12.11.2017 Avbruddsfri strømforsyning Bedre kjent som UPS blant fagfolk (uninterruptable power supply) 1 2 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 3 1
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: https://www.tek.no/ordbok?wordid=628) 4 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 5 Typiske bruksområder Datasentre Sykehus Kraftstasjoner Industrianlegg Nettverksnoder, som basestasjoner Intranettverk for selskaper og Fremtidens bolighus? 6 2
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 http://www.cw.no/artikkel/sikkerhet/strombrudd-verre-enn-angrep http://www.powersource.no/arkiv/86 https://www.ibas.no/nedetid-arsak-kostnad/ 7 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. 8 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, vekselretterengjør 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). 9 3
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 eventstøvansamling. I industri og næring gjør bedriften oftest avtale med leverandør av UPS om oppfølging og vedlikehold ihttil spesifiserte 10 behov. 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 11 65 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 350-3000VA. 12 Figur hentet fra UPS guiden (Coromatic) 4
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). 13 Figur hentet fra UPS guiden (Coromatic) 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.ekspotensielle startstrømmer. 14 Figur hentet fra UPS guiden (Coromatic) Offline UPS UPS-topologi Line interactive UPS Online UPS 15 5
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 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 interactivebenytter 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. 17 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 18 6
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 19 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 20 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 21 7
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 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! 23 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. 24 8
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. 25 Kilde: EATON store blå side 66 Dette må vi unngå ved strømbrudd. 26 9