
De resterende stroom wordt geleverd aan de inverter, die een sinusgolf in de
uitgangsspanning genereert die binnen de opgegeven toleranties voor amplitude en
frequentie valt.
In batterij-back-upmodus (op stroom van batterij, zie fig. 5.8 aan de
rechterkant)
De batterij neemt het over, vervangt de primaire stroom en levert de stroom die de
inverter nodig heeft voor de belasting, met dezelfde toleranties als in de normale
modus.
Dit gebeurt via onmiddellijke omschakeling (de batterij is in parallel aangesloten) in
het geval van:
• normale wisselstroomingangsstoring (stroomuitval van lichtnet),
• normale wisselstroomingangsstroom buiten toleranties (degradatie van spanning
van lichtnet).
Normale modus
Fig. 5.8. Normale modus en batterij-back-upmodus.
Batterij-back-upmodus.
Bypassmodus (op statische bypassleiding, zie fig. 5.9 aan de linkerkant)
Een statische schakelaar (SS) zorgt voor een ononderbroken omschakeling van de
belasting naar de bypass wisselstroomingang voor directe voeding van de belasting
door stand-byvoeding.
De omschakeling vindt automatisch plaats in het geval van:
• een overbelasting stroomafwaarts van de UPS die zijn overbelastingscapaciteit
overschrijdt,
• een interne fout in de gelijkrichter-/oplader- en invertermodules.
Omschakeling vindt altijd plaats bij interne fouten, maar is anders alleen mogelijk als
de spanning van de stand-byvoeding binnen de toleranties valt en in fase is met de
inverter.
Daarom gebeurt het volgende:
• De UPS synchroniseert de uitgangsspanning van de inverter met die van de
bypassleiding zolang de laatste binnen de toleranties valt. Omschakeling is dan
mogelijk:
- zonder onderbreking in de stroomtoevoer. Omdat de spanningen in fase zijn,
hebben de SCR's op de twee kanalen van de statische schakelaar op hetzelfde
moment nul spanning,
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 35
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
- zonder dat de belasting wordt gestoord. De belasting wordt omgeschakeld naar
een bypassleiding die binnen de toleranties valt.
• Wanneer de stand-byvoeding niet binnen de toleranties valt, desynchroniseert de
inverter en werkt hij autonoom met zijn eigen frequentie. Omschakeling is dan
uitgeschakeld.
Deze kan dan echter wel handmatig worden uitgevoerd.
Opmerking 1. Deze functie verhoogt de betrouwbaarheid aanzienlijk, gezien de zeer
kleine kans dat er tegelijkertijd een overbelasting stroomafwaarts en een
stroomstoring van de stand-byvoeding optreden.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 36
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Opmerking 2. Om een juiste werking van de bypassleiding te waarborgen, moet er
gezorgd worden voor selectiviteit tussen het beveiligingsapparaat stroomopwaarts
van de bypass wisselstroomingang (op de MLVS-uitgang) en de
beveiligingsapparaten op de uitgangscircuits van de UPS (zie informatie over
selectiviteit hieronder).Onderhoudsmodus (over onderhoudsbypass, zie
fig. 5.9 aan de rechterkant)
Onderhoud is mogelijk zonder dat de werking van de belasting wordt onderbroken.
De belasting wordt met stand-byvoeding gevoed via de onderhoudsbypass. De
omschakeling naar de onderhoudsbypass wordt uitgevoerd met behulp van
handmatige schakelaars.
De gelijkrichter/oplader, inverter en statische schakelaar worden uitgeschakeld en
van de voedingsbron geïsoleerd. De batterij wordt geïsoleerd door middel van de
beveiligingsstroomonderbreker.
Bypassmodus (statische bypass).
Onderhoudsmodus (onderhoudsbypass).
Fig. 5.9. Bypassmodus en onderhoudsmodus.
UPS-configuraties
Parallelle UPS met redundantie
Hoofdstuk twee is geheel gewijd aan een presentatie van de verschillende
configuraties. Hieronder vindt u aanvullende informatie over parallelle aansluitingen
voor redundantie.
TM
TM
Dit heeft vooral betrekking op de MGE Galaxy -UPS'en. De modulaire
TM
Symmetra -UPS'en gebruiken ook parallelle aansluiting.
 Configuraties, zie "Selectie van de UPS-configuratie"
Soorten parallelle configuraties
Er zijn twee soorten parallelle configuraties.
• Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden
Deze configuratie met upgrade-mogelijkheid kan worden gestart met behulp van één
UPS-eenheid met een geïntegreerde statische bypass en handmatige
onderhoudsbypass. Voor configuraties met meer dan twee UPS-eenheden wordt
een gedeelde onderhoudsbypass ondergebracht in een externe kast (zie fig. 5.10).
• Parallelle UPS-eenheden met een gecentraliseerde SSC (static-switch
cubicle)
De SSC bestaat uit een automatische bypass en een onderhoudsbypass die
gedeeld worden door een aantal UPS'en die niet over een bypass beschikken (zie
fig. 5.11).
Deze configuratie, die minder makkelijk te upgraden is dan de vorige vanwege het
nominale vermogen van de bypass, biedt een hogere betrouwbaarheid (SSC- en
UPS-eenheden zijn onafhankelijk van elkaar).
• Modulaire UPS'en
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 37
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
UPS'en van de SymmetraTM-serie bestaan uit toepassingsgerichte en redundante
modules (vermogen, intelligentie, batterij en bypass).
Een modulair ontwerp met insteekvoedingsmodules biedt een betere
betrouwbaarheid, met name op het gebied van onderhoudsgemak en
beschikbaarheid, alsmede de upgrade-mogelijkheden van de installatie.
Redundantie
Redundantie in parallelle configuraties kan N+1, N+2, enz. zijn.
Dit betekent dat er N UPS-eenheden nodig zijn om de belasting te voeden, maar dat
er N+1 of N+2 worden geïnstalleerd en dat zij allemaal de belasting delen.
Zie het onderstaande voorbeeld.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 38
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Voorbeeld
• We bekijken een kritieke belasting met een nominaal vermogen van 100 kVA.
• 2+1 redundantie
- 2 UPS-eenheden moeten in staat zijn de belasting volledig te voeden als de
redundantie verloren gaat.
- Elke UPS-eenheid moet daarom een nominaal vermogen hebben van 50 kVA.
- 3 UPS-eenheden delen normaliter de belasting van 100 kVA, dus elke eenheid
levert 33,3 kVA.
- De 3 UPS-eenheden werken normaliter op een belastingspercentage van 33,3 / 50
= 66,6%.
- Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden zijn elk uitgerust met een statische
bypass. De omschakeling is zo geregeld dat de drie UPS-eenheden tegelijkertijd
naar de bypass omschakelen, indien nodig.
Fig. 5.10. Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden met gedeelde onderhoudsbypass en 2+1redundantie. Werking met alle eenheden OK (redundantie beschikbaar).
• Verlies van redundantie
- Eén UPS-eenheid wordt uitgeschakeld; de resterende twee eenheden werken op
100%.
- De defecte UPS-eenheid kan worden gerepareerd dankzij de onderhoudsbypass.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 39
UPS-componenten en hun werking (vervolg)
Fig. 5.11. Geïntegreerde parallelle UPS-eenheden met gedeelde onderhoudsbypass en 2+1redundantie. Werking na verlies van redundantie.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 40
Technologie: UPS'en zonder transformators
UPS-technologie zonder
transformators
Principe
Oorspronkelijk bevatten alle UPS'en een uitgangstransformator waarmee de
uitgangsspanning werd aangepast tot de gewenste waarde, opnieuw een nulleider
werd gecreëerd en werd gezorgd voor galvanische isolatie tussen de
stroomopwaartse en stroomafwaartse voedingssystemen (Fig. 5.12).
Vandaag de dag is het dankzij de technologische vooruitgang en lagere kosten voor
IGBT-halfgeleiders mogelijk om deze transformator weg te laten (Fig. 5.13).
Bypass
AC input
Normal
AC input
UPS
Q1
Q4S
Rectifier
charger
Battery
Static
bypass
Q1
Q4S
Rectifier
charger
Battery
QF1
Bypass
AC input
Normal
AC input
UPS
QF1
Static
bypass
Manual
bypass Q3BP
Manual
bypass Q3BP
Inverter
Inverter
K3N
K3N
Q5N
Q5N
Loads
Loads
Fig. 5.12. UPS met uitgangstransformator.
Fig. 5.13. UPS'en zonder transformators.
Voordelen
Deze technologie biedt gebruikers een aantal belangrijke voordelen.
● Kleinere footprint: minder ruimte nodig zonder een transformator
● Minder gewicht: reductie in gewicht door weglaten van de transformator
● Hogere efficiency: eliminatie van verliezen door de transformator
● Spanningsregeling door signaalmodulatie voor een betere aansluiting op de
belasting. De elektronica reageren direct op de uitgangsspanning zodat de spanning
sneller en nauwkeuriger wordt geregeld.
De trend
Het gebruik van UPS'en zonder transformators begon in het begin van de jaren
negentig voor nominale vermogens tot een paar honderd kVA. Gezien de vele
voordelen worden zij nu alom gebruikt voor hogere nominale vermogens, zoals u
kunt zien in figuur 5.14. Het gemiddelde nominale vermogen met de
transformatorloze techniek is met een factor 50 verhoogd in de laatste 15 jaar.
P(kVA)
500
400
300
200
100
5
1990
years
1995
2000
2005
2010
Fig. 5.14. Gemiddelde nominale vermogens van UPS'en zonder transformators.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 41
Technologie: UPS'en zonder transformators
Galvanische isolatie
Een van de redenen die wordt opgegeven voor het gebruik van
uitgangstransformators is het verstrekken van galvanische isolatie.
Driefasige UPS'en boven een bepaald nominaal vermogen zijn echter uitgerust met
een bypass om de continuïteit van de voeding te waarborgen. De aanwezigheid van
een bypass betekent dat een UPS, met of zonder uitgangstransformator, geen
galvanische isolatie kan bieden tussen de bron en de belastingen. Daarom wordt de
UPS-technologie zonder transformator langzaam maar zeker de voorkeursoplossing
voor hogere nominale vermogens.
Dit aspect wordt hieronder besproken aan de hand van een vergelijking tussen de
twee technologieën, afhankelijk van de aangetroffen aardingssystemen.
Gebruik met
computerbelastingen
Bespreking van aardingssystemen
Aardingssystemen hebben betrekking op de aarding van:
● het sterpunt van het distributiesysteem,
● de blootgestelde delen (ECP's) van de belastingen.
deze blootgestelde geleidende delen staan altijd met elkaar in verbinding, ofwel
allemaal samen of in groepen. Elke onderling verbonden groep is aangesloten op
een aardklem door een beschermingsgeleider (PE of PEN afhankelijk van of deze is
gecombineerd met de neutrale geleider of apart is).
De standaard IEC 60364(1) gebruikt 2 letters om de verschillende aardingssystemen
aan te duiden.
● De 1e letter beschrijft de aarding van het sterpunt van de transformator:
- T: geaard,
- I: niet geaard.
● De 2e letter beschrijft de aarding van de blootgestelde geleidende delen van de
belastingsapparatuur:
- T: geaard,
- N: aangesloten op de nulleider die is geaard.
In dit geval (N) geeft een 3e letter de relatie aan tussen de nulleider (N) en
beschermingsgeleiders (PE):
- C: een enkele geleider die voor beide functies wordt gebruikt,
- S: aparte geleiders.
(1) Vervangen door de "Power Transformer Loading Guide IECI 60076-7 Ed. 1".
De standaard definieert de volgende systemen als volgt:
● IT: geïsoleerde nulleider
● TT: geaarde nulleider
● TN-C: gecombineerde beschermende aarding en neutrale geleider (PEN)
● TN-S: aparte geaarde nulleider (N) en beschermende aardingsgeleiders (PE).
Aardingssystemen voor computerruimten
Systematisch gebruik van het TN-S-systeem
Het TN-S-systeem is het aardingssysteem dat wordt aanbevolen door fabrikanten en
standaarden voor computersystemen. Dit komt omdat het enkelfasige distributie
biedt terwijl er voor een referentiepotentiaal voor de blootgestelde geleidende delen
wordt gezorgd met behulp van de beschermingsgeleider.
L1
L2
L3
N
PE
ECPs
3-ph loads
ECPs
Fasen: L1, L2, L3
Nulleider: N
Beschermingsgeleider: PE
Stroomonderbrekerspool: x
Aparte N en PE
ph-N loads
Fig. 5.15. TN-S-systeem voor computerruimten.
