Avbruddsfri strømforsyning

Transkript

1 Avbruddsfri strømforsyning Bedre kjent som UPS blant fagfolk (uninterruptable power supply) 1.Liten UPS (pluggbar) for hjemmebruk. 2.UPS midrange 3.UPS Va (120kVa) 1

2 Verdens største batteripakke. Fairbanks Alaska. Batterivekt tonn ( kilo). 120x26meter (2520 kv.m) gulvareal. Ytelse 40MW-7min (26MW-15 min) ved minus 51 grader. Gi tilstrekkelig tid for oppstart reservegenerator. Skal gi reservestrøm tilstrekkelig for beboere slik at generatorene har tid på seg for oppstart og synkronisering på nett. 2

3 Mål for undervisningen om UPS Etter undervisningen skal du ha kjennskap om og vurdert etter følgende: Definisjon av UPS Forstå bruksområder Beskrive ulike typer UPS og teknologi som benyttes Drøfte fordeler og ulemper ved bruk av UPS Søke og navigere etter opplysning om UPS Foreta enkle målinger og redegjøre for måleverdier Kunne svare på oppgaver og oppsummere i en logg Læreplanmål: Vurdere og prøve ut ideer til nye produkter Bruke faglig presist språk om systemene, tilpasset brukere, supportpersonell, kolleger og representanter fra andre fagområder Måle elektriske størrelser på systemene og vurdere måleresultatene 3

4 Definisjon UPS «Uninterruptable Power Supply er en enhet som sørger for jevn og uavbrutt strøm til f.eks en datamaskin. Dersom strømmen går, kobler UPS-en over til batteridrift inntil strømmen er tilbake. Dersom batteriet begynner å gå tomt før strømmen kommer tilbake kan UPS-en si fra til maskinen om at strømmen er i ferd med å ta slutt, slik at maskinen kan foreta en kontrollert avstengning. UPS-er kan også jevne ut eventuelle avvik i spenning i strømnettet, og fungere som lynvern». Uninteruptable Power Supply avbruddsfri strøm forsyning (kilde: Her anbefales det å kjøre en liten youtube film om hvor viktig det er å avslutte pc korrekt. Kopier link nedenfor inn i nettleser. 4

5 Risiko- og sårbarhetsanalyse «I følge (en av mange tilsvarende) kommunale Risiko og sårbarhetsanalyser, er kraftforsyning en av samfunnets viktigste infrastrukturer. En rekke samfunnsfunksjoner og andre infrastrukturer er avhengig av elektrisk kraft eks. bank- og betalingstjenester, elektronisk kommunikasjon (fast- og mobilnett, internett), helse- og omsorgstrygdetjenester, vann og avløp, nød- og redningstjenester, industrien, sykehus». «En slik analyse kan og bør også kanskje vurderes utbedret på bedriftsnivå, som feks i allerede nevnte leverandører av samfunnsfunksjoner og andre infrastrukturer». «Kan være lurt å ha brukt litt tid på å analysere potensielle strømavbrudd og med det også ha en rutine for nødvendige tiltak». Kilde: Powersource.no En ROS (risiko og sårbarhets-analyse) vil avdekke eventuelle tiltak som må iverksettes ved ustabil nettspenning og gjelder spesielt industri og næring. Aktuelle tiltak kan for eksempel være: Sørge for nødvendig reservekraft til viktig forbruk (nødstrøm ytes ikke av kraftleverandør) Etablere avbruddsfri strømforsyning (UPS) 5

6 Typiske bruksområder Datasentre Sykehus Kraftstasjoner Industrianlegg Nettverksnoder, som basestasjoner Intranettverk for selskaper og Fremtidens bolighus? Et UPS-system gir konstant tilgang til strøm for enhetene som er tilkoblet. Hvis UPSsystemet oppdager et problem med hovedstrømstilførselen, bytter den automatisk over til batterisystemet, og minimerer problemene for sluttbrukeren. Oftest vil det i større anlegg dimensjoneres UPS som gir tilstrekkelig med energi for den tiden det tar å starte en generator og fase inn denne. Generatordrift defineres som reservestrøm og er frivillig. Nødstrøm er pålagt dersom det er fare for tap av liv og utføres som separat strømforsyning (med inntak) fra et annet el.nett. 6

