BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Stromversorgungslösungen für hochverfügbare Data Center
Optimierung von Verfügbarkeit und Effizienz
durch innovative Versorgungskonzepte
Ing. Thomas Ott
BEA Electrics GmbH Wien
Fachbereichsleiter PILLER Stromversorgung
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Überblick
Begriffsklärung
• statische / dynamische USV
• statische / rotierende Energiespeicher
• Diesel-USV-Anlagen
Anwendungsbereiche - Referenzen
Optimaler Aufbau einer RZ-Versorgung
• Spannungsfeld SICHERHEIT vs. KOSTEN
• 4 unterschiedliche Redundanzkonzepte
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Rückwirkungsfreier IGBT-Gleichrichter
Off-Line Batterie mit Ladegerät
DC/DC-Steller ohne WR-Anpass-Trafo
PF-Auslegung 0,9 und hohe Wirkleistung im kapazitiven Bereich
APOSTAR AP Premium
Optimierte statische USV-Anlage bis 400 kVA
Bypass
Gleichrichter Wechselrichter
Netz 2
Last
Batterie
Netz 1
DC/DC-Converter
Batterie-ThyristorLadegerät
ohne
Trafo
THDi <3%
höhere Batterie-Lebensdauer
Wirkungsgrad >95%
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Startmotor
Bürstenlose Erregung
Traglager
Unbelastetes
Führungslager
Das Herzstück aller rotierenden
„dynamischen“ USV Anlagen bei
Piller ist die UNIBLOCK-
Maschine, bestehen aus einem
Synchronmotor und einem
Synchrongenerator mit
gemeinsamen Läufer.
Funktionsprinzip:
„Rotierender Filter“
Gemeinsamer Rotor
mit Dämpferwicklung
Motor- und
Generatorwicklung im
gemeinsamen Stator
Dynamische USV-Systeme Typ UNIBLOCK
Synchronmaschine mit doppelter Statorwicklung
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Symmetrischer, sinusförmiger Eingangsstrom mit Leistungsfaktor 0,99
Sinusförmige Ausgangsspannung und geringer Innenwiderstand
Oberschwingungen werden beidseitig abgesaugt („rotierender Filter“)
…und das alles ohne Leistungskondensatoren oder elektronische Filter !!!
Verbraucherstrom
Ausgangsseite
der USV
Ausgangs-
spannung
Netzstrom
Eingangsseite
der USV
Netzspannung
Funktion der UNIBLOCK-Maschine
Erreger-
wicklung
Dämpfer-
wicklungMotor-
wicklungGenerator-
wicklung
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
• Der Generator liefert den 14fachen Nennstrom in den Kurzschluss
• garantiert Abschaltung des gestörten Verbrauchers in 10ms
Funktion der UNIBLOCK-Maschine
Schnelle Kurzschluss-Abschaltung
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Scheitelstrom
Verbraucherstrom
1Effektivstrom
Verbraucherspannung
ScheitelstromEffektivstrom
Crestfaktor =Praktisch unbegrenzter Crestfaktor
Funktion der UNIBLOCK-Maschine
Unbegrenzter Crestfaktor
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
p.f. 0.8p.f. 1.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
P
(kW)
0 20 40 60 80 100-20-40-60-80-100
Q (kVAr)
Kapazitive Last Induktive Last
Funktion der UNIBLOCK-Maschine
Ortskurve bei kapazitiver und induktiver Last
Statische
USV
=
Dynamische
USV
p.f. 0.8
p.f. 0.7
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Funktion der UNIBLOCK-Maschine
Funkentstörung - EMV
Vergleich der Grenzwerte:
C3 (ehem. „eingeschränkter Vertrieb“): 3,16 V
C2 (ehem. „Klasse A“): 0,0089 V
Grenzwerte C3 bis zu 355x höher
als bei C2 zulässig!
