Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung oder Stromquelle ( USV ) ist ein elektrisches Gerät, das Notstrom für eine Last bereitstellt, wenn die Eingangsstromquelle oder der Netzstrom ausfällt. Eine USV unterscheidet sich von einem Hilfs- oder Notstromsystem oder einem Standby-Generator dadurch, dass sie einen nahezu augenblicklichen Schutz vor Unterbrechungen der Stromversorgung bietet, indem sie die in Batterien, Superkondensatoren oder Schwungrädern gespeicherte Energie liefert. Die Akkubetriebsdauer der meisten unterbrechungsfreien Stromquellen ist relativ kurz (nur wenige Minuten), reicht jedoch aus, um eine Standby-Stromquelle zu starten oder die geschützten Geräte ordnungsgemäß herunterzufahren. Es ist eine Art Dauerstromsystem.
Eine USV wird normalerweise zum Schutz von Hardware wie Computern, Rechenzentren, Telekommunikationsgeräten oder anderen elektrischen Geräten verwendet, bei denen eine unerwartete Stromunterbrechung zu Verletzungen, Todesfällen, schwerwiegenden Geschäftsstörungen oder Datenverlust führen kann. Die Größe der USV-Einheiten reicht von Einheiten, die zum Schutz eines einzelnen Computers ohne Videomonitor (etwa 200 Volt Ampere) ausgelegt sind, bis zu großen Einheiten, die ganze Rechenzentren oder Gebäude versorgen. Die weltweit größte USV, das 46-Megawatt-Batteriespeichersystem (BESS) in Fairbanks, Alaska, versorgt die gesamte Stadt und die umliegenden ländlichen Gemeinden bei Ausfällen. [1]
Häufige Probleme mit der Energieversorgung [ edit ]
Die Hauptfunktion einer USV besteht darin, kurzfristig Strom bereitzustellen, wenn die Eingangsstromquelle ausfällt. Die meisten USV-Einheiten sind jedoch in der Lage, häufig auftretende Probleme mit der Stromversorgung zu beheben:
- Spannungsspitze oder anhaltende Überspannung
- Kurzzeitige oder anhaltende Verringerung der Eingangsspannung
- Spannungsabfall
- Rauschen, definiert als hochfrequenter Übergang oder Oszillation, der normalerweise von nahegelegenen Geräten in die Leitung injiziert wird.
- Instabilität von die Netzfrequenz
- Harmonische Verzerrung, definiert als Abweichung von der auf der Leitung erwarteten idealen Sinuswellenform
Einige Hersteller von USV-Einheiten kategorisieren ihre Produkte nach der Anzahl der Probleme, mit denen sie in Verbindung stehen. [2]
Technologies [ edit ]
Die drei allgemeinen Kategorien moderner USV-Systeme sind online line-interactive und Standby [3][4] Eine Online-USV verwendet eine "Doppelwandler" -Methode, um den AC-Eingang anzunehmen, den Durchgang durch den wiederaufladbaren Akku (oder die Batteriestränge) auf Gleichstrom umzuwandeln und dann wieder auf 120 V / 230 V AC umzuwandeln geschützte Ausrüstung nt. Eine Line-Interactive-USV hält den Wechselrichter in Linie und leitet den Gleichstrompfad der Batterie vom normalen Lademodus auf die Stromversorgung, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. In einem Standby-System ("Offline") wird die Last direkt von der Eingangsleistung gespeist, und die Notstromversorgungsschaltung wird nur aufgerufen, wenn die Netzspannung ausfällt. Die meisten USV unter 1 kVA sind linieninteraktiv oder stehen im Standby-Modus und sind in der Regel weniger teuer.
Bei großen Stromversorgungen werden manchmal dynamische unterbrechungsfreie Stromversorgungen (DUPS) verwendet. Ein Synchronmotor / Generator ist über eine Drossel am Netz angeschlossen. Energie wird in einem Schwungrad gespeichert. Wenn die Netzspannung ausfällt, hält eine Wirbelstromregelung die Last an der Last aufrecht, solange die Energie des Schwungrads nicht erschöpft ist. DUPS werden manchmal kombiniert oder integriert mit einem Dieselgenerator, der nach einer kurzen Verzögerung eingeschaltet wird, um eine unterbrechungsfreie Diesel-Drehstromversorgung (DRUPS) zu bilden.
In den letzten Jahren wurde eine Brennstoffzellen-USV entwickelt, bei der Wasserstoff und eine Brennstoffzelle als Stromquelle verwendet wurden, wodurch möglicherweise lange Laufzeiten auf kleinem Raum erzielt wurden. [5]
Offline / Standby [ edit ]]
Die Offline- / Standby-USV (SPS) bietet nur die grundlegendsten Funktionen, die Überspannungsschutz und Batterie-Backup bieten. Das geschützte Gerät wird normalerweise direkt an die Netzstromversorgung angeschlossen. Wenn die ankommende Spannung einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder übersteigt, schaltet die SPS ihre interne Wechselrichter-Wechselrichterschaltung ein, die von einer internen Speicherbatterie gespeist wird. Die USV schaltet dann das angeschlossene Gerät mechanisch an den Ausgang des Wechselrichters an. Die Umschaltzeit kann bis zu 25 Millisekunden betragen, abhängig von der Zeit, die die Standby-USV benötigt, um die verlorene Netzspannung zu erkennen. Die USV kann bestimmte Geräte, z. B. einen Computer, mit Strom versorgen, ohne dass das Gerät beschädigt wird.
