Tutustuminen UPSien maailmaan Aalto ELEC-C8001

This is a photographic template your photograph should fit precisely within this rectangle. Tutustuminen UPSien maailmaan Aalto ELEC-C8001 Teemu Paakkunainen, Sr. Application Engineer Eaton, Critical Power Solutions, PQED EMEA Toukokuu 2017 2012 Eaton Corporation. All rights reserved.

UPS toiminnot Suomessa 4

Eatonin tehdas Espoossa EMEA-alueen keskus (Eurooppa, Lähi-Itä, Afrikka) Tehtaan toimintoja: Isojen 3-vaihe UPS laitteiden valmistus (8-1200kW) Osa globaalia tuotekehitystä Keskitetty Technical support Pre-sales support maakonttoreille Tuotemarkkinointi ja -päälliköt Testauslabrat (TK ja FAT) Muita tietoja tehtaasta UPS-valmistusta vuodesta 1962 150 työntekijää ~10 000m2 tehdaspinta-alaa Yksi parhaista ja suurimmista UPS testikentistä Euroopassa 5

Tuotantolinjat UPS Laitteille 93PS / 93PM / 9395P (8-1200kW) 6

Demot ja Power Tourit Power Tour - 2-4 kertaa vuodessa - Yksi maa / päivä - Demo testikentällä - Teknologia/tuote presiksiä - Keskustelua päivän polttavista aiheista Asiakasdemot - Suunniteltu asiakkaan toiveiden mukaisesti - UPS testit määritelty asiakkaan toimesta - Tehtaan auditointi (asiakkaan ostotiimi) - Suuret globaalit asiakkaat kohderyhmänä 7

Miksi ihmeessä UPS? Koska nykypäivän maailmassa... Kuluttajat vaativat 24/7 saatavuutta palveluille internet, video striimauspalvelut, face, insta, twitter, nettikaupat, mailit jne Tuotanto prosessin keskeytyminen voi aiheuttaa huomattavan materiaalihukan teollisuudessa joskus jopa miljoonia Jotkin sovellukset vaativat keskeytymätöntä sähköä turvallisuuden takaamiseksi lennonjohto, SOLAS, sairaalat, viranomaisverkot, armeijat, jne... 1 tunnin katko palvelussa voi maksaa jopa kymmeniä miljoonia pankeille, pörsseille tai luottokorttiyhtiöille 9

Mikä UPS-laite on? Uninterruptible Power Supply (UPS) is: Combination of convertors, switches and energy storage devices (such as batteries), constituting a power system for maintaining continuity of load power in case of input power failure NOTE Input power failure occurs when voltage and frequency are outside rated steady-state and transient tolerance bands or when distortion or interruptions are outside the limits specified for the UPS. Source: IEC 62040-3 Edition 2.0 2011-03 10

Mihin UPS sijoittuu sähkönjakelussa GEN N GEN +1 UTILITY SWITCHGEAR GEN SWITCHGEAR U P S N U P S + 1 MECH SWITCHGEAR MECH SYSTEM UPS OUTPUT SWITCHGEAR P D U COMPUTER 11

Kaksoismuunnos UPS topologia Input Kaksoismuunnos (double conversion) UPS laite koostuu AC/DC-konverterista (tasasuuntaaja), sekä DC/AC-konverterista (inverteri) Normaalisti toiminnassa kuorma syötetään jatkuvasti tasasuuntaaja/inverteri setin läpi (tästä siis kaksoismuunnos-nimi) Output Kun verkkosähkö ei ole enää kelvollista tasasuuntaajalle, UPS laite siirtyy akkukäytölle turvaamaan kuormaa. Tässä tilassa energiavarastosta (yleensä akku) puretaan energiaa UPSin välipiiriin josta inverteri sitten syöttää kuormaa keskeytymättä 12

Kaksoismuunnos UPSin pääkomponentit 5 3 Input 1 2 Output 4 1. TASASUUNTAAJA Tasasuuntaa syöttävän verkon vaihtojänniteen UPSin sisäiseen DC-linkkiin josta otetaan energiaa kuorman syöttämiseen sekä akkujen lataamiseen 2. INVERTERI Konvertoi DC-linkin tasajännitteen puhtaaksi sinimuotoiseksi vaihtojännitteeksi UPSin lähtöön kuorman syöttämiseksi 3. LATURI/BOOSTERI Käytetään lataamaan ja purkamaa akkuja, mutta myös muita DC-energiavarastoja voidann käyttää. Esim vauhtipyörä tai superkondensaattori. Toimii jännitemuuttajana DC-linkin ja energiavaraston välillä 4. OHITUSKYTKIN Tyristorikytkin joka ohittaa UPS laitteen esim. vikaantumisen, ylikuorman, ylilämmön tai muun epänormaalin tilan takia. Käytetään myös sähkönjakelun selektiivisyyden helpottamiseksi. 5. ENERGIAVARASTO Varastoi sähkötehon käytettäväksi silloin kun sitä ei ole saatavilla ensisijaisesta lähteestä. Useimminten lyijyakku, mutta uudet teknologiat kuten Li-ion alkavat olla myös käytössä 13