UNIBLOCK-Anlagen erfüllen
standardmäßig C2 (ehem. Klasse A),
ohne dass zusätzliche EMV-Filter
erforderlich sind
MHz
C3
C2
C1
VdBμV
0
0,001
0,01
0,1
1
1
3,16
Grenzwerte nach EN 62040-2
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Batteriegestützte rotierende USV von 150 kVA bis 1670 kVA Blockleistung
Kühlung durch das Lüfterrad des UNIBLOCK - optional Wasserkühlung
Batteriegestützte Anlagen
UNIBLOCK UBR
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
USV Umluftkühler
UNIBLOCK mit Wasserkühlung
A
B
A: Der geschlossene Luftkreislauf
wird durch ein eingebautes
Lüfterrad im Rotor der
elektrischen Maschine betrieben.
B: Der UNIBLOCK mit
eingebauter Wasserkühlung ist
an den Kaltwasserkreislauf des
Gebäudes angeschlossen.
USV und Klimagerät verschmelzen zu einem System
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Statische und dynamische Energiespeicher
Vergleich: Bleibatterie vs. Powerbridge
Chemisches
Energiespeicher
Kinetischer
Energiespeicher
Umgebungsteperatur 20°C 0-40°C
Klimatisierung erforderlich ja nein
Platzbedarf groß sehr gering
Lebensdauer 5 – 10 Jahre > 20 Jahre
Wartung & Service aufwendig gering
Altersbedingte
Kapazitätsminderungja nein
Kapazitätserkennung aufwendig Drehzahlmessung
Rückleistungsaufnahme nein ja
POWERBRIDGE 16,5 MWs magnetisch entlastet
mit Helium gefüllt
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Hoher Wirkungsgrad bis 96 %
Hohe MTBF= 1.3 Mio.Std.
Sinusförmige Ein-/Ausgangsspannung
Alle Vorteile des Uniblock-Generators
Netzkurzschlüsse ohne Unterbrechung
Gute Dämpfung von Oberschwingungen
Großer Eingangsspannungsbereich
Alternativ: Batteriespeicher
Funktion UNIBLOCK UBT
Gesicherte
LastNetz
Automatischer Bypass
Koppeldrossel
Powerbridge
= ~
=
~GG
M
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Powerbridge Umrichter Drossel Leistungsschalter
UNIBLOCK
Maschine
Batterielose USV-Anlage
UNIBLOCK UBT mit PowerBridge
Batterielose rotierende USV von 420 kVA bis 2000 kVA Blockleistung
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Diesel
Motor
Unbegrenzte Überbrückungszeit
Exzellente Frequenzstabilität bei Dieselbetrieb
UNIBLOCK UBTD
Komplettlösung mit gekoppeltem Diesel
Powerbridge
= ~
=
~G
Gesicherte
LastNetz
Automatischer Bypass
Koppeldrossel
GMG
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Diesel
Motor
Im Dieselbetrieb wird der Uniblock mechanisch vom Diesel angetrieben
Die Generatorwicklung versorgt über die Drossel unsere Last
Die Motorwicklung dient nur zur Stabilisierung von Lastsprüngen
Bei Dieselbetrieb kann die Motorwicklung daher zusätzlich als
2. Generatorwicklung die unkritischen Verbraucher versorgen
Unkritische
Last
Optionale
Netzersatz-
schiene
UNIBLOCK UBTD
Diesel-USV mit zusätzlicher NEA-Schiene
Powerbridge
= ~
=
~G
Gesicherte
LastNetz
Automatischer Bypass
Koppeldrossel
GMG
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
UNIBLOCK UBTD
Containerlösung für höchste Flexibilität
Keine Infrastrukturmaßnahmen vor Ort
Optimale Prüfung vor Auslieferung im Werk
Minimaler Platzbedarf
Flexible Aufstellmöglichkeiten - sofort betriebsbereit
Einsatz an unterschiedlichen Aufstellorten möglich
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
• Powerbridge Speicher: elektrisch mit dem Uniblock gekoppelt
• Piller Diesel-USV-Systeme sind bis 1670 kVA
alternativ auch mit Batteriespeicher verfügbar
PILLER Diesel-USV-Anlagen
UNIBLOCK UBTD von 400 kVA bis 3000 kVA
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
PILLER Diesel-USV-Anlagen
Referenzfotos UNIBLOCK UBTD625/625
Piller UNIBLOCK
UBTD 625/625
USV: 625kVA
NEA: 625kVA
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Flughäfen & Luftfahrt
Bank- & Finanzwesen
Industrielle Prozesse
Telekom & Rundfunkübertragung
Rechenzentren
Anwendungen und Referenzen
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
RZ-STROMVERSORGUNG
IM SPANNUNGSFELD
SICHERHEIT vs. KOSTEN
Optimaler Aufbau eines USV-Systems für die RZ-Versorgung:
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Parallel-
Steuerung
USV
2
Hand-Service-
Bypass
Ungesichertes Netz
Ungesicherte
VerbraucherUSV
3
USV
4
Trenner
USV-Verteilung
USV-Sammelschiene
USV
1
Restrisiko 1: Parallelsteuerung
Steuerung und Regelung des
Verbandes ist nur 1x vorhanden.