Line-interactive [ edit ]
Die Line-Interactive-USV ist im Betrieb einer Standby-USV ähnlich, jedoch mit einem Multi-Tap-Variotransformator mit variabler Spannung. Dies ist eine spezielle Art von Transformator, der angetriebene Drahtwicklungen hinzufügen oder subtrahieren kann, wodurch das Magnetfeld und die Ausgangsspannung des Transformators erhöht oder verringert werden. Dies kann auch durch einen Buck-Boost-Transformator ausgeführt werden, der sich von einem Autotransformator unterscheidet, da der erstere zur galvanischen Trennung verdrahtet sein kann.
Diese Art von USV ist in der Lage, dauerhafte Unterspannungsabbrüche und Überspannungsstöße zu tolerieren, ohne die begrenzte Reservebatterie zu verbrauchen. Es kompensiert stattdessen automatisch die unterschiedlichen Leistungsabgriffe des Spartransformators. Je nach Ausführung kann das Wechseln des Transformators des Autotransformators zu einer sehr kurzen Unterbrechung der Ausgangsleistung führen [6] was dazu führen kann, dass USVs, die mit einem Stromausfallalarm ausgestattet sind, kurzzeitig "girp" sind.
Dies ist selbst bei den billigsten USVs beliebt geworden, da bereits enthaltene Komponenten genutzt werden. Der 50/60 Hz-Haupttransformator, der zum Umwandeln zwischen Netzspannung und Batteriespannung verwendet wird, muss zwei geringfügig unterschiedliche Windungsverhältnisse bereitstellen: Einer zum Umwandeln der Batterieausgangsspannung (normalerweise ein Vielfaches von 12 V) in Netzspannung und eines zweiten zum Umwandeln die Netzspannung auf eine etwas höhere Batterieladespannung (z. B. ein Vielfaches von 14 V). Der Unterschied zwischen den beiden Spannungen besteht darin, dass zum Laden einer Batterie eine Dreieckspannung erforderlich ist (bis zu 13–14 V zum Laden einer 12 V-Batterie). Außerdem ist das Schalten auf der Netzspannungsseite des Transformators aufgrund der niedrigeren Ströme auf dieser Seite einfacher.
Um die Funktion Buck / Boost zu erhalten, sind lediglich zwei separate Schalter erforderlich, so dass der AC-Eingang an einen der beiden Primärabgriffe angeschlossen werden kann, während die Last an den anderen angeschlossen wird. Daher werden die Primärwicklungen des Haupttransformators als Spartransformator verwendet. Der Akku kann zwar noch aufgeladen werden, während eine Überspannung "ruckelt", aber beim "Anheben" einer Unterspannung ist der Transformatorausgang zu niedrig, um die Akkus aufzuladen.
Autotransformatoren können so konstruiert werden, dass sie einen weiten Bereich variierender Eingangsspannungen abdecken, dies erfordert jedoch mehr Abgriffe und erhöht die Komplexität und die Kosten der USV. Es ist üblich, dass der Autotransformator nur einen Bereich von etwa 90 V bis 140 V für 120 V Spannung abdeckt und dann auf Batterie umschaltet, wenn die Spannung viel höher oder niedriger als dieser Bereich ist.
Unter Niederspannungsbedingungen verbraucht die USV mehr Strom als normal, sodass möglicherweise ein höherer Stromkreis als bei einem normalen Gerät erforderlich ist. Um beispielsweise ein 1000-W-Gerät mit 120 V zu betreiben, zieht die USV 8,33 A an. Wenn ein Spannungsabfall auftritt und die Spannung auf 100 V absinkt, zieht die USV 10 A zum Ausgleich. Dies funktioniert auch in umgekehrter Reihenfolge, so dass die USV im Überspannungszustand weniger Strom benötigt.
Online- / Doppelumwandlung [ edit ]
Bei einer Online-USV werden die Batterien immer an den Wechselrichter angeschlossen, so dass keine Leistungsschalter erforderlich sind. Bei einem Stromausfall fällt der Gleichrichter einfach aus dem Stromkreis und die Batterien halten den Strom konstant und unverändert. Wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist, trägt der Gleichrichter den größten Teil der Last und beginnt, die Batterien zu laden. Der Ladestrom kann jedoch begrenzt sein, um zu verhindern, dass der Hochleistungsgleichrichter die Batterien überhitzt und den Elektrolyten abkocht. Der Hauptvorteil einer Online-USV ist die Möglichkeit, eine "elektrische Firewall" zwischen dem ankommenden Netzstrom und empfindlichen elektronischen Geräten bereitzustellen.
Die Online-USV ist ideal für Umgebungen, in denen eine galvanische Trennung erforderlich ist, oder für Geräte, die sehr empfindlich auf Stromschwankungen reagieren. Obwohl es einst für sehr große Anlagen mit 10 kW oder mehr reserviert war, ist es heute aufgrund technologischer Fortschritte möglich, es als allgemeines Verbrauchergerät mit einer Leistung von 500 W oder weniger verfügbar zu machen. Die Anfangskosten der Online-USV sind möglicherweise höher, aber die Gesamtbetriebskosten sind im Allgemeinen aufgrund der längeren Lebensdauer der Batterie niedriger. Die Online-USV kann erforderlich sein, wenn die Stromversorgungsumgebung "laut" ist, wenn Stromausfälle durchbricht, Ausfälle und andere Anomalien häufig sind, wenn der Schutz sensibler IT-Gerätelasten erforderlich ist oder wenn der Betrieb mit einem Backup-Generator mit längeren Betriebszeiten erforderlich ist.