IT- en TT-systemen zijn niet erg geschikt voor computersystemen
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 42
Technologie: UPS'en zonder transformators
● Het IT-systeem vereist deskundige technici en geavanceerde bewaking van de
isolatie om isolatiefouten op te sporen en te corrigeren voordat een tweede fout met
een hoge onderbrekingsstroom storingen kan veroorzaken.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 43
Technologie: UPS'en zonder transformators
● Het TT-systeem is te gevoelig voor overspanning als gevolg van bliksem voor
gevoelige computerapparaten.
● Het TN-C-systeem(1) (gecombineerde geaarde nulleiding en PE-geleider) biedt
geen betrouwbare referentiepotentiaal zoals het TN-S-systeem.
Enkelfasige belastingen, vaak voorkomend in computersystemen, veroorzaken H3harmonischen en hun veelvouden van 3 (H6, H9, enz.) in de nulleiding. De
harmonischen stromen dan in de PEN-geleider waar ze het volgende kunnen
veroorzaken:
- verlies van gelijke PEN-potentiaal dat zich door de afscherming verspreidt en
gevolgen kan hebben voor de werking van computersystemen.
- hoge niet-gebalanceerde stromen in kabelwegen en de constructie van het gebouw
vanwege frequente PEN-verbindingen met de aarde. De resulterende
elektromagnetische straling in de kabelwegen kan gevoelige apparatuur verstoren.
(1)
Het TN-C-systeem kan stroomopwaarts van een TN-S-systeem worden gebruikt maar het
tegenovergestelde is niet toegestaan, omdat dit kan resulteren in stroomopwaartse
onderbreking van de beschermingsgeleider, hetgeen een veiligheidsrisico vormt voor mensen
die zich stroomafwaarts bevinden.
Aanbevelingen van computerfabrikanten: Maak opnieuw een netwerk
met een geaarde nulleider bij de ingang van de computerruimte
Computerfabrikanten raden aan om het TN-S-systeem met de geaarde nulleider zo
dicht mogelijk bij de belastingen te maken. Dit wordt meestal gedaan bij de ingang
van de computerruimte).
Gebruik van het TN-S-systeem zonder deze maatregel, dus met de geaarde
nulleider ver stroomopwaarts gemaakt, kan een potentiaalverschil veroorzaken
tussen aarde en de nulleider vanwege de stroomopwaartse distributie.
 Samengevat wordt geadviseerd een TN-S-systeem te maken bij de ingang van
de computerruimte met de nulleider op deze plek geaard zodat er 'schone' en
geschikte elektrische distributie naar het computersysteem is.
Dit wordt meestal gedaan met PDU's (Power Distribution Units) die een
ingangstransformator bevatten, zodat het mogelijk wordt om een betrouwbare
neutrale referentiepotentiaal te verkrijgen en te zorgen voor galvanische isolatie in
alle werkingsmodi van de UPS (op normale wisselstroomingang of bypass).
Bovendien worden bij deze oplossing transformators gebruikt die een zeer hoge
betrouwbaarheid bieden, beter dan die van UPS-uitgangstransformators. Deze
oplossing met een ingangstransformator wordt vaak gebruikt in de Verenigde Staten,
waar een driefasig distributiesysteem van 480 V naar de computerruimte wordt
geleid om een 480 V/208 transformator te voeden (fig. 5.16).
UPS A
UPS B
.
.
PDU A
x
Isolating
transformers
used to recreate
a TN-S system
with neutral
PDU A
x
x
x
Blade server
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 44
Technologie: UPS'en zonder transformators
Fig. 5.16. Voorbeeld van transformators die bij de PDU-ingang worden gebruikt om een TN-Sdistributiesysteem te maken met een nulleider.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 45
Technologie: UPS'en zonder transformators
Vergelijking voor
verschillende
aardingssystemen
stroomopwaarts
IT- of TT-systeem stroomopwaarts
In dit geval moet het aardingssysteem worden gewijzigd in TN-S stroomafwaarts van
de UPS. Aangezien de nulleider niet twee verschillende referenties naar aarde kan
hebben, is er galvanische isolatie vereist voor alle werkingsmodi van de UPS
(normaal of bypass).
● Voor UPS'en met een uitgangstransformator wordt meestal een transformator
toegevoegd bij de ingang naar de bypass (zie fig. 5.17).
Deze oplossing heeft twee nadelen:
- er moeten 4-polige beschermingsapparaten worden gebruikt om de nulleider aan te
leggen en te onderbreken op de bypass,
- de afstand D2 van de UPS-nulleideruitgang tot de belastingen kan de potentiaal
van de nulleider beïnvloeden omdat de isolerende transformators zich niet in de
buurt van de belastingen bevinden.
● UPS'en zonder transformators van APC by Schneider Electric kunnen op 3 fasen
werken zonder een nulleider. Hierdoor is het mogelijk om een driefasig, driedraads
distributiesysteem te gebruiken tot aan de PDU of gelijkwaardig en het TN-Ssysteem zo dicht mogelijk bij de toepassing opnieuw te maken (zie rechterkant van
fig. 5.17). Deze methode zorgt voor een 'schone' referentiepotentiaal voor de PE.
 Naast de voordelen van efficiency, kleinere footprint, lager gewicht en
spanningsovereenkomst, is de technologie zonder transformators eenvoudig en
economisch verantwoord.
Oplossing met uitgangstransformator
IT of TT stroomopwaarts - TN-S stroomafwaarts
APC by Schneider Electric
Oplossing zonder transformator
IT of TT stroomopwaarts - TN-S stroomafwaarts
Editie 01/2012
p. 46
Technologie: UPS'en zonder transformators
IT
IT
TT
TT
LVMS
LVMS
L1
L2
L3
N
L1
L2
L3
N
PE
PE
Normal AC
input
Bypass
transformer
Normal AC
input
UPS
Bypass AC
input
Q1
Bypass AC
input
UPS
Q1
Q4S
Rectifier
charger
D1
Battery
QF1
Static
bypass
Q4S
Rectifier
charger
Q3BP
Inverter
Battery
Q3BP
QF1
Static
bypass
K3N
Inverter
Output
transformer
Q5N
K3N
Fixed and clean
reference for
Neutral
Q5N
Earthing
terminal
PE
LVS
D2
PE
L1
L2
L3
N
Power Distribution Unit
transformer
LVS
L1
L2
L3
N
Fig. 5.17. IT of TT stroomopwaarts en TN-S stroomafwaarts.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 47
Technologie: UPS'en zonder transformators
(vervolg)
TN-C- of TN-S-systeem stroomopwaarts
In deze twee situaties kan op dezelfde manier worden gehandeld. Met een TN-Csysteem stroomopwaarts is het mogelijk om de nulleider en de PE stroomopwaarts
van de UPS te scheiden (door de draden te scheiden) en op die manier de situatie
met TN-S zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts te creëren. In onderstaande
diagrammen vereenvoudigt de stroomopwaartse TN-C de distributie. In Fig 5.18
wordt de enige reden voor een TN-C-systeem stroomopwaarts geïllustreerd.
Om een referentiepotentiaal te kunnen leveren, is het nodig om een 'schoon'
distributiesysteem te maken door een transformator bij de ingang van de
computerruimte te plaatsen (meestal met behulp van een PDU of iets dergelijks).
Hoe groter de afstand D1 tussen de stroomopwaartse transformator en de uitgang
van de UPS, hoe meer deze oplossing nodig is omdat de potentiaal van de nulleider
kan worden beïnvloed door de stroomopwaartse distributie
 In dit geval zijn oplossingen die UPS'en met of zonder transformators gebruiken,
identiek. De techniek zonder transformators biedt echter voordelen wat betreft
efficiency, footprint, gewicht en nauwkeurigheid van spanningsregeling.
Oplossing met uitgangstransformator
TN-C stroomopwaarts en TN-S stroomafwaarts
Oplossing zonder transformator
TN-C stroomopwaarts en TN-S stroomafwaarts
LVMS
LVMS
L1
L2
L3
N
L1
L2
L3
N
Normal AC
input
UPS
D1
UPS
Q1
Q4S
Rectifier/
charger
Battery
QF1
Normal AC
input
Bypass AC
input
D1
Bypass AC
input
Q1
Q4S
Rectifier/
charger
Battery
Static
bypass
QF1
Q3BP
Static
bypass
Q3BP
Inverter
Inverter
K3N
K3N
Q5N
Q5N
Fixed and clean
reference for
Neutral
PE
Fixed and clean
reference for
Neutral
Power Distribution Unit
transformer
LVS
PE
L1
L2
L3
N
Power Distribution Unit
transformer
LVS
L1
L2
L3
N
Fig. 5.18. TN stroomopwaarts en stroomafwaarts.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 48
Technologie: UPS'en zonder transformators
(vervolg)
Resultaten van de vergelijking
Oplossingen met een uitgangstransformator
● De transformator bij de UPS-uitgang is van een speciaal type, is duurder en heeft
meer ruimte nodig.
● Het is nodig om een transformator te plaatsen bij de bypassingang, dat wil zeggen:
de installatie vereist vierpolige apparaten en een nulleider of er moet een
uitgangstransformator worden geïnstalleerd.
● De geplaatste transformator bevindt zich niet zo dicht als mogelijk is bij de
belastingen.
Oplossingen zonder transformator
● De beperkingen die een UPS-uitgangstransformator met zich mee brengt, worden
vermeden.
● Er wordt een transformator geïnstalleerd bij de ingang van de computerruimte,
meestal in een PDU. Er zijn geen vierpolige apparaten nodig op de bypass of voor
stroomopwaartse distributie van de nulleider.
Er moet wel een transformator worden geplaatst, maar er zijn voordelen wat betreft:
● kosten voor de UPS, dat wil zeggen geen speciale uitgangstransformator en geen
vierpolige apparaten en nulleider op de bypassleiding,
● kleinere footprint en lager gewicht,
● betere uitgangsregeling voor snelle belastingswisselingen.
 Gezien de vele voordelen wordt de technologie zonder transformator in snel
tempo de voorkeursoplossing voor UPS'en.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 49
Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
Elektromagnetische
storingen
Elektromagnetische storingen
In alle elektromagnetische storingen zijn drie elementen betrokken.
Een bron
Een natuurlijke bron (de atmosfeer, de aarde, zon, enz.) of, vaker voorkomend, een
industriële bron (elektrische en elektronische apparaten).
De bron creëert storingen door plotselinge (puls)variaties in elektrische waarden
(spanning of stroom), zoals gedefinieerd door:
• een golfvorm,
• een golfamplitude (piekwaarde),
• een spectrum van frequenties,
• een energieniveau.
Een koppelingsmodus
Koppelingen maken transmissie van storingen mogelijk en kunnen:
• capacitief zijn (of galvanisch), bijvoorbeeld via transformatorwikkelingen,
• inductief zijn, door straling van een magnetisch veld,
• geleid zijn, door een gedeelde impedantie, via een aardverbinding.
Een object
Dit is een willekeurig apparaat dat gestoord kan worden en dat een gestoorde
werking heeft door de aanwezigheid van de storingen.
Voorbeelden
Bronnen
In laagspannige installaties zijn bronnen bijvoorbeeld plotseling variërende stromen
ten gevolge van:
• storingen of kortsluitingen,
• elektronische schakelaars,
• harmonischen van hoge volgorde,
• defecten vanwege bliksem of transformators.
Frequenties kunnen laag zijn (< 1 MHz) voor vermogensfrequenties en hun
harmonischen of hoog (> 1 MHz) voor bliksem.
Koppeling
• Capacitief: transmissie van een bliksemgolf via een transformator.
• Inductief: straling van een magnetisch veld dat gecreëerd is door een van de
hierboven genoemde stromen. Straling creëert een geïnduceerde elektromotorische
kracht, dat wil zeggen een geïnduceerde storingsstroom, in de lussen van geleiders
die bestaan uit de kabels die apparaten voeden en de aardgeleiders van de
apparaten.
Ter illustratie, een straling van 0,7 A/m kan een videomonitor storen.
Dat komt overeen met het veld dat 2,2 m rondom een geleider die een stroom draagt
van 10 A, wordt gecreëerd.
• Geleid (gedeelde impedantie): verhoging in de potentiaal van een aardverbinding.
EMC-standaarden en
aanbevelingen
Storingen
Ruis, immuniteit, vatbaarheid
Een elektrisch apparaat wordt in een omgeving geïnstalleerd die meer of minder
gestoord kan worden door elektromagnetische factoren. Dit moet worden gezien als
zowel een bron als een mogelijk object van elektromagnetische storingen.
Afhankelijk van het standpunt dat men inneemt, kan men spreken van:
• het ruisniveau voor een bron,
• het compatibiliteitsniveau voor een omgeving,
• de immuniteits- en vatbaarheidsniveaus voor een object.