7 UPS i næring og industri Strømbrudd kan være veldig alvorlig eller fatalt når det kommer til tap av data. UPS kan holde datasystemer i gang i en periode ved et eventuelt strømbrudd, slik at data kan lagres eller at systemet kan stenges av på en ordentlig måte som forhindrer skade eller tap av data. UPS montert mellom strømnettet og det elektroniske utstyret vil fungere som et nettfilter og beskytter mot overspenning ved lynnedslag, underspenning, høyfrekvente forstyrrelser, frekvensvariasjoner m.m. Mer enn 70% av uforklarlige feil i et IT-system, skyldes variasjon og feil i nettspenningen. Noen linker til artikler som omhandler tap av data

8 UPS er også velegnet for hjemmebruk Ustabil nettspenning vil påvirke driften av blant annet datamaskiner, lys, styringssystemer, ja nesten alt av utstyr vi til daglig er avhengige av og som trenger strøm. En UPS vil ikke bare fungere som en avbruddsfri strømforsyning (batteriback-up) ved f.eks strømbrudd, men også beskytte mot ustabil nettspenning. En UPS vil i mange tilfeller også gi brukeren muligheten til å f.eks lagre viktige data ved strømbrudd ved å bruke egen programvare utviklet for nettopp dette. Bolighus og mindre næring / industri benytter UPS som back-up ved variasjoner i nettspenning som KAN medføre at følsomt datautstyr (med tilbehør) har tilstrekkelig driftstid for å sikre en «kontrollert» og sikker avstenging av systemer. Alle UPS har kommunikasjonsløsninger med f.eks PC som sørger for en kontrollert og sikker avstenging når batterikapasitet nærmer seg et kritisk lavt nivå. 8

9 Ulike typer og prisklasser Pris bestemmes oftest av ytelse og batteritid, og det finnes prinsipielle forskjeller man bør merke seg før man anskaffer en UPS. De fleste UPS-anlegg i dag er driftssikre og av god kvalitet. Fundamentalt sett er ikke en UPS noen spesielt komplisert sak. Tre hovedelementer er basis i alle UPS er: likeretter, vekselretter og batteri. Likeretteren sørger for å lade batteriene, vekselretteren gjør om likespenning (DC) til 230/400V vekselspenning (AC) som igjen forsyner kritisk last. Alle UPS er gir batteriback-up ved strømbrudd. Forskjellen ligger i evnen til å fjerne nettstøy, omkoblingstiden mellom nett og batteri, kvaliteten på utgangsspenningen, og kommunikasjonsløsninger (mot annet utstyr). NETTSTØY og USTABIL nettspenning kan være utfordrende for følsom elektronikk. Norge er blant de beste produsenter av «ren strøm» takket være stabiliteten i vannkraftverkene. Ustabil nettspenning og nettstøy er en utfordring i områder med høy befolkning og tyngre industri. 9

10 3 hovedkomponenter i en UPS Likeretter (AC/DC inverter) Omformer elektrisk energi fra vekselspenning til likespenning som også skal lade batteriene. Batteri Avgjørende for driftstid ved strømbrudd. Syrefylte blybatteri mest brukt. Vekselretter (DC/AC inverter) Omformer elektrisk energi fra likespenning til vekselspenning. Hvordan disse komponenter kobles sammen og hvordan elektronikken kontrollerer funksjoner er avgjørende for virkemåte og angir typebetegnelsen for UPS, (off-line, line-interactive og on-line / double conversion) Normalt krever ikke en UPS for boliginstallasjon spesielt vedlikehold annet kontroll for virkemåte og event støvansamling. I industri og næring gjør bedriften oftest avtale med leverandør av UPS om oppfølging og vedlikehold iht til spesifiserte behov. Hvordan disse komponenter er koblet og jobber sammen, danner grunnlag for hovedtyper av UPS benevnelse: Offline, Line interactive og Online. NB! Lead-acid (LA) er engelsk for syrefylte blybatteri. SLA er forseglede syrefylte batteri. VRLA er ventilregulerte syrefylte blybatteri. Ni-Cad (Nickel Cadmium) batteri forekommer også. AGM (Absorbed Glas Mat) refererer til en spesifikk type SLA/VRLA batteri, hvor elektrolyttene absorberes i separate svamplignende glassfiberlignende lag mellom blyplatene. 10