Die Basistechnologie der Online-USV ist dieselbe wie bei einer Standby- oder Line-Interactive-USV. Es kostet jedoch normalerweise viel mehr, da es einen viel größeren Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Batterieladegerät / Gleichrichter aufweist und der Gleichrichter und der Wechselrichter mit verbesserten Kühlsystemen für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt sind. Diese USV wird als USV mit Doppelwandler bezeichnet, da der Gleichrichter den Wechselrichter direkt ansteuert, auch wenn er mit normalem Wechselstrom betrieben wird.
Online-USV verfügen in der Regel über einen Static Transfer Switch (STS) zur Erhöhung der Zuverlässigkeit.
Andere Designs [ edit ]
Hybride Topologie / Doppelwandlung auf Anforderung [ edit ]
Diese Hybrid-USV [7] entwirft haben keine offiziellen Bezeichnungen, obwohl ein Name von UTL "doppelte Umwandlung auf Anforderung" ist. [8] Diese USV-Bauart zielt auf Hocheffizienzanwendungen ab, behält dabei aber die Funktionen und das Schutzniveau bei Doppelwandlung.
Eine Hybrid-USV (Doppelkonvertierung bei Bedarf) arbeitet als Offline- / Standby-USV, wenn sich die Strombedingungen in einem bestimmten voreingestellten Fenster befinden. Dadurch kann die USV sehr hohe Wirkungsgrade erreichen. Wenn die Leistungsbedingungen außerhalb der vordefinierten Fenster schwanken, wechselt die USV in den Online- / Doppelwandler-Betrieb. [8] Im Doppelwandler-Modus kann die USV Spannungsänderungen anpassen, ohne Batteriestrom verwenden zu müssen, Leitungsrauschen ausfiltern und Steuerfrequenz.
Ferroresonant [ edit ]
Ferroresonant-Einheiten arbeiten wie eine Standby-USV-Einheit. Sie sind jedoch online, mit der Ausnahme, dass ein Ferroresonant-Transformator zum Filtern der Ausgabe verwendet wird. Dieser Transformator ist so ausgelegt, dass er die Energie lange genug hält, um die Zeit zwischen dem Umschalten von Netzstrom auf Batterieleistung zu überbrücken, und die Übertragungszeit effektiv eliminiert. Viele ferroresonante USVs haben einen Wirkungsgrad von 82–88% (AC / DC-AC) und bieten eine hervorragende Isolation.
Der Transformator hat drei Wicklungen, eine für normale Netzspannung, die zweite für gleichgerichtete Batterieleistung und die dritte für die Ausgabe von Wechselstrom an die Last.
Dies war einst der vorherrschende Typ von USV und ist auf den Bereich von 150 kVA beschränkt. Aufgrund der Robustheit der USV werden diese Einheiten immer noch hauptsächlich in einigen industriellen Umgebungen (Öl- und Gasindustrie, petrochemische, chemische Industrie, Versorgungs- und Schwerindustrie) eingesetzt. Viele Ferroresonant-USVs, die eine kontrollierte Ferro-Technologie verwenden, können mit Leistungsfaktorkorrekturgeräten interagieren. Dies führt zu einer schwankenden Ausgangsspannung der USV, kann jedoch durch Verringerung der Lastniveaus oder durch Hinzufügen weiterer linearer Lasten korrigiert werden. [ weitere Erklärung erforderlich
Gleichstrom [ edit ]
Eine USV, die für die Stromversorgung von Gleichstromgeräten ausgelegt ist, ist einer Online-USV sehr ähnlich, außer dass sie keinen Ausgangswechselrichter benötigt. Wenn die Batteriespannung der USV mit der Spannung übereinstimmt, die das Gerät benötigt, wird auch die Stromversorgung des Geräts nicht benötigt. Da ein oder mehrere Leistungsumwandlungsschritte entfallen, erhöht dies die Effizienz und die Laufzeit.
Viele in der Telekommunikation verwendete Systeme verwenden eine 48-V-Gleichstromspannung für eine "kleine Batterie" mit niedriger Spannung, da sie weniger einschränkende Sicherheitsvorschriften hat, beispielsweise in Rohrleitungen und Verteilerkästen. Gleichstrom war in der Regel die dominante Energiequelle für die Telekommunikation, und Wechselstrom war in der Regel die dominierende Quelle für Computer und Server.
Es wurde viel mit 48 V Gleichstrom für Computerserver experimentiert, um die Ausfallwahrscheinlichkeit und die Kosten von Geräten zu reduzieren. Um jedoch dieselbe Leistung zu liefern, wäre der Strom höher als ein äquivalenter 115 V- oder 230 V-Stromkreis. Ein größerer Strom erfordert größere Leiter oder mehr Energieverlust als Wärme.
Ein Laptop-Computer ist ein klassisches Beispiel für einen PC mit einer eingebauten DC-USV.
Hochspannungs-Gleichstrom (380 V) findet in einigen Rechenzentrumsanwendungen Verwendung und erlaubt kleine Stromleiter, unterliegt jedoch den komplexeren Vorschriften für elektrische Codes für die sichere Einschließung von hohen Spannungen. [9]
Rotary [ edit ]
Eine USV mit Drehrichtung nutzt die Trägheit eines hochvolumigen drehenden Schwungrads (Schwungrad-Energiespeicher), um im Falle eines Stromausfalls eine kurzzeitige Durchfahrt bereitzustellen . Das Schwungrad wirkt auch als Puffer gegen Spannungsspitzen und -einbrüche, da solche kurzzeitigen Leistungsereignisse die Drehzahl des Schwungrades mit hoher Masse nicht merklich beeinflussen können. Es ist auch eine der ältesten Konstruktionen, die Vakuumröhren und integrierte Schaltkreise vordatiert.