Systemfehler führen zum
Bypassbetrieb oder Ausfall
Restrisiko 2: Sammelschiene
Gemeinsame Komponenten wie
die USV-Verteilung können zum
Totalausfall führen.
Wie funktioniert die Kurzschlussabschaltung?
- Selektive Auslegung der Verteilung
- Max. zulässige Auslösezeit nur ca. 10 ms
Aufbau von Redundanzen durch
Parallelschaltung von n+1 Modulen
Restrisiko 3: Selektivität
Ein Kurzschluss an einem
Verbraucher kann zum Ausfall des
Gesamtsystems führen.
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
USV
B2
Hand-Service-
Bypass
Ungesichertes Netz B
Ungesicherte
VerbraucherUSV
Bn
USV
B+1
Trenner
USV-Verteilung
B
USV-Sammelschiene B
USV
B1
System – Redundanz mit (N+1) + (N+1)
Isoliert-redundanter Versorgung
USV
A2
Hand-Service-
Bypass
Ungesichertes Netz A
Ungesicherte
VerbraucherUSV
An
USV
A+1
Trenner
USV-Verteilung
A
USV-Sammelschiene A
USV
A1
max. 50% Last max. 50% Last
Realbetrieb 80%: 40% Last 40% Last
Realbetrieb (3+1): 30% Last 30% Last
Damit sinkt der angegebene Nennwirkungsgrad von z.B. 95%
in der Realität auf ca. 90% - d.h. Verdopplung der Verluste!
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Isolierte Redundanz mit Transferschaltern
A-B Schienenversorgung in n+1 Technik
USV
1
300kVA
Netz und NEA
Schiene A
Schiene B
USV
2
100kVA
Für jeden Bereich
ein „Versorgungsmodul“
USV
n+1
300kVA
Gemeinsame Redundanz
USV
n
200kVA
Modulleistung genau
an die Last angepasst
Vorteile: keine Beeinflussung der Module untereinander
keine Beeinflussung zwischen Schiene A und B
Sehr hohe Verfügbarkeit
durch isolierte Redundanz
bei Verwendung hochwertiger
Transferschalter
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Isolierte Redundanz: …was der Transferschalter
bei einem Kurzschluss können muss
USV1
A B
USVR
1. Es tritt ein Kurzschluss am
Ausgang A auf
(Sub-Verteiler defekt)
2. Transferschalter 1
erkennt den Kurzschluss
und blockiert das Umschalten
1 2
U=0V U=0V
U=0V
U=230V
USV1
USVR
3. Transferschalter 2
erkennt Unterspannung
am „linken“ Eingang
4. und schaltet innerhalb 2-3ms
praktisch unterbrechungsfrei
auf den „rechten“ Eingang um
1 2
U=0V U=230V
U=0V
U=230V
A B
USV1
USVR
5. USV 1 geht an ihr Stromlimit
bzw. schaltet auf Bypass
6. Der Kurzschlussstrom löst das
Sicherungselement hinter
Transferschalter 1 aus und trennt
(erst jetzt) die defekte Last ab
1 2
U=0V U=230V
U=230V
U=230V
U=230V
A B
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Statischer Transferschalter
APOTRANS AT – eine Piller Eigenentwicklung
Besonderheiten Piller APOTRANS III
Optimierte Kurzschlusserkennung
Sicherungsloses Design mit verstärkten Thyristoren
Interne Redundanzen
2 redundante Microcontroller (Master/Slave)
2+1 redundante Netzteile
2x 2 redundante Lüfter (überwacht)
4-polig schaltend
Der APOTRANS ist eine Piller Eigenentwicklung
und wird bereits in der 3. Gerätegeneration in
Deutschland gefertigt. Damit erreichten wir den
optimalen Sicherheitsstandard für das
redundanzbildende Gerät Ihrer Versorgungskette.