11 Strømfeil som UPS beskytter mot For å gjøre det enklere å velge rett løsning, har Eaton valgt å dele sine UPS- produkter opp i 3 forskjellige kategorier. Produktene er delt opp i henhold til de forskjellige strømfeil den enkelte UPS beskytter mot. Kilde: EATON store blå side 65 Dette er hentet rett fra «Eaton store blå». 9 strømfeil som UPS kan beskytte mot er salgsargumenter og tilkjennegir oftest forskjellen på oppbygning av UPS. 11

12 Offline / Stand-by UPS En Offline UPS vil kople inn batteriene ved bruk av et rele ved f.eks et strømbrudd, noe som kan ta mellom 4-10ms. Denne type UPS er både spenning og frekvensavhengig og går derfor under betegnelsen VFD (Voltage and Frequency depended). Alt som kommer inn, leveres ut på utgangen (også støy og variasjoner). En Offline UPS tilbyr begrenset filtrering og anses kun som en ren batteriback-up for laster mellom VA. Figur hentet fra UPS guiden (Coromatic) Desidert billigste type og fungerer som ren back-up ved strømbrudd. Typisk brukt i en bolig og i alarmsentraler (stand-alone systemer), nødlys etc. Passiv Standby UPS («Offline») Basisløsningen som beskytter ikke-kritisk hardware og data mot tre typer strømproblemer. Med offline teknologi passerer nettspenningen gjennom UPS en og direkte videre til utstyret som er beskyttet. Ved strømbrudd overtar batteriene driften i en gitt periode. (Eatons serie 3 modeller kan ikke utvides med mer batteritid og det er ikke mulighet for SNMP adapter etc). Brukes til ikke-kritisk utstyr: Stand-alone PCer, telefax, kasseapparater, hjemmeutstyr mv. Bør ikke anvendes til servermiljøer. 12

13 Line interactive UPS En Line interactive vil i likhet med en Offline UPS, kople inn batteriene ved bruk av et rele ved feks et strømbrudd. Typisk omkoblingstid er derfor 4-10ms avhengig av type fabrikat. En Line interactive UPS har en noe bedre støydemping enn Offline UPS og har i tillegg en spenningsregulering som vil stabilisere utgangsspenningen ved variasjoner i spenningsnettet. Derfor får denne type teknologi betegnelsen VI (Voltage Independed). Figur hentet fra UPS guiden (Coromatic) Gir ikke 100% beskyttelse mot overspenning og nettstøy. Line interactice UPS (aktiv stand by UPS) Mellomløsningen for kontormiljøer og mindre kritiske servere. Disse UPS gir beskyttelse mot de fem mest vanlige strømproblemer. Med denne løsning reguleres inngangsspenningen og deretter passerer nettspenningen gjennom UPS, og direkte videre til beskyttet utstyr. Ved strømbrudd overtar batteriene driften i en gitt periode. Kan (som regel) utvides med ekstra batteri dersom ønske om forlenget driftstid ved strømbrudd. Brukes til mindre kritisk utstyr: PC / små servere, storage systemer, VoIP og nettverksutstyr osv. Bør ikke anvendes til kritiske 24/7 server-miljøer, og områder med dårlig spenningskvalitet. 13

14 Online UPS (double conversion) En Online UPS vil hele tiden «ligge inne», noe som betyr at det ikke vil være noen omkoblingstid mellom normal- og batteridrift. En Online UPS gir en TOTAL beskyttelse av tilkoplet utstyr da den er både spennings og frekvensuavhengig. Spenningen blir først likerettet før den på nytt blir vekselrettet. Betegnelsen for en Online UPS er derfor VFI (Voltage and Frequency Independent). De aller fleste Online UPS leveres i dag med by-pass switch. Denne forhindrer at UPS en vil slå seg av ved f.eks overlast, noe som ikke er tilfellet med Off-line og Line-interactive UPS er. Man kan derfor dimensjonere en Online UPS mer korrekt opp imot lasten til tross for f.eks potensielle startstrømmer. Figur hentet fra UPS guiden (Coromatic) Dobbelt-konverterende UPS («Online») Høyeste strømbeskyttelse mot alle ni typer av strømproblemer. Dobbelt-konverterende UPS med fremragende oppkoblings- og kommunikasjons- egenskaper. Ved online teknologi konverteres nettspenning fra vekselstrøm til likestrøm før den går gjennom batteriene. Det tilkoblede utstyret som skal beskyttes forsynes på denne måte via UPS med ren strøm. I tilfelle feil på UPS vil den innbygde Bypass- funksjonen foreta automatisk omkobling til nettstrøm. Denne funksjonen finnes ikke hos offline eller lineinteractive UPS er. Brukes til kritiske applikasjoner: Kritiske servere og annet driftskritisk og/eller følsomt utstyr, medisinsk utstyr, produksjonsanlegg, marine/offshore, alarmanlegg, rømningsvei etc. 14