Es kann angenommen werden, dass online ist da es sich unter normalen Bedingungen kontinuierlich dreht. Im Gegensatz zu einer batteriebasierten USV bieten USV-Systeme mit Schwungrad jedoch normalerweise einen Schutz von 10 bis 20 Sekunden, bevor das Schwungrad abgebremst wird und die Ausgangsleistung stoppt. [10] Sie wird traditionell in Verbindung mit Reservegeneratoren verwendet, die nur Backup-Strom liefern die kurze Zeit, die der Motor benötigt, um zu laufen und seine Leistung zu stabilisieren.
Die USV-Rotations-USV ist im Allgemeinen für Anwendungen reserviert, die einen Schutz von mehr als 10.000 W benötigen, um die Kosten zu rechtfertigen und von den Vorteilen zu profitieren, die USV-Rotationssysteme bringen. Ein größeres Schwungrad oder mehrere parallel arbeitende Schwungräder erhöhen die Reservelaufzeit oder -kapazität.
Da es sich bei den Schwungrädern um eine mechanische Kraftquelle handelt, ist es nicht erforderlich, einen Elektromotor oder Generator als Vermittler zwischen einem Dieselmotor und einer Notstromversorgung zu verwenden. Durch die Verwendung eines Getriebes kann das Rotationsträgheitsmoment des Schwungrads dazu verwendet werden, einen Dieselmotor direkt anzulassen, und wenn der Dieselmotor einmal läuft, kann er das Schwungrad direkt durchdrehen. Mehrere Schwungräder können ebenfalls über mechanische Vorgelegewellen parallel geschaltet werden, ohne dass separate Motoren und Generatoren für jedes Schwungrad erforderlich sind.
Sie sind normalerweise so ausgelegt, dass sie im Vergleich zu einer rein elektronischen USV eine sehr hohe Stromabgabe bieten, und sie können einen Einschaltstrom für induktive Lasten wie Motoranlauf- oder Kompressorlasten sowie medizinische MRI- und Katheterlaborgeräte bereitstellen. Es ist auch in der Lage, Kurzschlussbedingungen zu tolerieren, die bis zu 17-mal größer sind als bei einer elektronischen USV. Dadurch kann ein Gerät eine Sicherung durchbrennen und ausfallen, während andere Geräte weiterhin von der USV mit Drehstrom versorgt werden.
Sein Lebenszyklus ist normalerweise weitaus größer als bei einer rein elektronischen USV, bis zu 30 Jahre oder mehr. Sie erfordern jedoch regelmäßige Ausfallzeiten für die mechanische Wartung, z. B. den Austausch von Kugellagern. In größeren Systemen stellt die Redundanz des Systems die Verfügbarkeit von Prozessen während dieser Wartung sicher. Bei batteriebasierten Designs sind keine Ausfallzeiten erforderlich, wenn die Batterien im laufenden Betrieb ausgetauscht werden können. Dies ist normalerweise bei größeren Geräten der Fall. Neuere Dreheinheiten verwenden Technologien wie Magnetlager und luftvakuierte Gehäuse, um die Standby-Effizienz zu erhöhen und die Wartung auf sehr niedrige Werte zu reduzieren.
Typischerweise wird das Schwungrad mit hoher Masse in Verbindung mit einem Motor-Generator-System verwendet. Diese Einheiten können wie folgt konfiguriert werden:
- Ein Motor, der einen mechanisch verbundenen Generator antreibt, [7]
- Ein kombinierter Synchronmotor und Generator, die in alternierenden Schlitzen eines einzelnen Rotors und eines Stators gewickelt sind,
- Eine Hybrid-USV, ähnlich aufgebaut an eine Online-USV, außer dass das Schwungrad anstelle von Batterien verwendet wird. Der Gleichrichter treibt einen Motor an, um das Schwungrad zu drehen, während ein Generator das Schwungrad verwendet, um den Wechselrichter anzutreiben.
In Fall 3 kann der Motorgenerator synchron / synchron oder induktiv / synchron sein. Die Motorseite des Geräts kann in den Fällen 2 und 3 direkt von einer Wechselstromquelle (normalerweise im Umrichter-Bypass), einem 6-Stufen-Doppelwandler-Motorantrieb oder einem 6-Puls-Wechselrichter angetrieben werden. In Fall Nr. 1 wird anstelle von Batterien ein integriertes Schwungrad als kurzfristige Energiequelle verwendet, um externen, elektrisch gekoppelten Aggregaten Zeit zu geben, online zu schalten. Die Fälle Nr. 2 und 3 können Batterien oder ein freistehendes elektrisch gekuppeltes Schwungrad als kurzfristige Energiequelle verwenden.
Formfaktoren [ edit ]
Kleinere USV-Systeme gibt es in verschiedenen Formen und Größen. Die zwei gebräuchlichsten Formen sind jedoch Tower und Rack-Mount. [11]
Tower-Modelle stehen aufrecht auf dem Boden oder auf einem Schreibtisch oder Regal und werden normalerweise in Netzwerkarbeitsstationen oder Desktop-Computern verwendet Anwendungen. Rackmount-Modelle können in Standard-19-Zoll-Rack-Gehäusen montiert werden und benötigen zwischen 1U und 12U (Rack-Einheiten). Sie werden normalerweise in Server- und Netzwerkanwendungen verwendet. Einige Geräte verfügen über um 90 ° drehbare Benutzeroberflächen, so dass die Geräte vertikal auf dem Boden oder horizontal montiert werden können, wie dies in einem Rack der Fall ist.