Deze begrippen worden besproken op de volgende pagina in de sectie over
storingsniveaus die door de standaarden zijn gedefinieerd.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 50
Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
(vervolg)
Storingsniveaus
Standaard IEC 6100-2-4 definieert een aantal storingsniveaus voor EMC:
• Niveau 0: geen storing,
• Ruisniveau: maximale niveau dat is toegestaan voor een gebruiker op netstroom
of voor een apparaat,
• Compatibiliteitsniveau: maximale storingsniveau dat in een bepaalde omgeving
wordt verwacht,
• Immuniteitsniveau: niveau van storing dat een apparaat kan weerstaan,
• Vatbaarheidsniveau: niveau vanaf wanneer een apparaat of systeem defecte
werking vertoont.
Daarom moet voor toestellen en apparaten die gezien worden als:
• Bronnen, limieten (ruisniveaus) worden vastgesteld voor storingen die worden
veroorzaakt door apparaten, om te voorkomen dat compatibiliteitsniveaus worden
bereikt,
• Objecten, er voor gezorgd worden dat deze ook storingsniveaus kunnen
weerstaan die hoger zijn dan de compatibiliteitsniveaus, indien deze worden
overschreden, wat toelaatbaar is als dit af en toe gebeurt. Deze hogere niveaus zijn
de immuniteitsniveaus.
Deze niveaus worden vastgesteld door EMC-standaarden.
 Lijst van EMC-standaarden, zie de sectie op pagina 34 over EMC-standaarden.
Fig. 5.19 EMC-storingsniveaus voor storende/gestoorde apparaten.
Gemeten waarden
Apparaten worden aan tests onderworpen.
Er worden vijf hoofdwaarden gemeten:
• CE - conducted emissions (geleide ruis),
• RE - radiated emissions (stralingsruis),
• ESD - electrostatic discharges (elektrostatische ontladingen),
• CS - conducted susceptibility (geleide vatbaarheid),
• RS - radiated susceptibility (stralingsvatbaarheid).
Voor de tests zijn ingewikkelde middelen nodig, namelijk een Kooi van Faraday voor
geleide ruis en vatbaarheid en een anechoïsche kamer voor stralingsruis.
APC by Schneider Electric beschikt over gecertificeerde anechoïsche testkamers.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 51
Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
(vervolg)
Fig. 5.20 Vijf belangrijke meetwaarden.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 52
UPS-standaarden
Bereik en naleving van
standaarden
Bereik van standaarden
Standaarden hebben betrekking op de volgende aspecten:
• Ontwerp van de UPS,
• Veiligheid van personen,
• Prestatieniveaus,
• Elektrische omgeving (met name harmonische storingen en EMC),
• Milieu.
Standaarden met betrekking tot UPS'en zijn veel nauwkeuriger geworden, vooral na
de totstandkoming van de Europese EN-standaarden en hun harmonisatie met een
deel van de eerder geldende IEC-standaarden.
Naleving van standaarden en certificering
Dankzij de naleving van standaarden kunnen de betrouwbaarheid en kwaliteit van
een UPS worden gegarandeerd, alsmede de compatibiliteit met de belastingen die
worden gevoed en met de technische omgeving en mens en milieu.
De verklaring van conformiteit met standaarden door een fabrikant is op zichzelf niet
een voldoende bewijs van kwaliteit. Alleen certificering door erkende organisaties is
een ware garantie van conformiteit.
Daarom zijn de prestatieniveaus van UPS'en van APC by Schneider Electric met
betrekking tot standaarden gecertificeerd door organisaties zoals TÜV en Veritas.
CE-markering
CE-markering is tot stand gekomen door middel van Europese wetgeving.
Het is verplicht voor vrij verkeer van goederen in de EU.
Het doel is te garanderen, middels inachtneming van de overeenkomstige Europese
richtlijnen:
• dat het product geen gevaar oplevert (Laagspanningsrichtlijn),
• dat het geen vervuiling veroorzaakt (Milieurichtlijn) en zijn elektromagnetische
compatibiliteit (EMC-richtlijn).
Voordat de CE-markering op een product geplaatst kan worden, moet de fabrikant
controles en tests uitvoeren of laten uitvoeren die conformiteit van het product met
de vereisten in de geldende richtlijn(en) garanderen.
Het is GEEN certificeringsstandaard of bewijs van conformiteit.
Het betekent niet dat het product voldoet aan nationale of internationale
standaarden.
Het is geen certificering zoals gedefinieerd door Franse wetgeving (wet van 3 juni
1994).
Bovendien wordt de CE-markering op een product geplaatst onder de exclusieve
verantwoordelijkheid van de fabrikant of de importeur. Het betekent niet dat er een
inspectie door een gecertificeerde externe organisatie heeft plaatsgevonden.
 Niet alle etiketten hebben dezelfde betekenis voor fabrikanten.
Conformiteit met standaarden en opgegeven prestatieniveaus moeten gecertificeerd
kunnen worden door een organisatie. Dit is niet het geval voor de CE-markering, die
zelfcertificering toestaat.
Belangrijkste standaarden
met betrekking tot UPS'en
UPS'en van APC by Schneider Electric voldoen (gecertificeerd door TÜV en Veritas)
aan de belangrijkste internationale standaarden.
Veiligheid
• IEC 60950-1 / EN 60950-1
Apparatuur voor informatietechnologie - Veiligheid - Deel: Algemene vereisten
• IEC 62040-1 / EN 62040-1
Uninterruptible power systems (UPS) - Algemene en veiligheidsgerelateerde
vereisten voor UPS.
• IEC 62040-3 / EN 1000-3
Uninterruptible power systems (UPS) - Methode voor het specificeren van test- en
prestatievereisten.
• IEC 60439
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 53
UPS-standaarden
Laagspanningsschakel- en verdeelinrichtingen.
• Laagspanningsrichtlijn: 2006/95/EC
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 54
UPS-standaarden (vervolg)
Elektrische omgeving, harmonischen en
elektromagnetische compatibiliteit (EMC)
Harmonischen
• IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2
Compatibiliteitsniveau voor laagfrequente geleide storingen en signaaloverdracht in
openbare laagspanningsnetten.
(zie Tabel 5-A op de volgende pagina)
• IEC 61000-3-2 / EN 61000-3-2
Limietwaarden voor de emissie van harmonische stromen (ingangsstroom van de
toestellen ≤ 16 A/f).
• IEC 61000-3-4 / EN 61000-3-4
Limietwaarden voor de emissie van harmonische stromen (ingangsstroom van de
toestellen > 16 A/f).
• IEC 61000-3-5 / EN 61000-3-5
Limietwaarden voor spanningswisselingen en flikkering.
• EN 50160
Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten.
(zie Tabel 5-B op de volgende pagina).
• IEEE 519
Aanbevolen praktijken en vereisten voor controle van harmonischen in elektrische
voedingssystemen.
EMC
• EN 50091-2
UPS - EMC.
• IEC 62040-2 / EN 62040-2
Uninterruptible power systems (UPS) - Vereisten voor elektromagnetische
compatibiliteit (EMC).
• EMC-richtlijn 2004/108/EC
Voor apparatuur die elektromagnetische storingen kan veroorzaken of daardoor kan
worden beïnvloed.
Kwaliteit
• Ontwerp, productie en onderhoud conform standaard ISO 9001 kwaliteitsorganisatie.
Milieu
• Fabricage conform standaard ISO 14001.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 55
UPS-standaarden (vervolg)
Akoestische ruis
• ISO 3746
Vermogensniveaus van geluid.
• ISO 7779 / EN 27779
Meting van luchtlawaai afgegeven door computer- en kantoorapparatuur.
Tabellen met harmonischen-compatibiliteitsniveaus
Tabel 5-A. Compatibiliteitsniveaus voor afzonderlijke harmonische spanningen in
laagspanningsnetten zoals opgegeven in de standaarden IEC 61000-2-2 / EN 61000-2-2.
Oneven harmonischen niet- Oneven harmonischen
Even harmonischen
veelvouden van 3
veelvouden van 3
Harmonische Harmonische Harmonische Harmonische Harmonische Harmonische
volgorde n
spanning als volgorde n
spanning als volgorde n
spanning als
% van
% van
% van
grondspanning
grondspanning
grondspanning
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1.5
4
1
11
3.5
15
0.3
6
0.5
13
3
21
0.2
8
0.5
17
2
>21
0.2
10
0.5
19
1.5
12
0.5
23
1.5
>12
0.2
25
1.5
0.2
>25
0,2+0,5x25/n
Resulterende THDU < 8% (voor alle harmonischen die worden aangetroffen tussen de
aangegeven harmonischen).
Tabel 5-B. Compatibiliteitsniveaus voor harmonische spanningen volgens het type apparatuur
zoals aangegeven in standaard EN 50160.
(1)
Volgorde van de
Klasse 1
Klasse 2
Klasse 3
gegenereerde
(gevoelige systemen (industriële en
(voor aansluiting van
spanningsharmonisch en apparatuur) % van openbare
grote vervuilers) % van
en
grondspanning
elektriciteitsnetten) % grondspanning
van grondspanning
2
2
2
3
3
3
5
6
4
1
1
1.5
5
3
6
8
6
0.5
0.5
1
7
3
5
7
8
0.5
0.5
1
9
1.5
1.5
2.5
10
0.5
0.5
1
11
3
3.5
5
12
0.2
0.2
1
13
3
3
4.5
TDHU
5%
8%
10%
(1)
Klasse 2 komt overeen met de limietwaarden van Tabel A in de standaarden IEC 61000-2-2 /
EN 61000-2-2.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 56
Energieopslag
Mogelijke technologieën
Energieopslag in UPS'en
De energieopslagsystemen die door UPS'en worden gebruikt als back-up voor de
primaire voedingsbron, hebben de volgende kenmerken:
• Onmiddellijke beschikbaarheid van elektrische voeding,
• Voldoende nominaal vermogen om de belasting te voeden,
• Voldoende back-uptijd en/of compatibiliteit met systemen die lange back-uptijden
bieden (bijvoorbeeld een motorgenerator of brandstofcellen).
Evaluatie van de beschikbare technologieën
Zie WP 65 
Het technische onderzoeksteam dat door APC by Schneider Electric werd ingesteld,
verrichtte diepgaand onderzoek van de volgende technologieën:
• Batterijen,
• Supercondensators (ultracondensators),
• Vliegwielen,
• Supergeleidende magnetische energieopslag (SMES).
 Zie voor meer informatie WP 65 (White paper 65: "Comparing Data Center
Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors" (Vergelijking van batterijen, vliegwielen en
supercondensatoren in datacenters).
Oplossingen met batterijen en vliegwielen worden hieronder besproken.
Batterijen
De batterij-oplossing
Batterijen zijn momenteel verreweg de meest gebruikte oplossing voor
energieopslag in UPS'en. Ze zijn de dominante oplossing vanwege lage kosten,
bewezen effectiviteit en opslagcapaciteit, maar hebben toch een aantal nadelen wat
betreft omvang, onderhoud en het milieu. Bij de nominale vermogens waar we nu
naar kijken, bieden zij back-uptijden in het tien-minutenbereik, voldoende om lange
stroomonderbrekingen uit te zitten en te wachten op het opstarten van een
motorgenerator voor langere gebruiksduur.
Voor de SymmetraTM PX-serie biedt APC by Schneider Electric ook oplossingen voor
langere gebruiksduur op basis van brandstofcellen, met de FCXR-productserie (Fuel
Cell eXtended Run). Deze oplossing vermindert de belasting op het milieu en de
vereisten aan vloeroppervlak aanzienlijk ten opzichte van oplossingen met een
combinatie van batterijen en een motorgenerator.
 Elektrochemische energieopslag met behulp van batterijen, waar mogelijk
ondersteund door een thermische motorgenerator, is de meestgebruikte oplossing
voor het beschermen van kritieke belastingen die gebruikmaken van UPS'en.
Fig. 5.21. Energieopslag met behulp van een batterij en motorgenerator voor lange backuptijden.
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 57
Energieopslag (vervolg)
Soorten industriële batterijen
Batterijgroepen
Een batterij is een groep cellen die met elkaar in verbinding staan.
Afhankelijk van het type cel, zijn er twee hoofdgroepen batterijen:
• Loodzuurbatterijen,
• Nikkel-cadmiumbatterijen.
Cellen kunnen ook zijn van het :
• Recombinatietype  verzegelde batterijen
Het gasrecombinatiepercentage is ten minste 95% en daardoor hoeft er geen water
te worden toegevoegd tijdens de levensduur (vandaar de term 'verzegeld'),
• geventileerde type  geventileerde batterijen
Deze zijn uitgerust met poorten die:
- de zuurstof en waterstof die tijdens de verschillende chemische reacties worden
geproduceerd, afgeven aan de atmosfeer,
- bijvullen van de elektrolyt door gedestilleerd of gedemineraliseerd water toe te
voegen, mogelijk maken.