IGBT tasasuuntaaja 3-vaiheinen AC/DC boost konverteri joka käyttää nopeita IGBT kytkimiä DC-linkin jännite tyypillisesti 700VDC Korkea kytkentätaajuus (>10kHz) Kaksisuuntainen konverteri voi myös syöttää energiaa takaisin verkkoon esim UPSiin integroidussa aurinkopaneelissa Esimerkissä 2-taso konverteri nykyisin kaikki 3-taso konvertereita Pieni tulovirran särö (<3%) ja PFC korjattu tulo (0,99PF) tasasuuntaaja eivä vaadi asennuksen ylimitoittamista kuten ennen Hyvissä tasasuuntaajissa on kehittyneitä ominasuuksia jotka helpottavat asennuksen suunnittelua Tulovirran ohjelmallien rajoittaminen Tehon jakaminen akuston ja verkkosyötön välillä Pehmokäynnistys verkolle palatessa akuilta 3~ N Teknologinen kehitys tähtää pienempään kokoon sekä parempaan hyötysuhteeseen (+) (-) 14

Inverteri (vaihtosuuntaaja) 3-vaiheinen DC/AC buck konverteri IGBTt kytkevät DC-linkin jännitettä pulssinleveysmodulaatiolla (PWM) LC-Lähtöfiltterit suodattavat raa an PWMn siistiksi sinimuotoiseksi lähtöjänniteeksi Inverterin kontrolleri pitää jännitteen sinimuotoisena ja vakiojännitteisenä kuormituksesta riippumatta Inverterin lähtöjännite pyritään pitämään synkronoituna ohitusverkkoon jos tulee äkillinen tarve siirtää järjestelmä ohitukselle (esim vikaantuminen) 15

Laturi / Boosteri Käytetään lataamaan ja purkamaan energiavarastoa, useimmiten lyijyakkuja, mutta esim Lithium-akkuja tai superkondensaattoreita käytetään eri sovelluksissa Tyypillisesti akkujännite on 400V-560V Ladattaessa akkuja toimii buck-moodissa (laskeva) Vastaavasti purettaessa boost-moodissa (nostava) Akkujen lataamiseen on omat vaatimukset jännite/virta/lämpötila rajat Kun akkua puretaan boosteri reguloi DC-linkkiä (ei tasasuuntaaja) BATTERY CONVERTER Kehittyneissä UPSeissa tasasuuntaaja ja boosteri voivat toimia yhtaikaa joka sallii akkujen purkamisen kun tasasuuntaaja on käynnissä Esim rankan ylikuorman syöttäiseen Akkutestin tekemiseen samanaikaisesti kun UPS syöttää kuormaa 16

Ohituskytkin STATIC SWITCH BACKFEED PROTECTION ur FUSES Käytetään ohittamaan UPSin normaali tehotie jos asiat menee pieleen Inverteri pyrkii pysymään tahdissa ohitusverkon kanssa jotta siirto ohitukselle olisi mahdollsimman jouhea ja lyhyt Ohituskytkimen kautta voidaan syöttää enemmän vikavirtaa oikosulkuun jolloin sulakkeen poltto onnistuu nopeammin ja sähköverkon häiriötilanne on lyhyempi Koostuu 2kpl vastakkaisista tyristoreista per vaihe sulakkeet ja backfeed-suojaus ideaalitilanteessa integroitu UPSiin Ns Eco-moodissa kuormaa syötetään ohituskytkimen kautta niin kauan kun sähköverkko on hyvälaatuinen 17

Energiavarastot (akut yms...) Akut ovat kriittinen osa UPS järjestelmää (joka liian usein laiminlyödään) Näistä saadaan energiaa inverterille verkkokatkon aikana UPSin varakäyntiaika riippuu akuston koosta, kunnosta, varaustilasta ja kuorman määrästä Yleensä varakäyntiajat ovat 5-15 minuuttia mutta trendi kohti lyhyempiä Markkinoilla on muita akkuteknologioita mutta lyijyakku on vielä suvereenisti hallitseva Lithium akustot ovat kovassa nosteessa, koska hinnat ovat enää 2-3x lyijyakun hinta ja tulossa vielä alaspäin Akkujen lisäksi myös supekondensaattoreita tai vauhtipyöriä käytetään energiavarastoina Näiden varakäyntiajat ovat sekuntien luokkaa (1-20sek) 18

Energiavarastojen vaihtoehdot Lyijyakut Ni-Cd Lithium-ion Superkondensaattorit Kineettinen energiavarasto (Flywheel) 19

UPSien kehitys 20 vuodessa 20