Anwendungen [ edit ]
N + 1 [ edit ]
In großen Geschäftsumgebungen, in denen Zuverlässigkeit von großer Bedeutung ist Eine große USV kann auch ein einzelner Fehlerpunkt sein, der viele andere Systeme stören kann. Um eine höhere Zuverlässigkeit zu gewährleisten, können mehrere kleinere USV-Module und Batterien zusammen integriert werden, um einen redundanten Stromschutz zu gewährleisten, der einer sehr großen USV entspricht. "N + 1" bedeutet, dass die Installation N + 1 Module enthält, wenn die Last von N Modulen versorgt werden kann. Auf diese Weise wirkt sich ein Ausfall eines Moduls nicht auf den Systembetrieb aus. [12]
Mehrere Redundanz [ edit ]
Viele Computerserver bieten die Möglichkeit der redundanten Stromversorgung an, so dass dies der Fall ist Wenn ein Netzteil ausfällt, können ein oder mehrere Netzteile die Last versorgen. Dies ist ein kritischer Punkt - jedes Netzteil muss den gesamten Server selbst versorgen können.
Die Redundanz wird weiter verbessert, indem jede Stromversorgung in einen anderen Stromkreis (d. H. Einen anderen Trennschalter) eingesteckt wird.
Der redundante Schutz kann noch erweitert werden, indem jedes Netzteil an eine eigene USV angeschlossen wird. Dies bietet einen doppelten Schutz sowohl bei einem Ausfall der Stromversorgung als auch bei einem Ausfall der USV, so dass ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet ist. Diese Konfiguration wird auch als 1 + 1 oder 2N Redundanz bezeichnet. Wenn das Budget nicht zwei identische USV-Einheiten zulässt, ist es üblich, ein Netzteil an das Stromnetz und das andere an die USV anzuschließen. [13]
Außeneinsatz [ ]
] Wenn ein USV-System im Freien aufgestellt wird, sollte es einige Besonderheiten aufweisen, die gewährleisten, dass das Wetter ohne Auswirkungen auf die Leistung toleriert wird. Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Regen und Schnee sollten vom Hersteller bei der Planung eines USV-Systems im Freien berücksichtigt werden. Die Betriebstemperaturbereiche für Außen-USV-Systeme können im Bereich von –40 ° C bis +55 ° C liegen. [14]
Außen-USV-Systeme können entweder auf einem Mast, auf einem Boden (Sockel) oder einem Host montiert sein. Die Umgebung im Freien kann extreme Kälte bedeuten. In diesem Fall sollte das Außen-USV-System eine Batterieheizmatte oder extreme Hitze umfassen. In diesem Fall sollte das Außen-USV-System ein Lüftersystem oder eine Klimaanlage umfassen.
Ein Solarwechselrichter oder PV-Wechselrichter oder -Solarkonverter wandelt den variablen Gleichstrom (DC) -Ausgang eines Photovoltaik-Solarmoduls in einen Wechselstrom (AC) für die Netzfrequenz um, der in ein kommerzielles Stromnetz eingespeist oder von einem lokalen netzfernen Stromnetz verwendet werden kann . Es ist eine kritische BOS-Komponente in einer Photovoltaik-Anlage, die die Verwendung normaler AC-Geräte ermöglicht. Solar-Wechselrichter verfügen über spezielle Funktionen, die für die Verwendung mit Photovoltaik-Arrays geeignet sind, einschließlich der Überwachung des maximalen Leistungspunkts und des Schutzes gegen Inselbildung.
Leistungsfaktor [ edit ]
Ein Problem bei der Kombination einer USV mit Doppelwandler und eines Generators ist die von der USV erzeugte Spannungsverzerrung. Der Eingang einer USV mit Doppelwandler ist im Wesentlichen ein großer Gleichrichter. Der von der USV entnommene Strom ist nicht sinusförmig. Dies kann dazu führen, dass die Spannung des Wechselstromnetzes oder eines Generators nicht sinusförmig wird. Die Spannungsverzerrung kann dann zu Problemen in allen an diese Stromquelle angeschlossenen elektrischen Geräten, einschließlich der USV selbst, führen. Dies führt auch dazu, dass in den Kabeln, die die USV mit Strom versorgen, aufgrund des Stromflusses mehr Strom verloren geht. Dieses "Rauschen" wird als Prozentsatz der "gesamten harmonischen Verzerrung des Stroms" gemessen (THD I ). Klassische USV-Gleichrichter haben einen THD I -Niveau von etwa 25% bis 30%. Um Spannungsverzerrungen zu reduzieren, sind dafür stärkere Netzkabel oder Generatoren erforderlich, die mehr als doppelt so groß sind wie die USV.
Es gibt mehrere Lösungen zur Reduzierung des THD I in einer USV mit Doppelwandler:
Klassische Lösungen wie Passivfilter reduzieren den THD I bei Volllast auf 5% bis 10%. Sie sind zuverlässig, aber groß und funktionieren nur unter Volllast. Sie stellen ihre eigenen Probleme dar, wenn sie zusammen mit Generatoren eingesetzt werden.
Eine alternative Lösung ist ein aktiver Filter. Durch die Verwendung einer solchen Vorrichtung kann THD I über den gesamten Leistungsbereich auf 5% fallen. Die neueste Technologie in USV-Einheiten mit Doppelwandler ist ein Gleichrichter, der keine klassischen Gleichrichterkomponenten (Thyristoren und Dioden) verwendet, sondern Hochfrequenzkomponenten. Eine USV mit Doppelwandler mit Bipolar-Transistorgleichrichter mit isoliertem Gate und Induktor kann einen THD I von nur 2% aufweisen. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, den Generator (und die Transformatoren) ohne zusätzliche Filter, Investitionskosten, Verluste oder Platzbedarf zu überdimensionieren.