Batterijen die in UPS'en worden gebruikt
De belangrijkste typen batterijen die samen met UPS'en worden gebruikt, zijn:
• Verzegelde loodzuurbatterijen, deze worden 95% van de tijd gebruikt omdat ze
gemakkelijk in onderhoud zijn en geen speciale ruimte vereisen. Deze batterijen
kunnen in kantooromgevingen en in elke positie worden geïnstalleerd,
• Geventileerde loodzuurbatterijen,
• Geventileerde nikkel-cadmiumbatterijen.
Geventileerde batterijen kennen grotere beperkingen wat betreft onderhoud
(controles op het niveau van de elektrolyt) en positie (kunnen alleen in verticale
positie worden geplaatst).
Lithium-polymeerbatterijen worden momenteel onderzocht op mogelijk gebruik in
UPS'en.
APC by Schneider Electric raadt verzegelde loodzuurbatterijen aan voor gebruik
samen met zijn UPS-series, maar biedt ook een groot assortiment andere typen aan.
Alle drie de typen batterijen zijn leverbaar voor alle beschikbare levensduren.
Capaciteitsniveaus en back-uptijden kunnen worden aangepast aan de behoeften
van de gebruiker.
De aanbevolen batterijen zijn ook zeer geschikt voor UPS-toepassingen omdat zij
het resultaat zijn van samenwerking met toonaangevende batterijfabrikanten.
 Batterijselectie, zie "Belangrijke factoren in UPS-installaties" p. 46.
Installatiemodi
Afhankelijk van de UPS-serie, de batterijcapaciteit en de back-uptijd, is de batterij:
• van het verzegelde type en wordt deze geplaatst in de UPS-behuizing,
• van het verzegelde type en wordt deze geplaatst in een tot drie kasten,
• van het geventileerde of verzegelde type en wordt deze geplaatst in een rek.
Plaatsing in kast
Deze installatiemethode (zie fig. 5.15) is geschikt voor verzegelde batterijen. Deze
methode is gemakkelijk uit te voeren en biedt maximale veiligheid.
Batterijen die in rekken worden geïnstalleerd
• Op planken (figuur 5.16)
Deze installatiemethode is mogelijk voor verzegelde batterijen of onderhoudsvrije
geventileerde batterijen waar de elektrolyt niet hoeft te worden bijgevuld.
• Plaatsing in rijen (figuur 5.17)
Deze installatiemethode is geschikt voor alle typen batterijen en vooral voor
geventileerde batterijen aangezien het controleren van het niveau en het bijvullen
gemakkelijk worden gemaakt.
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 58
Energieopslag (vervolg)
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 59
Energieopslag (vervolg)
Fig. 5.22. Plaatsing in kast.
rijen.Beperkingen
Fig. 5.23. Plaatsing op planken. Fig. 5.24. Plaatsing in
op batterijen
Atmosferische beperkingen
De batterijen die bij UPS'en van APC by Schneider Electric worden geleverd, werken
onder de volgende omgevingsomstandigheden:
• Optimaal temperatuurbereik: 15°C tot 25°C,
• Optimaal relatief vochtigheidsbereik: 5% tot 95%,
• Atmosferische druk: 700 tot 1060 hPa (0,7 tot 1,06 bars).
Neem contact met ons op voor de overige werkingsomstandigheden.
Toegang
Er moet toegang worden geboden voor testactiviteiten.
• Batterijen die zijn geplaatst in een UPS-kast of andere kast: houd u aan de vereiste
vrije ruimte die is aangegeven in "Afmetingen en gewichten" in hoofdstuk 4.
• Batterijen die in rekken worden geplaatst: kies een installatiemethode die geschikt
is voor het type batterij.
• Voorbereidend werk: dit aspect is belangrijk omdat het betrekking heeft op
veiligheid. Het wordt besproken in "Belangrijke factoren in UPS-installaties" p.
49.
Belangrijkste batterijparameters
Back-uptijd
Voor een gegeven batterij hangt de back-uptijd af van:
• het vermogen dat moet worden geleverd, een lage waarde verhoogt de
beschikbare autonomie,
• de ontladingsomstandigheden, een hoge ontladingssnelheid maakt een lagere
spanning voor uitschakeling mogelijk en verhoogt dus de back-uptijd,
• temperatuur, binnen de aanbevolen werkingsgrenzen, stijgt de back-uptijd met het
toenemen van de temperatuur. Een hoge temperatuur heeft echter wel nadelige
gevolgen voor de levensduur van de batterij,
• Ouderdom, back-uptijd van de batterij neemt af als de batterij ouder wordt.
APC by Schneider Electric biedt een aantal verschillende standaardback-uptijden (5,
6, 8, 10, 15 of 30 minuten en levensduren (5 of 10 jaar of langer) en komt ook
tegemoet aan alle specifieke vereisten.
Levensduur
Een batterij heeft het einde van zijn levensduur bereikt wanneer de werkelijke backuptijd is teruggevallen tot 50% van de opgegeven back-uptijd.
De levensduur van een batterij wordt in principe verlengd door:
• bescherming tegen te diepe ontlading,
• correcte laadinstellingen, vooral de rimpelfactor van de lading of druppellading,
• een optimale werkingstemperatuur, die tussen de 15°C en 25°C moet liggen.
Oplaadmodus
De oplaadcyclus vindt plaats in twee stappen:
• Stap 1, een constante stroom beperkt tot 0,1 C10 (eentiende van de
batterijcapaciteit voor een tien uur durende ontlading),
• Stap 2, een constante spanning, op de maximaal toelaatbare waarde. De
oplaadstroom neemt regelmatig af en bereikt de druppellaadwaarde.
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 60
Energieopslag (vervolg)
Fig. 5.25. Batterijoplaadcyclus.Batterijbeheer
series
DigibatTM
voor MGETM GalaxyTM-
TM
TM
Om bovenstaande parameters te kunnen regelen, worden alle MGE Galaxy
UPS'en van APC by Schneider Electric standaard geleverd met het microprocessorgebaseerde DigibatTM-batterijbewakingssysteem (toepassingsgerichte DSP voor
real-time verwerking).
TM
Digibat , een gemakkelijk te gebruiken systeem, biedt geavanceerde en flexibele
functies en fysieke en computergestuurde bescherming voor de batterij. Het biedt
een hoge mate van veiligheid, nauwkeurige meting van de back-uptijd en
optimaliseert de levensduur van de batterij. Voor een MGE Galaxy 5000-UPS,
bijvoorbeeld, omvatten de functies:
• automatische invoer van batterijparameters,
• meting van de werkelijke resterende back-uptijd, waarbij rekening wordt gehouden
met de ouderdom van de batterij, de temperatuur en het belastingsniveau,
(1)
• schatting van de resterende levensduur van de batterij ,
(1)
• batterijtest om functionele defecten van batterij preventief op te sporen ,
• regeling van de batterijspanning ten opzichte van de temperatuur om de
levensduur van de batterij te verlengen,
• automatische batterij-ontladingstest op aan te passen tijdsintervallen.
Bescherming omvat:
• Bescherming tegen te diep ontladen (afhankelijk van de ontladingssnelheid) en
isolatie van de batterij met een stroomonderbreker die automatisch opengaat
wanneer de back-uptijd, vermenigvuldigd met twee plus twee uur, is verstreken,
• Beperking van de oplaadstroom in de batterij (0,05 C10 tot 0,1 C10),
• Progressief hoorbaar alarm dat het einde van de back-uptijd aangeeft,
• Vele automatische tests.
(1) APC by Schneider Electric exclusieve patenten.
Fig. 5.26. Digibat
TM
Temperatuurcontrole
TM
TM
MGE Galaxy -UPS'en kunnen ook worden uitgerust met de
Temperatuurcontrolemodule die wordt gebruikt om:
• de oplaadspanning te optimaliseren ten opzichte van de temperatuur in de
batterijruimte,
• de gebruiker te waarschuwen wanneer vooraf ingestelde toegestane
temperatuurlimieten worden overschreden,
• een preciezere schatting te geven van de back-uptijd van de batterij, die door het
standaardsysteem wordt uitgevoerd.
Natuurlijke ventilatie van de batterijkasten voorkomt stijging van batterijtemperatuur.
Milieusensor is ook een eenvoudig middel om de temperatuur en vochtigheid te
controleren. Dit kan worden gebruikt om het systeem uit te schakelen wanneer het
wordt gecombineerd met software die de module uitvoert.
Batterijen monitoren
APC by Schneider Electric biedt ook de B2000 en Cellwatch, autonome en
communicerende batterijcontrolesystemen die onmiddellijk alle batterijdefecten
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 61
Energieopslag (vervolg)
opsporen en lokaliseren. Deze systemen controleren elk batterijblok of elke
batterijcel en maken voorspellend onderhoud mogelijk.
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 62
Energieopslag (vervolg)
Vliegwielen
Energieopslag door middel van een vliegwiel
Werkingsprincipe
Het energieopslagsysteem middels een vliegwiel is een 'mechanische batterij' die
energie in kinetische vorm opslaat, als roterende massa. Wanneer dit nodig is tijdens
een stroomstoring, wordt de energie die in de roterende massa is opgeslagen,
omgezet in elektrische energie via de in het vliegwiel ingebouwde elektrische
generator.
De hoeveelheid energie die in een vliegwiel is opgeslagen, wordt uitgedrukt door:
2
E = kMω
waarbij k afhankelijk is van de vorm van de roterende massa, M de massa van het
vliegwiel is en ω de hoeksnelheid.
 Merk op dat de opgeslagen energie proportioneel is aan het kwadraat van de
hoeksnelheid. Dit is een van de redenen dat APC by Schneider Electric aanraadt dat
vliegwielen op relatief hoge snelheden moeten draaien. Dit vermindert zowel het
gewicht als de footprint van het energieopslagsysteem.
UPS-toepassingen
Vliegwieleenheden kunnen traditionele UPS-batterijen vervangen of samenwerken
met batterijen om zeer betrouwbare, onmiddellijk beschikbare back-upvoeding te
leveren voor de bedrijfskritieke toepassingen van vandaag de dag (datacenters,
ziekenhuizen, televisiestudio's, casino's luchthavens en fabrieken). Ze hebben een
interface met de gelijkstroombus van de UPS, net als een batterij, en ontvangen
laadstroom van de UPS en leveren gelijkstroom naar de inverter van de UPS tijdens
de ontlading.
UPS
Critical
loads
AC input
Rectifier
Flywheel
Inverter
Battery
Fig. 5.27. Vereenvoudigd diagram van een UPS met energieopslag via vliegwielen in parallel
aangesloten met een batterij.
Energieopslagsystemen middels vliegwielen kennen twee toepassingen, afhankelijk
van of een generator wel of niet deel uitmaakt van de installatie.
Verlenging van de levensduur van de batterij voor installaties zonder
generatoren
Voor installaties zonder generator kan een energieopslagsysteem middels
vliegwielen in parallel werken met batterijen. Deze vliegwieltoepassing ontziet de
batterij en verlengt dus de levensduur van de batterij.
In een dergelijke configuratie vormt het vliegwiel de eerste verdedigingslinie tegen
stroomstoringen en biedt het hogere beschikbaarheid terwijl de batterijen worden
gespaard voor gebruik bij een langer durende stroomuitval. Door als eerste de
benodigde energie te leveren tijdens stroomstoringen, verlengt het vliegwielsysteem
de levensduur van de batterij aanzienlijk door 98% van de ontladingen te voorkomen
die anders door de batterijen geleverd zouden moeten worden. Het verlengen van
de levensduur van batterijen middels vliegwielen biedt een aantal voordelen.
• Minder oplaad-ontlaadcycli voor batterijen, dus de levensduur van de batterij
wordt verlengd
• Vervanging van batterijen hoeft minder vaak plaats te vinden met bijbehorend
ongemak van afvoeren van loodzuur
• Hogere beschikbaarheid van kritieke gelijkstroombus
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 63
Energieopslag (vervolg)
Vervanging van de batterij voor installaties met generatoren
Generatoren zijn meestal in staat om de belasting over te nemen binnen 10
seconden van het optreden van een stroomstoring. Hoewel UPS-batterijen stroom
kunnen leveren tijdens deze omschakeling, is hun betrouwbaarheid altijd in het
geding. Zijn ze wel geheel opgeladen? Is er soms een cel defect in de batterijreeks?
Wanneer zijn ze voor het laatst gecontroleerd?