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Zusammenfassung
der gewünschten Vorteile
ISOLIERT-redundanter Betrieb
Keine „Single-Points“, keine Parallelregelung der Systeme
Getrennte Versorgung für A- und B-Schiene
Sehr hohe Zuverlässigkeit (MTBF >50 Mio. Stunden)
Freischaltbarkeit aller Komponenten ohne Verlust des USV-Schutzes
Selektivität für defekte Abgänge durch den Transferschalter
System-Leistungen auch >3,5 MVA möglich
PARALLEL-Betrieb mit n+1 Redundanz
Lastausgleich zwischen den Modulen zur Optimierung der Auslastung
Kostenoptimiert durch geringe Anzahl der Komponenten
Kombination dieser Vorteile:
ISOLIERT PARALLELE USV-Konfiguration
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
ISOLIERT PARALLELE USV-Systeme
technische Voraussetzungen
Anforderungen an die USV-Systeme:
Dynamische USV mit generatorischer Spannungserzeugung
Dynamischer Energiespeicher, der die Nennleistung im Sekundenbereich
abgeben, aber auch aufnehmen kann (Dämpfung bei Laständerungen)
Anforderungen an den „Isolierten Parallel – Bus“
Sternförmige Verbindung der Module
Verbindung der Module über Koppeldrosseln
Last
Netz
Isolierter Parallelbus
(IP-Bus)
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Der IP-Bus wird zu einem Ring geschlossen (RETURN-BUS)
Die Lasten können alternativ aus dem IP-Bus versorgt werden
Damit ist die Freischaltung eines Moduls für Wartungen möglich
Umschaltung erfolgt überlappend und somit für die Last vollständig unterbrechungsfrei
ISOLIERT PARALLELE USV-Systeme
technische Voraussetzungen
……
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Redundante IP-Bus Versorgung
Abläufe bei Ausfall eines Modules
M/G
G
~~
M/G
G
~~
M/G
G
~~
M/G
G
~~
UPS 1 UPS2 UPS 3 UPS n
Mains
Critical
load 1Critical
load 2
Critical
load 3Critical
load n
……
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Spannung: 97,8% 97,8% 97,8% 97,8%
VORTEIL des IP-BUS: Keine Beeinträchtigung
anderer Verbraucher bei Störung eines Abganges
1 2 3 4 16
0V
700A 23kA
11kA
700A 700A 700A
Eigenschaften des IP-Systems
Trennung der Ausgänge im Fehlerfall
……
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Eigenschaften des IP-Systems
Gute Lastverteilung durch Parallelschaltung
VORTEIL des IP-BUS: Mittlere Lastverteilung bei unterschiedlicher
Belastung der Ausgänge stellt sich automatisch ein
1 2 3 4 16
80% 80% 80% 80%40%
78% 78% 78% 78%70%
2% 2% 2% 2%-30%
……
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
ZusammenfassungEinsatzbereiche der 4 Systemkonfigurationen
Redundant-Parallele Konfiguration (n+1)
Für durchschnittliche Verfügbarkeits-Anforderungen gemäß TIER 2-3
System-Redundante Konfiguration (n+1) + (n+1)
Bei Vorgabe System-Redundanz nach TIER 4
Isoliert Redundante Konfiguration „Transferschalter“
Modularer Aufbau, auch mit unterschiedlicher Leistung, bis TIER 3+
Bis 1,1 MVA pro Lastabgang, Gesamtleistung nahezu unbegrenzt
Isoliert Parallele Konfiguration „IP-Bus“
Großrechenzentren von 1,2 MW bis 20MW (darüber in MV-Ausführung)
Modular ausbaubar mit 4 - 16 Anlagen im Endausbau
Ideal für Hochverfügbarkeits-Anwendungen
BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company
Für weitere Informationen:
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Lastenstraße 19
1230 Wien / Österreich
Ing. Thomas Ott
Fachbereich PILLER Stromversorgung
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