Kommunikation [ edit ]
![[icon]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uqIdkCesqY4G6xH_u9xQpeIap-LNZi8XkLXJLq0vfE7RpkG1XkctdRLrE5yPE0T5GTuQ_N_XHI_Cp5WFWY6svAmdl1n-GWHGWajO9-3YkQQORlkwznPkQCtuy5lBng0xQs72j3lrm7Ofx7oguRzihTSKY_OFI1GVuiko0vlgRUpr960wbwGLBxe7mZoJFVDJNJLkf7XoptfA=s0-d){kind=small} | Dieser Abschnitt muss erweitert werden . Sie können helfen, indem Sie etwas hinzufügen. ( Dezember 2009 ) |
Energiemanagement (PM) erfordert
- Die USV meldet ihren Status über eine Kommunikationsverbindung, z. B. eine serielle Schnittstelle, ein Ethernet- und Simple Network Management-Protokoll, GSM / GPRS oder USB, an den Computer, den sie mit Strom versorgt.
- Ein Subsystem im Betriebssystem, das die Berichte verarbeitet und generiert Benachrichtigungen, PM-Ereignisse oder Befehle werden angeordnet und heruntergefahren. [15] Einige USV-Hersteller veröffentlichen ihre Kommunikationsprotokolle, andere Hersteller (wie APC) verwenden proprietäre Protokolle.
Die grundlegenden Steuerungsmethoden von Computer zu USV sind dafür gedacht Eins-zu-Eins-Signalisierung von einer einzelnen Quelle zu einem einzelnen Ziel. Beispielsweise kann eine einzelne USV eine Verbindung zu einem einzelnen Computer herstellen, um Statusinformationen über die USV bereitzustellen und dem Computer zu ermöglichen, die USV zu steuern. In ähnlicher Weise soll das USB-Protokoll auch einen einzelnen Computer mit mehreren Peripheriegeräten verbinden.
In einigen Situationen ist es nützlich, wenn eine einzelne große USV mit mehreren geschützten Geräten kommunizieren kann. Für die herkömmliche serielle oder USB-Steuerung kann eine Signalreplikationsvorrichtung verwendet werden, die es beispielsweise ermöglicht, dass eine USV über fünf serielle oder USB-Verbindungen an fünf Computer angeschlossen wird. [16] Die Aufteilung ist jedoch normalerweise nur eine Richtung von der USV zu den Geräten, um Statusinformationen bereitzustellen. Rücksteuerungssignale dürfen nur von einem der geschützten Systeme an die USV zugelassen werden. [17]
Da Ethernet seit den 1990er Jahren im allgemeinen Gebrauch ist, werden Steuerungssignale jetzt allgemein zwischen einer einzelnen USV gesendet und mehrere Computer, die Standard-Ethernet-Datenkommunikationsverfahren wie TCP / IP verwenden. [18] Die Status- und Steuerinformationen sind normalerweise verschlüsselt, so dass beispielsweise ein externer Hacker keine Kontrolle über die USV erlangen kann und das Herunterfahren befehlen kann. [19]
Die Verteilung der USV-Status- und Steuerungsdaten erfordert, dass alle zwischengeschalteten Geräte, wie Ethernet-Switches oder serielle Multiplexer, von einem oder mehreren USV-Systemen mit Strom versorgt werden, damit die USV-Alarme während eines Vorgangs die Zielsysteme erreichen Stromausfall. Um die Abhängigkeit von der Ethernet-Infrastruktur zu vermeiden, können die USVs auch über einen GSM / GPRS-Kanal direkt an den Hauptsteuerungsserver angeschlossen werden. Die von UPS gesendeten SMS- oder GPRS-Datenpakete lösen Software aus, um die PCs herunterzufahren, um die Last zu reduzieren.
Batterien [ edit ]
Es gibt drei Haupttypen von USV-Batterien: Ventilgesteuerte Blei-Säure (VRLA), überflutete Zellen oder VLA-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien. Die Laufzeit einer batteriebetriebenen USV hängt von der Art und Größe der Batterien und der Entladerate sowie der Effizienz des Wechselrichters ab. Die Gesamtkapazität einer Blei-Säure-Batterie hängt von der Entladungsrate ab, die als Peukerts Gesetz bezeichnet wird.
Hersteller liefern Laufzeit-Bewertung für verpackte USV-Systeme in Minuten. Größere Systeme (z. B. für Rechenzentren) erfordern eine detaillierte Berechnung der Last, des Wechselrichters und der Batterieeigenschaften, um sicherzustellen, dass die erforderliche Lebensdauer erreicht wird. [20]
Häufige Batterieeigenschaften und Lastprüfung [ edit ]
Wenn eine Blei-Säure-Batterie geladen oder entladen wird, betrifft dies zunächst nur die reagierenden Chemikalien, die sich an der Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten befinden. Mit der Zeit breitet sich die in den Chemikalien an der Grenzfläche gespeicherte Ladung, die häufig als "Grenzflächenladung" bezeichnet wird, durch Diffusion dieser Chemikalien über das gesamte Volumen des aktiven Materials aus.