Vliegwielsystemen bieden daarentegen betrouwbare, onmiddellijke energieopslag
waarmee een voorspelbare omschakeling naar de generator die stand-by staat, kan
worden gegarandeerd, dit alles in een compacte footprint.
Een vliegwielsysteem dat 10 of 20 seconden lang energie kan leveren, biedt een
aantal voordelen boven batterijen voor installaties met generatoren.
• Zeer betrouwbare en voorspelbare energieopslag:
- geschat 54.000 uur MTBF
- continue bewaking biedt zeer voorspelbare prestaties
• Milieuvriendelijk alternatief voor batterijen:
- geen lood, geen zuur, kleine koolstof-footprint
• Lagere TCO (eigendomskosten):
- nuttige levensduur van 20 jaar
- weinig onderhoud nodig
- kleine afmetingen en laag gewicht
- kan werken bij temperaturen tot 40°C
Soorten vliegwielen
Vliegwielen voor UPS'en kunnen in verschillende typen worden onderverdeeld,
afhankelijk van hun snelheid, materiaal en de configuratie van de motorgenerator.
Snelheid van vliegwielen
• Vliegwielen met lage snelheid
- Hoeksnelheid <10.000 rpm
- Energie voor hoge vermogens vereist zware stalen vliegwielen (zwaar en
omvangrijk)
- Periodiek onderhoud en vervanging van de mechanische lagers
- Grote hoeveelheid parasitaire energieverliezen
- Vereist speciale installatiespecificaties met betonnen platen
• Vliegwielen met hoge snelheid
- 30.000 tot 60.000 rpm (mogelijk tot 100.000 rpm)
- Veel lichter voor hogere vermogensvereisten (energie opgeslagen via hogere
draaisnelheid)
- Volledige magnetische levitatie
- Minder periodiek onderhoud
- Kleinere footprint en lager gewicht
- Gemakkelijk in gebruik te nemen, op te starten en uit te schakelen
Zoals al genoemd, werken vliegwielen die bij UPS'en van APC by Schneider Electric
worden geleverd, met relatief hoge snelheden (36.000 rpm wanneer volledig
opgeladen) en bieden zij alle bijbehorende voordelen.
Materiaal van de vliegwielen
• Vliegwielen van koolstofvezel
Vliegwielen van koolstofvezel worden meestal gemaakt door lange draden
koolstofvezel op een spoel te draaien. Deze worden bij elkaar gehouden door een
epoxyhars.
Onvolkomenheden in het fabricageproces en gaten tussen de vezels kunnen leiden
tot het uit balans raken van het wiel na verloop van tijd door de druk die het wiel
ondervindt wanneer het van hoge snelheid naar lage snelheid wordt gebracht en
vice versa, hetgeen tijdens elke ontlading plaatsvindt. Zodra het vliegwiel van
koolstof uit balans raakt, moet de gehele vliegwielmodule worden vervangen, wat
een kostbaar en tijdrovend proces is.
• Vliegwielen van staal
De vliegwielen die geleverd worden bij UPS'en van APC by Schneider Electric zijn
vervaardigd van staal van aeronautische kwaliteit, 4340. De materiaaleigenschappen
zijn goed bekend, deze zijn beschikbaar van vele leveranciers en dit materiaal wordt
gebruikt in veel roterende toepassingen op hoge snelheid. Het belangrijkste is dat de
integriteit van het materiaal kan worden gemeten, via monsters van de kern en
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 64
Energieopslag (vervolg)
ultrasone golven om er zeker van te zijn dat het voldoet aan de
toepassingsspecificaties. Dit vliegwiel wordt niet alleen gebruikt in UPStoepassingen, maar ook in regeneratieve toepassingen met hoge omwentelingen
zoals in elektrische motoren van hijskranen en elektrische treinen. Deze
toepassingen stellen aan het vliegwiel de eis dat er tot wel 20 keer per uur
opgeladen en ontladen moet worden. Deze toepassingen leveren het bewijs voor de
duurzaamheid van staal van aeronautische kwaliteit als preferent materiaal voor
vliegwielen.
Configuratie van motorgeneratoren
Het andere verschil dat kan worden aangetroffen in energieopslagsystemen met
vliegwielen, is gelegen in de configuratie van motorgeneratoren.
• Vliegwielsystemen die door APC by Schneider Electric worden geleverd, gebruiken
een type motorgenerator met permanente magneet. Het voordeel hiervan is
tweeërlei:
- Hogere efficiency van de motorgenerator bij het opladen en ontladen, dat leidt tot
de hoge omwentelingscapaciteit van het vliegwiel
- Het vliegwiel kan zijn eigen stroom opwekken om de levitatie van het vliegwiel in
stand te houden, zelfs als controlevoeding wegvalt of als er storing optreedt in de
vermogenselektronica.
• Andere vliegwielfabrikanten gebruiken een synchrone weerstandsmotor die niet
zelf stroom kan opwekken als er een defect optreedt in de vermogenselektronica
- De eenheid heeft daarom een back-upvoeding nodig van een kleine UPS om backupstroom te kunnen leveren aan de magnetische lagers.
Installatie
Kasten voor vliegwielen
Energieopslagsystemen met vliegwielen worden in aparte kasten geleverd die
aansluiten op de gelijkstroombus, net als batterijkasten. Meerdere vliegwielkasten
kunnen in parallel worden geplaatst voor meer vermogen, langere werkingsduur of
redundantie.
Voorbereiding van de locatie
Er is een minimale voorbereiding van de locatie nodig voor de installatie van
vliegwielkasten. Voordat de installatie plaatsvindt, moet u rekening houden met een
aantal aspecten.
• Bedrading en bekabeling naar UPS'en en andere apparatuur
• Toegang voor onderhoud
• Vrije ruimte voor koeling
• Montage aan de vloer
Beperkingen van vliegwielen
Atmosferische beperkingen
De energieopslagsystemen middels vliegwielen die bij UPS'en van APC by
Schneider Electric worden geleverd, werken onder de volgende omstandigheden:
• Bedrijfstemperatuur: -20°C tot 40°C (zonder reductie)
• Minimumtemperatuur voor koude start: 0°C
• Relatieve luchtvochtigheid: tot 95% (niet-condenserend)
Neem contact met ons op voor de overige werkingsomstandigheden.
Belangrijkste vliegwielparameters
Uitgangsvermogen en back-uptijd
De energieopslagsystemen middels vliegwielen die bij UPS'en van APC by
Schneider Electric worden geleverd, bieden flexibiliteit bij het selecteren van de
beste combinatie van vermogensniveau en werkingsduurom te voldoen aan de
vereisten van de toepassing.
• Er zijn allleenstaande eenheden beschikbaar in de nominale vermogens 215 kW
en 300 kW.
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 65
Energieopslag (vervolg)
• Het 300 kW-model kan 160 kW gedurende ~18,75 seconden of 220 kW gedurende
~10 seconden leveren. Dit is meestal voldoende voor het ontzien van de batterijen of
voor opstarttoepassingen van generatoren.
• Meerdere vliegwieleenheden kunnen in parallel worden opgesteld voor een hogere
capaciteit, redundantie of werkingsduur.
Levensduur
• De levensduur van een energieopslagsysteem middels vliegwielen is meestal veel
langer dan van loodzuurbatterijen.
• De energieopslagsystemen met vliegwielen die bij UPS'en van APC by Schneider
Electric worden geleverd, hebben een levensduur van 20 jaar voor
werkingstemperaturen van maximaal 40°C en frequente laad-ontlaadcycli.
93APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 66
Combinatie UPS-/generatorset
Gebruik van een generator
Lange back-uptijden
Een motorgenerator bestaat uit een verbrandingsmotor die een generator aandrijft
die het distributiesysteem voedt. De back-uptijd van een motorgenerator is
afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare brandstof.
In sommige installaties is de vereiste back-uptijd in het geval van een stroomuitval
van dien aard dat het beter is om een motorgenerator te gebruiken als back-up van
netstroom (figuur 5.28).
Deze oplossing voorkomt het gebruik van grote batterijen met zeer lange backuptijden.
Hoewel hier geen algemene regel voor geldt, wordt een generator vaak gebruikt voor
back-uptijden die langer zijn dan 30 minuten. Kritieke installaties die zeer hoge
beschikbaarheidsniveaus vereisen en te maken hebben met hoge kosten voor
downtime (bijvoorbeeld datacenters) combineren systematisch UPS'en vaak met
motorgeneratoren.
De back-uptijd van batterijen van de UPS moet voldoende zijn voor het opstarten
van een generator en de aansluiting op de elektrische installatie. Aansluiting wordt
meestal uitgevoerd op het primaire laagspanningsschakelbord met behulp van een
automatisch bronomschakelsysteem. De vereiste tijd voor de omschakeling hangt af
van de specifieke kenmerken van elke installatie, vooral van de opstartvolgorde,
'load shedding', enz.
Fig. 5.28. Combinatie van UPS met generator.
Combinatie UPS/generatorset
Compatibiliteit van UPS met generator
Er moet rekening worden gehouden met een aantal factoren wanneer u een
motorgenerator gebruikt om UPS'en te voeden gedurende lange back-uptijden.
Wijzigingen in laadstappen
Als er in geval van nood aansluiting van de installatie aan de motorgenerator nodig
is, kunnen zware belastingen leiden tot hoge inschakelstromen die ernstige
problemen kunnen veroorzaken voor de werking van de motorgeneratoren. Om
zulke problemen te vermijden, zijn UPS'en van APC by Schneider Electric uitgerust
met een systeem dat geleidelijk starten van de oplader mogelijk maakt. De
geleidelijke start duurt ongeveer tien seconden. Bovendien kan, zodra de netstroom
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 67
Combinatie UPS-/generatorset
weer beschikbaar is, de oplader geleidelijk worden gestopt via een hulpschakelaar
om verstoring van de andere belastingen te voorkomen.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 68
Combinatie van UPS met generator (vervolg)
Fig. 5.29. Geleidelijk opstarten van de UPS-gelijkrichter tijdens werking op generatorstroom.
Capacitieve stromen
De generator kan alleen relatief lage capacitieve stromen leveren (10 tot 30 % van
In). Wanneer een LC-filter is geïnstalleerd, is het grootste probleem een geleidelijke
inschakeling van de gelijkrichter op generatorvoeding, wanneer het actieve
vermogen gelijk is aan nul en de generator alleen de capacitieve stroom voor het
filter levert. Daarom moet het gebruik van LC-filters correct worden geanalyseerd om
ervoor te zorgen dat de werking in overeenstemming is met de specificaties van de
fabrikant.
Gebruik van gecompenseerde LC-filters met een contactor lost dit probleem op. Voor
UPS'en met een PFC-gelijkrichter, is de compatibiliteit volledig.
 LC-filters en generatoren, zie Hfst. 1 p. 26.
Respectieve nominale vermogens van UPS'en en generatoren
Een UPS die is uitgerust met een PFC-gelijkrichter heeft een hoge
ingangsvermogensfactor (hoger dan 0,9). De motorgenerator kan daarom worden
gebruikt tot maximale effectiviteit.
Voor LC-filters lossen gecompenseerde filters met een contactor het probleem met
capacitieve stromen op.
 Compatibiliteit van nominale vermogens tussen moderne UPS'en en
motorgeneratoren voorkomen alle problemen met reductie.
Stabiliteit van generatorfrequentie
Tijdens werking op motorgeneratorvoeding, kunnen er fluctuaties optreden in de
generatorfrequentie vanwege variaties in de snelheid van de thermische motor
waarvoor de regelingsfuncties niet onmiddellijk actief zijn. Deze variaties treden op
vanwege veranderingen in de belasting. Voorbeelden zijn opstarten van de
motorgenerator zelf (totdat deze zijn nominale snelheid bereikt), opstarten van
andere belastingen die door de motorgenerator worden gevoed (liften,
airconditioningsystemen), of het afstoten van belastingen.
Dit kan problemen veroorzaken met lijninteractieve UPS'en waarvan de
uitgangsfrequentie identiek is aan de ingangsfrequentie. Variaties in
generatorfrequentie kunnen leiden tot meerdere omschakelingen op batterijvoeding
(frequentie valt buiten toleranties) en terugschakelingen naar netstroom (wanneer de
inverter de frequentie heeft gestabiliseerd, maar de generator zelf nog niet is
gestabiliseerd), hetgeen leidt tot 'jagende' verschijnselen (instabiliteit rondom het
frequentie-instelpunt).
Bij UPS'en met dubbele conversie wordt dit probleem voorkomen dankzij de regeling
van het uitgangsvermogen door de inverter.
 UPS'en met dubbele conversie zijn geheel compatibel met de fluctuaties in de
frequentie van motorgeneratoren. Dit is niet het geval voor lijninteractieve UPS'en.