15 Offline UPS UPS-topologi Line interactive UPS Online UPS Se neste bilde og forberedelse på kraftelektronikk 15

16 Kraftelektronikk et samlebegrep Elektroniske komponenter (halvledere) som er i stand til å håndtere kraftige energimengder (høy strøm / høy spenning) Komponenter brukes i likerettere, vekselrettere, statiske switcher osv Krever elektronisk kontrollenhet som sørger for signalgivning (styring) av selve komponentene Tyristor, IGBT, TRIAC er eksempler på «kraftelektronikk» 16

17 Inverterteknologi del av kraftelektronikken En «ren» sinuskurve er det som leveres i nettspenningen Til høyre har vi en sinuskurve som er pulsbreddemodulert (forkortet PWM, engelsk) De fleste UPS av typen offline og line interactive benytter seg av PWMteknologi for utgående sinuskurve. Dette er utelukkende på grunn av kostnader ved produksjon og mykere krav for privat bruk da utstyr for bruk i en bolig ikke er så følsomt for «urene» sinuskurver for å fungere. TEST: Bruk av autotransformator for spenningsvariasjon tilført UPS og oscilloskop for å se sinuskurve. «La elevene skru og sjekke litt selv». Hva skjer når spenning øker, minker, faller ut? Hvordan er utspenning underveis i testen? 17

18 Statisk Switch i en UPS Switchen fungerer i prinsipp som et vanlig rele eller kontaktor men har ingen bevegelige deler Veksler mellom spenningskilder (nettdrift / UPS-drift) som forsyner tilkoblet last Må kunne motstå belastninger og kortslutninger nedstrøms i anlegget NEK 400:133.3 «Alt elektrisk utstyr skal velges slik at det med sikkerhet kan tåle de påkjenninger det kan bli utsatt for (...)» Brukes ved «by-pass» av UPS Avgir mye varme og har behov for kjøling Leverandør: OEM Automatic AS Bilde av en switch er hentet fra OEM sin katalog over tavlekomponenter (Crydom produsent) er_1-fase/printkort_releer/ html Punkt 3: (NELFO sier): De fleste UPS'er har en innebygd statisk switch (automatisk bypass) som automatisk kobler seg inn dersom det oppstår en kortslutning etter UPS. Store kortslutningsstrømmer kan skade den statiske switchen (hvor stor gjennomslupne energi (I 2 t) denne kan håndtere) og verdien må oppgis fra UPS leverandøren. 18

19 Batteri i en UPS Ett batteri har «typisk» 12 Volt spenning og en kapasitet på 7 Ah Syrefylte blybatteri med AGM teknologi mest utbredt i dagens UPS Kan anordnes både i serie og parallell, gjerne i kombinasjon, kalles batteristreng («string») Ingen «enkel» formel for utregning av batteritid som funksjon av last og man velger i stedet følgende tommelfingerregel: 75% av full last gir forventet batteritid x 1,5 50% av full last gir forventet batteritid x 2,5 25% av full last gir forventet batteritid x 5,0 5 min batteridrift standard for de fleste UPS basert på lastens effekt oppgitt i Watt eller VoltAmpere. Forskjell på VA og W, hvor VA er tilført (tilsynelatende) energi, og W er faktisk effekt. EUROBAT: (the Association of European Automotive and Industrial Battery Manufacturers) Europeisk forbund av batteri-produsenter for bilindustri og industrielle formål. 85 % av europeiske batteriprodusenter er medlem i EUROBAT. Opprettet for å kvalitetssikre produksjon og merking av batterier beregnet for industriell virksomhet (også forbrukere) 19