Wenn eine Batterie vollständig entladen wurde (z. B. wurden die Autoscheinwerfer über Nacht eingeschaltet), und als nächstes wird sie nur wenige Minuten lang aufgeladen, dann entwickelt sich während der kurzen Ladezeit nur eine Ladung in der Nähe der Schnittstelle. Die Batteriespannung kann ansteigen und nahe an der Ladespannung liegen, so dass der Ladestrom deutlich abnimmt. Nach einigen Stunden verteilt sich diese Grenzflächenladung auf das Volumen der Elektrode und des Elektrolyts, was zu einer Grenzflächenladung führt, die so niedrig ist, dass sie nicht ausreichen kann, um ein Auto zu starten. [19459247
Schnittstellengebühr, kurze USV Selbsttest Funktionen, die nur wenige Sekunden dauern, spiegeln möglicherweise nicht die tatsächliche Laufzeitkapazität einer USV wider, sondern eine erweiterte Rekalibrierung oder rundown ] Test, bei dem die Batterie tief entladen wird, ist erforderlich. [22]
Die Tiefentladungstests sind schädlich für Batterien, da die Chemikalien in der entladenen Batterie beginnen, in sehr stabile molekulare Formen zu kristallisieren, die dies nicht tun Wenn der Akku wieder aufgeladen ist, löst sich die Auflösung auf und die Ladekapazität wird dauerhaft verringert. In Blei-Säure-Batterien wird dies als Sulfatierung bezeichnet, aber auch andere Arten wie Nickel-Cadmium-Batterien und Lithiumbatterien sind davon betroffen. [23] Daher wird allgemein empfohlen, dass nur selten alle drei bis sechs Monate einjähriger Test durchgeführt wird. [19659141] Testen von Batterieketten / -ketten [ edit ]
Kommerzielle USV-Systeme mit mehreren Kilowatt und großen, leicht zugänglichen Batteriebanken können einzelne Zellen innerhalb einer -Batterie isolieren und testen string die entweder aus kombinierten Zellenbatterieeinheiten (z. B. 12-V-Blei-Säure-Batterien) oder einzelnen in Reihe geschalteten chemischen Zellen besteht. Durch das Isolieren einer einzelnen Zelle und das Anbringen eines Jumpers an dieser Stelle kann die eine Batterie entladen werden, während der Rest der Batteriekette aufgeladen bleibt und Schutz bietet. [26]
Es ist auch möglich, die elektrischen Eigenschaften einzelner Zellen in einem Batteriestrang zu messen, wobei zwischen den einzelnen Sensordrähten, die an jedem Zell-zu-Zell-Anschluss installiert sind, sowohl einzeln als auch gemeinsam überwacht wird. Batterieketten können auch seriell parallel geschaltet werden, beispielsweise zwei Sätze von 20 Zellen. In einer solchen Situation muss auch der Stromfluss zwischen parallelen Strings überwacht werden, da der Strom zwischen den Strings zirkulieren kann, um die Auswirkungen schwacher Zellen, toter Zellen mit hohem Widerstand oder kurzgeschlossenen Zellen auszugleichen. Zum Beispiel können sich stärkere Strings durch schwächere Strings entladen, bis Spannungsungleichgewichte ausgeglichen sind, und dies muss bei den einzelnen Zellmessungen innerhalb jedes Strings berücksichtigt werden. [27]
Serien-Parallel-Batteriewechselwirkungen [ edit ]]
In Reihe parallel geschaltete Batterieketten können aufgrund von Interaktionen zwischen mehreren parallelen Ketten ungewöhnliche Fehlermodi entwickeln. Defekte Akkus in einer Saite können den Betrieb und die Lebensdauer von Akkus oder neuen Akkus in anderen Saiten beeinträchtigen. Diese Probleme gelten auch für andere Situationen, in denen seriell parallele Strings verwendet werden, nicht nur in USV-Systemen, sondern auch in Elektrofahrzeuganwendungen. [28]
Betrachten Sie eine seriell-parallele Batterieanordnung mit allen guten Zellen , and one becomes shorted or dead:
- The failed cell will reduce the maximum developed voltage for the entire series string it is within.
- Other series strings wired in parallel with the degraded string will now discharge through the degraded string until their voltage matches the voltage of the degraded string, potentially overcharging and leading to electrolyte boiling and outgassing from the remaining good cells in the degraded string. These parallel strings can now never be fully recharged, as the increased voltage will bleed off through the string containing the failed battery.
- Charging systems may attempt to gauge battery string capacity by measuring overall voltage. Due to the overall string voltage depletion due to the dead cells, the charging system may detect this as a state of discharge, and will continuously attempt to charge the series-parallel strings, which leads to continuous overcharging and damage to all the cells in the degraded series string containing the damaged battery.
- If lead-acid batteries are used, all cells in the formerly good parallel strings will begin to sulfate due to the inability for them to be fully recharged, resulting in the storage capacity of these cells being permanently damaged, even if the damaged cell in the one degraded string is eventually discovered and replaced with a new one.
The only way to prevent these subtle series-parallel string interactions is by not using parallel strings at all and using separate charge controllers and inverters for individual series strings.
Series new/old battery interactions[edit]
Even just a single string of batteries wired in series can have adverse interactions if new batteries are mixed with old batteries. Older batteries tend to have reduced storage capacity, and so will both discharge faster than new batteries and also charge to their maximum capacity more rapidly than new batteries.
As a mixed string of new and old batteries is depleted, the string voltage will drop, and when the old batteries are exhausted the new batteries still have charge available. The newer cells may continue to discharge through the rest of the string, but due to the low voltage this energy flow may not be useful, and may be wasted in the old cells as resistance heating.
For cells that are supposed to operate within a specific discharge window, new cells with more capacity may cause the old cells in the series string to continue to discharge beyond the safe bottom limit of the discharge window, damaging the old cells.
When recharged, the old cells recharge more rapidly, leading to a rapid rise of voltage to near the fully charged state, but before the new cells with more capacity have fully recharged. The charge controller detects the high voltage of a nearly fully charged string and reduces current flow. The new cells with more capacity now charge very slowly, so slowly that the chemicals may begin to crystallize before reaching the fully charged state, reducing new cell capacity over several charge/discharge cycles until their capacity more closely matches the old cells in the series string.