Harmonischen
De subtransiente reactantie X"d van een generator is meestal hoger dan de
kortsluitingsspanning Uscx van een transformator (twee tot vier keer hoger). Als er
harmonische stromen door de UPS-gelijkrichter worden opgenomen, kunnen deze
een grotere invloed hebben op de harmonische vervorming van de spanning op de
stroomopwaartse busbars. Met de PFC-gelijkrichtertechnologie voorkomt de
afwezigheid van stroomopwaartse harmonischen dit probleem.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 69
Combinatie van UPS met generator (vervolg)
Overzicht van inschakelstroom
Tijdens het opstarten veroorzaken een aantal belastingen aanzienlijke
inschakelstromen (inschakelpieken), die een bepaalde tijd duren.
Voor de UPS vormen deze stromen een schijnbare belasting Sa (kVA) die groter is
dan Sn (kVA), die kan worden gevoed onder stationaire omstandigheden.
De waarde van Sa waar rekening mee moet worden gehouden bij het vaststellen
van de hoeveelheid UPS-vermogen, wordt berekend op basis van deze
inschakelstromen.
Hieronder vindt u gegevens over deze stromen die door normale
belastingsapparaten worden veroorzaakt.
Motoren
Motoren zijn over het algemeen van het driefasige, asynchrone type (95% van alle
motoren). De aanvullende vermogensvereisten komen overeen met de opstartstroom
die is gedefinieerd door (fig. 5.30):
• Id (5 tot 8 In, nominale rms-waarde) voor een tijdsduur td (1 tot 10 seconden),
• Imax = 8 tot 12 In, voor 20 tot 30 milliseconden.
Het opgenomen vermogen waar rekening mee moet worden gehouden (zonder te
letten op het piekeffect van Imax) is:
Sa (kVA) = Un Id 3 gedurende td.
LV/LV-transformators
Omschakelen van transformators produceert stroompieken met amplituden die
worden gematigd volgens een exponentieel verval met een tijdconstante (zie fig.
5.31).
• i = I1e piek exp -t/τ waarbij τ een paar cycli is (30 tot 300 ms).
• I1e piek = k In (waarbij k gegeven is, meestal 10 tot 20).
Indicaties omvatten meestal het aantal cycli gedurende welke het verschijnsel zich
voordoet en de waarde van de verschillende pieken als een percentage van I1e piek.
De overeenkomstige inschakelstroom wordt meestal berekend op grond van (zie
voorbeeld):
• Sa (kVA) = Un I1e piek 3 , dus Sa (kVA) = k Un In 3 gedurende het aantal cycli.
• Voorbeeld van een inschakelstroom die in vier cycli wordt gematigd met:
e
1 piek (100%): k In (k van 10 tot 20),
e
2 piek 30 %: 0,3 k In,
3e piek 15 %: 0,15 k In,
Het totaal van de rms-waarden van de stromen die overeenkomen met de
(1)
verschillende pieken (Ipiek / 2 ) is:
k In (1 + 0,3 + 0,15) K In 1,45
=
≈ k In
2
2
Dit is ongeveer gelijk aan de waarde van alleen de eerste piek.
(1)
Als de stroompieken als sinusgolven worden gezien, is het zo dat sommige fabrikanten een
rms-waarde van Ipeak / 2 aangeven.
Computerbelastingen
Omschakelende stroomvoedingen zijn niet-lineaire belastingen. De stroom voor een
enkelfasige belasting heeft een golfvorm die lijkt op die in figuur 5.32. Er kan een
piek voorkomen tijdens de eerste halve golf van ongeveer 2 In. Deze is echter over
het algemeen veel lager dan dit en kan worden genegeerd.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 70
Combinatie van UPS met generator (vervolg)
Fig. 5.30. Curve voor direct on- Fig. 5.31. LV/LV-transformator Fig. 5.32. Startstroom van
line starten van een driefasige die stroom omschakelt.
computerbelasting.
asynchrone motor.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 71
Harmonischen
Harmonischen
Oorsprong van harmonischen
Door het toenemende gebruik van computers, telecommunicatietoestellen en
vermogenselektronica is het aantal niet-lineaire belastingen dat is aangesloten op
stroomsystemen, sterk gestegen.
Deze toepassingen hebben omschakelende stroomvoedingen nodig die de sinusgolf
van de spanning omschakelen naar periodieke signalen met verschillende
golfvormen. Al deze periodieke signalen van frequentie f zijn het product van
toegevoegde sinusvormige signalen met frequenties die veelvouden zijn van f, ook
wel harmonischen genoemd (zie de sectie "Kenmerkende harmonische waarden"
waarin de Stelling van Fourier wordt besproken hieronder, op pagina 40). Figuur
5.32 illustreert dit door de beginstroom te tonen (de grondfrequentie) en de 3e
harmonische.
Deze figuur toont wat er gebeurt wanneer een
derde harmonische (150/180 Hz) wordt
toegevoegd aan de grondfrequentie
(50/60 Hz). De frequentie van het resulterende
periodieke signaal is de grondfrequentie, maar
de golfvorm is vervormd.
Fig. 5.33. Voorbeeld van harmonischen.
De toenemende aanwezigheid van harmonischen is een verschijnsel dat een
probleem vormt voor alle elektrische installaties, commercieel en industrieel, maar
ook binnen onze woningen. Geen enkele moderne elektrische omgeving ontkomt
aan deze storingen die worden veroorzaakt door apparaten zoals pc's, servers, tlbuizen, airconditioners, aandrijvingen met variabele snelheid, ontladingslampen,
gelijkrichters, statische voedingseenheden, magnetronovens, televisies,
halogeenlampen, enz. Al deze belastingen worden 'niet-lineair' genoemd.
Gevolgen van harmonischen
Harmonischen verstoren, in steeds ernstigere mate, allerlei soorten activiteiten,
bijvoorbeeld in fabrieken die elektronische onderdelen en
gegevensverwerkingsystemen produceren, in gemalen, telecommunicatiesystemen,
televisiestudio's enz, omdat zij een groot deel van de opgenomen stroom
vertegenwoordigen.
Er zijn drie soorten negatieve gevolgen voor gebruikers:
Invloed op de elektrische installatie
Harmonischen verhogen de waarde van de rms-stroom ten opzichte van de waarde
van de nominale sinusvormige stroom. Het resultaat is een stijging van de
temperatuur (soms drastisch) in leidingen, transformators, generatoren,
condensators, kabels, enz. De verborgen kosten van versnelde slijtage in zulke
apparaten kunnen zeer hoog zijn.
Invloed op toepassingen
Harmonische stromen circuleren in de bron- en leidingimpedanties en genereren op
die manier spanningsharmonischen die leiden tot spanningsvervormingen op de
busbar stroomopwaarts van de niet-lineaire belastingen (figuur 5.34).
De vervorming van de voedingsspanning (stroomopwaartse THDU - Total harmonic
distortion in voltage) kan de werking van bepaalde gevoelige apparatuur die op deze
busbars is aangesloten, verstoren.
Bovendien cumuleert voor TNC-systemen waarbij N- en PE-geleiders zijn
gecombineerd om een PEN -geleider te vormen, de derde harmonische met
nulsequentie in de nulgeleider. Deze niet-gebalanceerde stroom in de nulleider kan
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 72
Harmonischen
circuits storen die apparaten met laag stroomverbruik met elkaar verbinden en
kunnen een te grote omvang van de nulleider vereisen.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 73
Harmonischen (vervolg)
Fig. 5.34. Spanningsvervorming vanwege herintroductie van harmonische stromen door nietlineaire belastingen.
Invloed op de beschikbare elektrische voeding
Harmonischen veroorzaken een duidelijk stroomverlies (tot 30% hoger
stroomverbruik). De gebruiker betaalt meer voor minder stroom.
Voorzorgsmaatregelen
Algemeen
Er zijn een aantal traditionele oplossingen om harmonischen te beperken:
• installatie van afgestelde passieve filters,
• installatie in parallel van verschillende kabels met middelgrote dwarsdoorsneden,
• scheiding van niet-lineaire belastingen en gevoelige belastingen achter isolerende
transformators.
Deze oplossingen hebben echter twee grote nadelen:
• beperking van harmonischen is alleen effectief in de bestaande installatie (als er
belastingen worden toegevoegd of verwijderd, kunnen de maatregelen hun doel al
missen),
• implementatie is moeilijk in bestaande installaties.
Actieve harmonische spanningsregelaars van AccuSine (zie hoofdstuk 3) vermijden
deze nadelen. Deze oplossingen zijn veel effectiever dan andere oplossingen. Ze
kunnen worden gebruikt bij alle soorten belastingen en kunnen op selectieve basis
harmonischen elimineren van de 2e tot de 25e rangorde.
 Elimineren van harmonischen, zie "elimineren van harmonische stromen"
UPS'en
• Door de gelijkrichter/oplader is een UPS een niet-lineaire belasting voor zijn
voedingsbron. UPS'en van APC by Schneider Electric bieden een perfecte controle
over stroomopwaartse harmonischen door het gebruik van 'schone' PFCgelijkrichters of filters (MGE Galaxy PW en 9000).
Stroomopwaarts van de UPS blijft de totale spanningsvervorming binnen
acceptabele grenzen voor de andere apparaten die op dezelfde busbars zijn
aangesloten.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 74
Harmonischen (vervolg)
Gebruikelijke harmonische
waarden
Stroomwaarden
Harmonische expansie van een periodieke stroom
De Stelling van Fourier geeft aan dat een willekeurige periodieke functie met een
frequentie f kan worden uitgedrukt als de som van termen (series) die bestaan uit:
• een sinusvormige term met frequentie f, de grondfrequentie genoemd,
• sinusvormige termen met frequenties die gehele veelvouden zijn van de
grondfrequentie, dus de harmonischen,
• een gelijkstroomcomponent, indien van toepassing.
Toepassing van de Stelling van Fourier op de stromen van niet-lineaire belastingen
laat zien dat een periodieke stroom I(t), van willekeurige vorm op frequentie f (50 of
60 Hz), de som is van harmonische sinusvormige stromen die worden gedefinieerd
door:
∞
I( t) = IH1 2 sin(ωt + ϕ1) +
∑ IHn
2 sin(nωt + ϕn)
n= 2
waarbij
• IH1 de rms-waarde is van de grondstroom op frequentie f (50 of 60 Hz),
• ω = 2 π f de hoekfrequentie is van de grondfrequentie,
• ϕ1 de faseverschuiving is tussen de grondstroom en de spanning,
e
• IHn de rms-waarde is van de n harmonische, op frequentie nf,
• ϕn de faseverschuiving is tussen de ne harmonische stroom en de spanning.
Het is belangrijk om de harmonischen te evalueren (n ≥ 2) met betrekking tot de
grondfrequentie (n = 1) om vast te stellen in welke mate de functie verschilt van de
grondfrequentie.
Daarom wordt rekening gehouden met onderstaande waarden.
Afzonderlijke harmonische inhoud van de stroom
Deze waarde duidt de verhouding aan in percentages tussen de rms-waarde van de
gegeven harmonische en die van de grondfrequentie.
IHn
Ihn % = 100
IH1
Alle harmonischen die in een gegeven stroom aanwezig zijn met aanduiding van hun
relatieve belang (Ihn-waarden) vormen het harmonische spectrum van de stroom.
Over het algemeen kan men stellen dat de invloed van de rangorden boven de 25e
te negeren is.
Totale harmonische vervorming van stroom
Deze vervorming wordt THDI genoemd (Total Harmonic Distortion, waarbij I voor de
stroom staat). Het drukt de verhouding tussen de rms-waarde van alle harmonischen
uit (n ≥ 2) en die van de grondfrequentie. De THDI wordt ook uitgedrukt in termen
van de afzonderlijke harmonischen.
∞
∑ IH
n
n= 2
THDI% = 100
IH1
2
∞
= 100
 IHn 


IH
n= 2  1 
∑
2
∞
=
∑ (Ih %)
n
2
n= 2
Opmerking. Harmonische inhoud wordt soms uitgedrukt met betrekking tot de complete
signaal-Irms en niet de grondfrequentie (IEC-documenten). Hier gebruiken we de definitie van
de CIGREE, die de grondfrequentie gebruikt.
Voor de lage harmonische inhoud die op de volgende pagina's wordt geanalyseerd, produceren
de twee definities nagenoeg identieke resultaten.