20 Hvorfor kobler vi batterier sammen? Seriekobling av to batteri gir dobbel spenning (12V x 2 = 24V) men effekt (kapasitet) er uforandret. Parallellkobling av to batteri gir dobbel effekt, forutsatt like batteri (7Ah x 2 = 14Ah), men spenning er uforandret NB! Batteri får redusert levetid med 50% når temperaturen stiger fra +20 til +30 grader.. 20

21 Hvordan koble batteriene sammen? Parallell: Alle + kobles til felles punkt + Alle kobles til felles punkt Gjøres for det antall batteri som ønskes koblet i parallell. Serie: Fra batteriets til bakenforliggende batteris +, gjentas for hvert batteri som skal kobles til i serie. Parallell og serie kan kombineres som vist i eksempler her VENSTRE: 3 batterier i parallell. Om vi tenker oss at hvert batteri er 12V / 7 Ah, vil denne kobling levere 12V / 21 Ah. MIDTEN: 6 batteri koblet i kombinasjon serie og parallell. Denne batteripakke vil levere 24V / 21 Ah HØYRE: Kombinasjon av 12 batteri koblet både i serie og parallell som gir 72V og 14 Ah. 21

22 EUROBAT Normering av batterier Forkortelse for «the Association of European Automotive and Industrial Battery Manufacturers» Europeisk forbund av batteri-produsenter for bilindustri og industrielle formål 85 % av europeiske batteriprodusenter er medlem i EUROBAT Opprettet for å kvalitetssikre produksjon og merking av batterier beregnet for industriell virksomhet (også forbrukere) 22

23 Driftstilstander for UPS 1. Normal drift Tilførselspenning OK, belastningen for tilkoblet utstyr er normal og batterier vedlikeholdes 2. Batteridrift Strømbrudd / brudd i tilførsel, belastningen forsynes fra batteriene 3. Statisk bypass drift Feil med UPS eller for stor belastning tilkoblet UPS (f.eks kortslutning i tilkoblet utstyr) 4. Manuell bypass drift (gjelder eksempelvis online UPS i server-miljø) Dersom UPS trenger større vedlikehold eller trenger å byttes ut Belastning er hva som til enhver tid er tilkoblet utgangen på UPS! En UPS vil ALLTID forsøke å levere reservekraft ved et strømbrudd. Ergo vil ovennevnte driftsmodus 1 tom 3 foregå automatisk. Typisk omkoblingstid (4-10 ms) 2-5 ms (0,002 0,005 sekunder) på de mest påkostede UPS. Dette er godt innenfor toleransen til det meste av kritiske laster pr i dag. 23

24 Hvilken UPS skal jeg velge for hjemmebruk? Hvis det er snakk om en pluggbar UPS (opp til 3kVA), kan man velge mellom de ulike teknologiene offline, line interaktiv og online. Hvis lasten er såkalt virksomhetskritisk, bør man velge en online UPS. En UPS er en rimelig investering hvis man vurderer det opp mot konsekvensene av ikke å ha UPS. De fleste UPS er kan tilkobles ekstra batterier for lengre utladetider. Hvor mange batterier avhenger også av størrelsen på den innebygde batteriladeren i UPS en. Sjelden at en offline UPS har mulighet for tilkobling av ekstra batterier. 24

25 Sjekkliste for valg av UPS Hva skal du vite før du velger UPS? 1. Hvor mye last? VA/W (eller type og antall) 2. Spenning inn/ut? 1-fase 230V, 3-fase 230V eller 3-fase 400V 3. Hva kreves det av back-up tid? 4. Vil lasten øke i fremtiden? 5. Hva slags last har du? PC, server, SAN, telefonsystem osv. Kilde: EATON store blå side 66 Sjekk på forhånd: Spenningssystem, Effektbehov, Backup-tid, Batteri levetid Eurobat, Batterikabinett/rack, Bruk av transformator, Plassering av mekanisk bypass, Alarmer, (eksempelvis potensialfrie signaler/snmp (Simple Network Management Protocol)/Modbus), Uavbrutt N-leder, Fordelingstavle Lokasjon og plassering av UPS: Vern tilgjengelig, Tilførselskabler, Vern i fordeling, Startstrøm, Behov av kortslutningsytelse, Romstørrelse, Kjøling og ventilasjon, Inntransport av utstyr, Redundant system, Mulighet for utvidelse 25

26 Dette må vi unngå ved strømbrudd. 26