For such reasons, some industrial UPS management systems recommend periodic replacement of entire battery arrays potentially using hundreds of expensive batteries, due to these damaging interactions between new batteries and old batteries, within and across series and parallel strings.[29]
Standards[edit]
- EN 62040-1:2008 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 1: General and safety requirements for UPS
- EN 62040-2:2006 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 2: Electromagnetic compatibility (EMC) requirements
- EN 62040-3:2011 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 3: Method of specifying the performance and test requirements
- EN 62040-4:2013 Uninterruptible power systems (UPS) - Part 4: Environmental aspects - Requirements and reporting
See also[edit]
References[edit]
- ^ "Electricity storage: Locatio n, location, location … and cost - Battery storage for transmission support in Alaska". eia.gov. Energy Information Administration (EIA). 2012. Retrieved July 23, 2012.
- ^ E-book on choosing a UPS topology based on application type "Avoiding Trap Doors Associated with Purchasing a UPS System" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-03-26. Retrieved 2018-12-11.
- ^ Solter, W. (2002), A new international UPS classification by IEC 62040-3doi:10.1109/INTLEC.2002.1048709
- ^ Detailed explanation of UPS topologies "High-Availability Power Systems, Part I: UPS Internal Topology" (PDF). November 2000. Archived from the original (PDF) on 2013-03-26. Retrieved 2018-12-11.
- ^ "Hydrogen Fuel Cell UPS".
- ^ "UPS On-Line Uninterruptible Power Supply Backup Power Source". Archived from the original on October 4, 2013.
- ^ a b "Hybrid Rotary UPS" (PDF). Archived from the original (PDF) on December 4, 2014.
- ^ a b http://h20000.www2.hp.com/bc/docs/support/SupportManual/c01173322/c01173322.pdf[dead link]
- ^ My Ton (Ecos Consulting), Brian Fortenbery (EPRI), William Tschudi (LNBL) (January 2007). "DC Power for Improved Data Center Efficiency" (PDF). Lawrence Berkeley National Laboratory. Archived from the original (PDF) on 2008-08-20.CS1 maint: Uses authors parameter (link)
- ^ Active Power. "15 Seconds versus 15 Minutes: White Paper 107 Designing for High Availability" (PDF).[permanent dead link]
- ^ Tripp Lite: UPS Buying Guide, http://www.tripplite.com/products/ups-Buying-Guide
- ^ Detailed explanation of optimized N+1 configurations"Balancing Scalability and Reliability in the Critical Power System: When Does N + 1 Become Too Many + 1?". Archived from the original (PDF) on 2016-03-03.
- ^ Detailed explanation of UPS redundancy options"High-Availability Power Systems, Part II: Redundancy Options" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-03-26. Retrieved 2018-12-11.
- ^ Refer to safety standard IEC 60950-22 or a local derivative according to location e.g. EN 60950-22 (Europe); UL 60950-22 (USA)
- ^ Raymond, Eric Steven. UPS HOWTO, section 3.3. The Linux Documentation Project, 2003–2007.
- ^ Generex. "Multi-XS User Manual" (PDF).
Multi-XS is an active RS232 data switch, designed to handle serial communications of one UPS with up to 5 / 10 computers
- ^ APC AP9207 Share-UPS, User Manual, pp. 6–7, Port 1 is called the Advanced port because it supplies smart signaling, which provides the advanced capabilities available to a server running PowerChute plus software. The Advanced port provides full access to the Computer Interface port of the UPS. Ports 2–8 on the rear panel of Share-UPS are called Basic ports because they supply simple UPS signaling for On Battery and Low Battery conditions in the UPS. "Share-UPS User Manual" (PDF). Archived from the original (PDF) on April 24, 2012. Retrieved November 14, 2011.
- ^ An example of an Ethernet UPS controller: Liebert IntelliSlot Web Card Communications Interface Card Archived 2016-04-13 at the Wayback Machine
- ^ APC Application Note #67 "APC Network Management Card Security Implementation" (PDF). Archived from the original (PDF) on April 24, 2012. Retrieved November 14, 2011.
- ^ "How to calculate battery run-time". PowerStream Technologies. Retrieved 2010-04-26.
- ^ Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Toronto: Thomson Learning. pp. 302–4. ISBN 0-12-619455-6.
- ^ Peter M. Curtis (2011). Maintaining Mission Critical Systems in a 24/7 Environment. Wiley pp. 261–262. ISBN 9781118041628.
- ^ Michael F. Hordeski (2005). Emergency and backup power sources: preparing for blackouts and brownouts. The Fairmont Press, Inc. ISBN 9780881734850.
- ^ Leonardo Energy. "Maintenance Manager's Guide, Section 2.1". Retrieved August 1, 2012.[dead link]
- ^ APC Inc. "Knowledgebase article: What is the expected life of my APC UPS battery?, Answer ID 8301".[dead link]
- ^ "Maintaining and Testing Your UPS System to Ensure Continuous Power, Section: Maintaining a Battery Bank". The Data Center Journal.[dead link]
- ^ BTECH Inc, BTECH's Focus – Predicting Battery Failure and Installation Manual, page 18, showing sensor wires for each cell/battery on a battery string, and also note that the current transducer sensors to detect cross-string series-parallel current recirculation.
- ^ mpoweruk.com, Battery and Energy Technologies, Cell Balancing, Woodbank Communications Ltd, Chester, UK.
- ^ datapowermonitoring.com Archived 2013-04-06 at the Wayback Machine, Battery Asset Management: VRLA ageing characteristics, Bart Cotton, founder and CEO, Data Power Monitoring Corporation, Batteries InternationalJan 2005
No comments:
Post a Comment