Rms-waarde van een stroom met harmonischen
De rms-waarde van een wisselstroom met een periode T is:
Irms =
1
T
∫
T
0
I( t) dt
2
Na berekening en met gebruik van de harmonische weergave, kan dit worden
uitgedrukt als:
∞
Irms =
∑ IH
n
2
n =1
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 75
Harmonischen (vervolg)
waarbij IHn = rms-waarde van de ne harmonische.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 76
Harmonischen (vervolg)
De rms-waarde wordt ook uitgedrukt als:
Irms = IH12 +
∞
∑ IH
n
2
of:
n= 2
∞
Ieff = IH1 1 +
∑
n=2
 IHn 


 IH1 
∞
Irms = IH1 1 +
∑ Ih
n
2
2
dus:
= IH1 1 + THDI2
n= 2
• Ihn = Ihn% / 100 (afzonderlijk niveau uitgedrukt als een waarde en niet als een
percentage).
• THDI = THDI% / 100 (vervorming uitgedrukt als een waarde en niet als een
percentage).
De rms-waarde van de stroom is die van de grondfrequentie, vermenigvuldigd met
een coëfficiënt dat afkomstig is van de harmonischen en een functie van de
vervorming is.
 Eén effect van harmonischen is daarom het verhogen van de rms-waarde van de
stroom, wat kan leiden tot temperatuurstijging en daarom grotere geleiders vereist.
Hoe lager de vervorming, hoe minder noodzaak voor grotere geleiders.
Voorbeeld
Ingangsstroom van een driefasige gelijkrichter.
Harmonische vervormingsniveaus
Ih5 = 33%
Ih7 = 2.7%
Ih11 = 7.3%
Ih13 = 1.6%
Ih17 = 2.6%
Ih19 = 1.1%
Ih23 = 1.5%
Ih25 = 1,3%
THDI = 35%
Fig 5.35. Voorbeeld van het spectrum van een harmonische stroom.
∞
THDI% =
∑ (Ih %)
n
2
n= 2
De waarde onder het wortelteken is:
2
2
2
2
2
2
2
2
33 + 2.7 + 7.3 + 1.6 +2.6 + 1.1 + 1.5 +1.3 = 1164
daarom THDI% ≈ 34% en THDI = 0,34.
Ieff = IH1 1+ THDI2 = IH1 1 + 0.342 = 1,056 x I1
De rms-waarde van deze stroom is daarom 5,6% hoger dan de rms-waarde van de
grondfrequentie, dus dan de nominale stroom die geen harmonischen bevat, met
een overeenkomstige temperatuurstijging.
Spanningswaarden
Bij de terminals van een niet-lineaire belasting, waardoor een vervormde periodieke
wisselstroom loopt, is de spanning ook periodiek met een frequentie f en wordt deze
ook vervormd ten opzichte van de theoretische sinusvormige golf. De verhouding
tussen spanning en stroom valt niet meer onder de lineaire wet van Ohm, omdat
deze alleen geldt voor sinusvormige spanningen en stromen. Het is echter wel
mogelijk om een uitbreiding van Fourier toe te passen voor de spanning en de
volgende waarden te definiëren, net als bij de stroom en met dezelfde resultaten:
Afzonderlijke harmonische inhoud van de spanning
UHn
Uhn % = 100
UH1
Het harmonische spectrum kan ook worden berekend voor de spanning.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 77
Harmonischen (vervolg)
Totale harmonische vervorming van spanning
∞
∑ UH
n
2
n= 2
THDU% = 100
∞
= 100
UH1
 UHn 


UH1 
n= 2 
∑
2
∞
=
∑ (Uh )
n
2
n= 2
THDU voor Total Harmonic Distortion, waarbij U voor de spanning staat.
Rms-waarde van een spanning met harmonischen
∞
Irms =
∑ IH
n
2
n =1
Dit kan, net als bij de stroom, ook worden uitgedrukt als:
∞
Urms = UH1 1+
∑Uh
n
2
= IH1 1+ THDU2
n=2
 De rms-waarde van de spanning is die van de grondfrequentie, vermenigvuldigd
met een coëfficiënt die afkomstig is van de harmonischen.
Vermogenswaarden
Vermogensfactor in de aanwezigheid van harmonischen
Op grond van het actieve vermogen op de terminals van een niet-lineaire belasting P
(kW) en het geleverde schijnbare vermogen S (kVA), wordt de vermogensfactor
bepaald door:
P (kW )
λ=
S (kVA )
Deze vermogensfactor weerspiegelt niet de faseverschuiving tussen de spanning en
de stroom omdat deze niet sinusvormig zijn. Het is echter mogelijk om de
verschuiving te bepalen tussen de grondspanning en de grondstroom (beide
sinusvormig) door:
P1(KW )
cos ϕ1 =
S1(kVA )
waarbij P1 en S1 respectievelijk het actieve en reactieve vermogen zijn,
overeenkomstig met de grondwaarden.
Standaard IEC 146-1 definieert de vervormingsfactor:
λ
ν=
cos ϕ1
Wanneer er geen harmonischen zijn, is deze factor gelijk aan 1 en is de
vermogensfactor gewoon de cos ϕ.
Vermogen in de aanwezigheid van harmonischen
• Langs de terminals van een gebalanceerde, driefasige lineaire belasting, gevoed
door een fase-naar-fase-spanning u(t) en een stroom I(t), waarbij de verschuiving
tussen u en i ϕ bedraagt, is het schijnbare vermogen in kVA, afhankelijk van de rmswaarden U en I:
S = UI 3
Het actieve vermogen in kW is: P = S cos ϕ
Het reactieve vermogen in kvar is: Q = S sin ϕ
waarbij:
S=
P2 + Q2
• Op de terminals van een niet-lineaire belasting is de wiskundige definitie van P
veel ingewikkelder, omdat U en I harmonischen bevatten. Dit kan echter eenvoudig
worden uitgedrukt als:
.P = S λ. (λ = vermogensfactor)
Als U1 en I1 de grondwaarden zijn die worden verschoven door ϕ1, is het mogelijk om
het overeenkomstige schijnbare, actieve en reactieve vermogen te berekenen
middels:
S1= U1 I1 3
APC by Schneider Electric
P1 = S1 cos ϕ1 en Q1 = S1 sin ϕ1. Het totale schijnbare vermogen is:
Editie 01/2012
p. 78
Harmonischen (vervolg)
S = P12 + Q12 + D2
waarbij D het vervormende vermogen is, vanwege de harmonischen.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 79
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie
Prestaties voor niet-lineaire
belastingen van UPS'en die
PWM-gebruiken
Belang van de uitgangsimpedantie van de UPS
Overeenkomstig diagram van een inverteruitgang
Wat betreft de belasting, is een inverter een perfecte bron van sinusvormige
spanning V0 in series met een uitgangsimpedantie Zs. Figuur 5.36 toont het
overeenkomstige diagram van de inverteruitgang wanneer er een belasting
aanwezig is.
De inverteruitgang is een perfecte
spanningsbron V0 in series met een
uitgangsimpedantie Zs.
Vc = impedantie langs de belastingsterminals.
Vs = impedantie bij de inverteruitgang.
ZL = lijnimpedantie.
Zc = belastingsimpedantie.
Fig. 5.36. Overeenkomstig diagram van een inverteruitgang.
Effecten van verschillende soorten belasting
• Voor een lineaire belasting worden de impedanties Zs, ZL, Zc geëvalueerd op de
hoekfrequentie ω = 2 π f overeenkomstig de distributiefrequentie (f = 50 of 60 Hz),
hetgeen
V0 = (Zs + ZL + Zc) I oplevert
• Voor een niet-lineaire belasting vloeien de harmonische stromen die door de
belasting worden opgenomen, door de impedanties. Voor de grondfrequentie en elke
afzonderlijke harmonische staan de rms-waarden van de stroom en de spanning in
dezelfde verhouding en kunnen deze worden uitgedrukt als:
- voor de grondfrequentie: U1 = (Zs + ZL + Zc) I1
- voor elke harmonische rangorde k: UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK
De impedantiewaarden worden geëvalueerd op de frequentie kf van de gegeven
rangorde.
De spanningsvervorming neemt af met de afzonderlijke niveaus van de
spanningsharmonischen UK / U1.
Deze niveaus staan in verhouding tot die van de harmonische stromen IK/ I1 middels
de vergelijking:
[Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] / (Zs + ZL + Zc).
 Daarom verminderen, voor een gegeven spectrum van een belastingsstroom, de
afzonderlijke niveaus van spanningsharmonischen en de totale vervorming (THDU),
met de impedantie van de bron en de kabels op de gegeven frequenties.
Gevolgen van niet-lineaire belastingen
Om de effecten van de harmonische stromen tegen te gaan (THDU op B en C), is
het nodig, voor zover mogelijk, om:
• de lijnimpedantie te verminderen,
• voor een lagere bronimpedantie te zorgen op de verschillende harmonische
frequenties.
 Goed functioneren van een UPS die niet-lineaire belastingen voedt, vereist een
lage uitgangsimpedantie op de verschillende harmonische frequenties.
Hieronder staan de voordelen genoemd van de PWM-afsnijtechniek (pulse width
modulation) in dit verband.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 80
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
Werkingsprincipe UPS
Afsnijden van de gelijkstroomspanning door de inverter met filtering
Een inverter bestaat uit een omvormer die gelijkstroom die door de
gelijkrichter/oplader of de batterij wordt geleverd, omvormt in wisselstroom. Bij een
enkelfasige UPS zijn er bijvoorbeeld twee manieren om gelijkstroom om te vormen,
door ofwel een halve brug te gebruiken (zie fig. 5.37) of een hele brug (zie fig. 5.38).
De blokgolfspanning die tussen A en B wordt verkregen, wordt vervolgens gefilterd
om een sinusvormige spanning te produceren met een lage mate van vervorming bij
de uitgang.
De schakelaars die hier zijn afgebeeld om het principe te illustreren, zijn beheerde IGBT's.
Fig. 5.37. Gelijkstroom-/wisselstroomomvormer met halve brug. Fig. 5.38. Gelijkstroom/wisselstroomomvormer met hele brug.
In de praktijk zijn de schakelaars die in de figuren 5.37 en 5.38 zijn afgebeeld,
IGBT's waarbij het mogelijk is om de relatieve aan- en uit-tijden in te stellen.
Door de aan- en uit-tijden in te stellen, is het mogelijk om de spanning over de
sinusvormige referentiegolf te 'distribueren'. Dit principe wordt PWM (pulse width
modulation: pulsbreedtemodulatie) genoemd. Het wordt vereenvoudigd
weergegeven, met vijf blokvormige pulsen, in figuur 5.39. Het gebied van de
sinusvormige spanningsgolf is gelijk aan dat van de blokvormige pulsen die werden
gebruikt om het te genereren. Deze gebieden vertegenwoordigen de door de inverter
geleverde voeding aan de belasting gedurende een bepaalde tijd, dus
T
∫ VIdt
0
Hoe hoger de afsnijfrequentie (hoe hoger het aantal blokvormige pulsen), hoe beter
de regeling is met betrekking tot de referentiegolf. Afsnijden vermindert ook de
grootte van het benodigde interne filter op de LC-uitgang (zie fig. 5.40).
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 81
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
Fig. 5.39. Uitgangsspanning van gelijkstroom- Fig. 5.40. Uitgangsfilter van inverter.
/wisselstroomomvormer
met vijf blokvormige pulsen per halve golf.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 82
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
PWM-inverters
PWM-afsnijding
De afsnijtechniek bij PWM (pulse width modulation) combineert het afsnijden van
hoge frequenties (een paar kHz) van de gelijkstroomspanning door de inverter en
de regeling van de pulsbreedte voor de inverteruitgang, om te voldoen aan een
sinusvormige referentiegolf.
Deze techniek gebruikt IGBT's (insulated gate bipolar transistors) die de voordelen
van spanningsregeling en zeer korte commutatietijden bieden. Vanwege de hoge
frequentie kan het regelsysteem snel reageren (bijvoorbeeld 333 nanoseconden
voor een frequentie van 3 kHz) om de pulsbreedten binnen een gegeven tijdsduur
aan te passen.
 Vergelijking met de referentiespanningsgolf maakt het mogelijk om de
uitgangsspanning van de inverter binnen strikte vervormingstoleranties te houden,
zelfs voor ernstig vervormde stromen.
Functioneel diagram van een PWM-inverter
Figuur 5.41 toont het functionele diagram van een PWM-inverter.
De uitgangsspanning wordt doorlopend vergeleken met de referentiespanning Vref
die een sinusvormige golf is met een zeer lage mate van vervorming (< 1%).
Het verschil in de spanning ε wordt verwerkt door een corrector, volgens een
omschakelfunctie C(p), die bedoeld is om de prestaties en stabiliteit van het beheer
te waarborgen.
De spanning van de corrector wordt vervolgens versterkt door de
gelijkstroom/wisselstroomomvormer en zijn beheersysteem met een winst A. De
spanning Vm die door de converter wordt geleverd, wordt gefilterd door het LC-filter
om de uitgangsspanning Vs te leveren.
In de praktijk is het nodig om rekening te houden met de impedantie van de
uitgangstransformatior wanneer deze er is, om de totale inductiviteit L te verkrijgen.
Vaak is de inductiviteit in de transformator ingebouwd, en daarom is deze niet
opgenomen in diagrammen.
Fig. 5.41. Functioneel diagram van een PWM-inverter.
Uitgangsimpedantie van een PWM-inverter
Het is mogelijk om bovenstaande gelijkstroom-/wisselstroomomvormer en filter als
een seriële impedantie Z1 en een parallelle impedantie Z2 weer te geven (zie de
linkerkant van fig. 5.42).
Het diagram kan worden gewijzigd om de uitgangsimpedantie Zs weer te geven.
Het betreffende diagram (rechterkant van fig. 42) toont:
Z2
• V'm = spanning gemeten tijdens ontbreken van belasting, dus. V'm = Vm
Z1 + Z 2
• Zs = impedantie gemeten bij de uitgang met kortsluiting bij V'm, dus:
Z1 Z 2
Zs =
Z1 + Z 2
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 83
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
Fig. 5.42. Overeenkomstig diagram van een inverter zoals gezien vanaf de uitgang.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 84
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
Z2
is de omschakelfunctie van het filter, H(p) genoemd.
Z1 + Z 2
Vereenvoudigd: C(p) x A wordt vervangen door µ(p) die de omschakelfunctie van de
correctie en versterking vertegenwoordigt.
Op die manier is het mogelijk om fig. 5.41 te vervangen door het functionele diagram
in fig. 5.43.
De verhouding
Fig. 5.43. Getransformeerd functioneel diagram van een PWM-inverter met afsnijfunctionaliteit,
uitgerust met een regelsysteem voor de uitgangsspanning met een gemoduleerde
afsnijfrequentie.
Het is mogelijk om te laten zien dat de uitgangsimpedantie Zs van de inverter in dit
geval gelijk is aan:
Z1
Z' s ≈
µ (p)
(raadpleeg Schneider Electric Cahier Technique document no. 159 voor meer
informatie).
Dit betekent dat in het doorlaatbereik van de regeling de uitgangsimpedantie van de
inverter gelijk is aan de impedantie van de filterserie, gedeeld door de toename van
de correctie en versterking.
Gezien de hoge toename in het doorlaatbereik van de regeling, wordt de
uitgangsimpedantie aanzienlijk gereduceerd vergeleken met impedantie Z1 van een
inverter zonder dit type regeling.
Buiten het doorlaatbereik is de uitgangsimpedantie van de inverter gelijk aan die van
het filter, maar blijft deze laag omdat deze overeenkomt met de impedantie van een
hoogfrequente condensator.
Daarom is de uitgangsimpedantie een functie van de frequentie (zie fig. 5.44).
 De vrije-frequentie PWM-techniek (pulse width modulation) beperkt de
uitgangsimpedantie aanzienlijk.
Vergelijking van
verschillende bronnen
Uitgangsimpedantie van verschillende bronnen
De curven in figuur 5.44 tonen de uitgangsimpedanties voor verschillende bronnen
met gelijke uitgangsvermogens als een functie van de wisselstroomfrequentie. De
impedanties worden uitgezet als een percentage van de belastingsimpedantie Zc.
• Transformators en generatoren - de curve is een rechte lijn die overeenkomt met
het effect van de inductiviteit L (de term die steeds vaker wordt gebruikt in de
reactantie met betrekking tot de weerstand en die lineair toeneemt als een functie
van de frequentie).
• Moderne inverters implementeren de PWM-afsnijtechniek met gemoduleerde
afsnijfrequentie, op alle harmonische frequenties is de Zs/Zc-verhouding:
- minder dan die die voor andere bronnen is vastgesteld,
- laag en nagenoeg constant.
Conclusie
De PWM-inverter is de bron die verreweg de laagste uitgangsimpedantie biedt als er
sprake is van harmonischen. Het is duidelijk de beste bron op de markt wat betreft
het vermogen om de spanningsvervorming die wordt veroorzaakt door niet-lineaire
belastingen, te minimaliseren. Het is vijf tot zes keer beter dan een transformator met
een identiek nominaal vermogen.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 85
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
 De nieuwe generatie UPS'en die IGBT's en de PWM-afsnijtechniek
implementeren met frequentiemodulatie zijn de beste bronnen van sinusvormige
spanning, wat het type stroom ook mag zijn dat door de belasting wordt opgenomen.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 86
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
Fig. 5.44. Uitgangsimpedantie van verschillende bronnen afhankelijk van de frequentie.
Chopping met vrije
frequenties
Chopping met vrije frequenties
Vrije frequentie is een verbetering van de PWM-techniek.
PWM-afsnijden kan een van twee technieken gebruiken (fig. 5.45).
Afsnijden van de vaste frequentie
De afsnijpunten bevinden zich op vaste, regelmatige intervallen die overeenkomen
met de afsnijdfrequentie gedurende een periode.
De breedte van de pulsen (blokvormige pulsen) kan worden gemoduleerd om te
voldoen aan de referentie binnen het vastgestelde tijdsinterval.
De twee sinusgolven die in het diagram zijn afgebeeld, komen overeen met de
tolerantie (< 1%) rond de referentiesinusgolf.
Chopping met vrije frequenties
De afsnijpunten komen niet per se voor op vaste intervallen. Afsnijden past zich aan
de vereisten van de regeling aan, dat wil zeggen de veranderingssnelheid van de
referentie. De breedte van de commutatiepunten neemt af (de afsnijdfrequentie
neemt toe) naarmate de veranderingssnelheid van de referentiesinusgolf toeneemt.
Omgekeerd neemt de breedte van de commutatiepunten toe (de afsnijdfrequentie
neemt af) naarmate de veranderingssnelheid van de referentie afneemt. Over het
algemeen is de gemiddelde afsnijdfrequentie dezelfde als die voor techniek met
vaste frequentie (ongeveer 3 kHz). Maar de regeling is beter omdat de commutatie
toeneemt in de zones waar de veranderingssnelheid hoog is (zie fig. 5.46).
Het kan acht commutaties per milliseconde bereiken, dus een regeltijd die slechts
125 nanoseconden bedraagt (vergeleken met 300 ns voor de techniek met vaste
frequentie).
 De vrije-frequentie techniek verhoogt de precisie van de spanningsregeling in
PWM-inverters vergeleken met de techniek met vaste frequentie.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 87
Niet-lineaire belastingen en PWMtechnologie (vervolg)
De afsnijdfrequentie is vast.
Modulatie vindt plaats binnen vaste intervallen,
ongeacht de veranderingssnelheid van de
referentiesinusgolf.
Vaste frequentie.
De vrije afsnijdfrequentie neemt toe waar de
veranderingssnelheid van de referentie hoog
is.
Modulatie vindt daarom plaats binnen
intervallen die korter zijn wanneer de
veranderingssnelheid van de
referentiesinusgolf toeneemt.
Vrije frequentie.
Fig. 5.45. PWM-afsnijden met regeling met vaste frequentie en vrije frequentie.
Free-frequency
switching
Quality
band with
variations
< 1%
Output voltage
curve
Up to 8 commutations
per millisecond
Fig. 5.46. Regeling die gebruikmaakt van commutatie met vrije frequentie.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 88
PFC-gelijkrichters
Standaard- en PFC-gelijkrichters
UPS-eenheden nemen via een gelijkrichter/oplader stroom op van het
distributiesysteem dat wisselstroom levert. Voor wat betreft het systeem
stroomopwaarts, is de gelijkrichter een niet-lineaire belasting die harmonischen
opneemt. Met betrekking tot harmonischen zijn er twee soorten gelijkrichters.
Standaardgelijkrichters
Dit zijn driefasige gelijkrichters die SCR's bevatten en een zesfasige brug gebruiken
met standaard afsnijding van de stroom.
Dit type brug neemt harmonische stromen op met rangorden van n = 6 k ± 1 (waarbij
k een geheel getal is), voornamelijk H5 en H7, en in mindere mate H11 en H13.
Harmonischen worden onder controle gehouden met behulp van een filter.
'Schone' PFC-gelijkrichter (Power Factor Correction)
Dit type gelijkrichter bestaat uit ingebouwde IGBT's en een regelsysteem dat de
ingangsspanning en -stroom aanpast aan een referentiesinusgolf. Deze techniek
zorgt voor een ingangsspanning en -stroom die:
• perfect sinusvormig zijn, dat wil zeggen vrij van harmonischen,
• in fase zijn, dat wil zeggen een ingangsvermogensfactor hebben dichtbij 1.
Met dit soort gelijkrichter zijn er geen filters nodig.
PFC-gelijkrichters
Werkingsprincipe
Het principe achter PFC-gelijkrichters is dat de opgenomen stroom wordt
gedwongen om sinusvormig te blijven. Daartoe wordt de bovenstaande PWMtechniek gebruikt.
Het principe is dat van een 'spanningsbron'-converter (zie fig. 5.47), terwijl de actieve
harmonische spanningsregelaar van AccuSine een 'stroombron'-converter gebruikt.
De converter fungeert als een achterwaartse elektromotorische kracht (een
'sinusvormige spanningsgenerator') op het distributiesysteem en de sinusvormige
stroom wordt verkregen door een inductor te plaatsen tussen de netstroom en de
spanningsbron.
Zelfs als andere niet-lineaire belastingen de spanningsvervorming opvoeren op het
distributiesysteem, kan de regeling zich aanpassen om een sinusvormige stroom op
te nemen.
De frequentie van harmonische stromen met laag residu is de frequentie van de
modulatie en zijn veelvouden. Frequentie hangt af van de mogelijkheden van de
gebruikte halfgeleiders.
Fig. 5.47. Werkingsprincipe van een schone 'spanningsgenerator'-converter.
Implementatie
Enkelfasige gelijkrichter
Figuur 5.48 toont de werking van een enkelfasige gelijkrichter.
Spanningsmodulatie wordt verkregen door een controller die de stroom dwingt een
sinusvormige stroomreferentie te volgen.
Transistor T en diode D vormen de spanningsregelaar. De spanning u verandert dus
tussen 0 en Vs al naar gelang transistor T in de aan- of uit-stand staat.
Wanneer transistor T geleidt, kan de stroom in inductor L alleen toenemen als de
spanning positief is en u = 0.
Daarom:
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 89
PFC-gelijkrichters
di e
= >0
dt L
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 90
PFC-gelijkrichters (vervolg)
Wanneer transistor T uit staat, neemt de stroom L af, mits Vs groter is dan V, zodat:
di e − Vs
=
>0
dt
L
Deze voorwaarde kan pas vervuld worden als spanning Vs groter is dan de
piekspanning V, dat wil zeggen, de rms-waarde van de gelijkstroomspanning
vermenigvuldigd met 2
Als deze voorwaarde is vervuld, kan de stroom in L worden verhoogd of verlaagd op
elk gewenst moment. De variatie van de stroom in L met tijd kan worden
afgedwongen door de respectievelijke aan- en uit-tijden van transistor T te bewaken.
Figuur 5.49 toont de ontwikkeling van stroom IL ten opzichte van een
referentiewaarde.
Gezien vanuit de bron moet de converter
handelen als een weerstand, dus stroom i
moet sinusvormig zijn en in fase met e (cos ϕ
= 1).
Door de transistor T aan te sturen, dwingt de
controller IL een sinusvormige
stroomreferentie te volgen met gelijkrichting
van de volledige golf. De vorm van I is daarom
per definitie sinusvormig en in fase met e.
Bovendien past de controller de gemiddelde
waarde van IL aan om de spanning Vs op zijn
nominale waarde te houden bij de uitgang.
Fig. 5.48. Diagram van een schone, enkelfasige gelijkrichter die een sinusvormig signaal
opneemt.
Fig. 5.49. Ontwikkeling van stroom IL met betrekking tot de referentie.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 91
PFC-gelijkrichters (vervolg)
Driefasige gelijkrichter/oplader
Het hoofdcircuitsysteem wordt afgebeeld in fig. 5.50. Het lijkt op dat in fig. 5.48,
waarbij de inductor stroomopwaarts van de gelijkrichters wordt geplaatst. Het
werkingsprincipe is ook hetzelfde. Het bewakingssysteem stuurt elke vermogensarm
aan en dwingt de stroom die op elke fase wordt opgenomen, om de sinusvormige
referentie te volgen
Fig. 5.50. Diagram van een schone, driefasige gelijkrichter die een sinusvormig signaal
opneemt.
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 92
PFC-gelijkrichters (vervolg)
APC by Schneider Electric
Editie 01/2012
p. 93