DC-Stromversorgungssysteme Konfiguration und Beispiele

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Author: Carsten Stein
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DC-Stromversorgungssysteme Konfiguration und Beispiele Herbert Lorenz Eaton Power Quality

LVD

Juli, 2012

© 2008 Eaton Corporation. All rights reserved.

Ausgabe 1

DC-Stromversorgungen für SC 200

APR48-ES

APR48-3G

EPR48-3G

CR48-3G

MAXINetwork 288kW

APS12 - Serie

APS6 - Serie

APS3 - Serie FAPS - Serie

Flexi-3G 1,8 – 32kW

EPS-Serie

RM3-Serie

APR24-3G

IT, Telekommunikation und industrielle Anwendungen

Matrix Inverter Serie 1 – 28kVA

0,9 – 10,8 kW 2 8 – 750 kW

2

Cisco 3600 Series Multiservice Platform

Prinzip - Blockschaltbild AC Versorgung

Gleichrichter

Last

DC-Bus

LVD

Gesicherte DC-Spannung Lastabgänge

MCB

Batterie

SC200 Systemcontroller

Fast Ethernet PoE Stackable Switch

Schnittstellen

3

Why -48V • Höhere Spannung bedeutet weniger elektrische Verluste. • Aber trotzdem noch sicher für Personal und Installation (SELV). • Positive Erdung ( -48V nicht +48V) historisch bedingt • Verwendung von ``sealed lead pipes´´ • Positive Erdung verhindert elektrolytische Korrosion an den Batteriepolen und Verbindungen.

• -48V üblich in Festnetzanwendungen und IT-Rechenzentren

4

Gleichrichter – wichtigstes Bauteil einer DC-SmV • Die Gleichrichter wandeln die Eingangsspannung (ein- oder dreiphasen Wechselspannung) in eine sichere und potentialgetrennte DC-Spannung um. • Eaton Gleichrichter sind modular und erlauben eine einfache Erweiterung eines Sstems. • Gleichrichter werden in Baugruppenträger oder Magazine installiert welche die Verbindungen zu den Eingangs- und Ausgangsverteilungen sowie Kommunikation zum Systemkontroller herstellen. Product

Rectifier Rectifier Rectifier APS6

Flexi-3G

5

AC Verteilung AC Distributions (ACD) • Der AC Eingang muß geschützt und abschalt- trennbar sein. • Die Trennung kann über Schalter (wenn Schutz in Unterverteilung) oder Sicherungsautomaten erfolgen. • Der Schutz erfolgt über Sicherungsautomaten . • Diese Einheit wird AC-Verteilung genannt (AC Distribution or ACD)

ACD

Rectifier

Product

Rectifier Rectifier APS6

Flexi-3G

6

AC Distribution (ACD) • AC wird von der ACD an die Gleichrichtermagazine verteilt. • Unterschiedliche ACD Konfigurationen sind, von Systemgröße abhängig, möglich. • Für kleine Systeme erfolgt Trennung und Schutz oft in externen Unterverteilungen (Gebäude). • Auch Überspannungsschutzorgane können in die ACVerteilung eingebaut werden (Metal Oxide Varistors MOVs).

7

DC Verteilung DC Distribution (DCD) • Der gemeinsame DC-Bus wird über die DC-Verteilung an die mehrfachen Lasten und Batterien verteilt. • Schutz und Trennung erfolgt über Schmelzsicherungen oder Sicherungsautomaten. B DC Distribution

ACD

Rectifier

Battery MCBs

A T T E R Y

Rectifier Load Rectifier

MCBs

L O A D 8

DC Distribution (DCD) • Der gemeinsame DC-Bus wird über die DC-Verteilung an die mehrfachen Lasten und Batterien verteilt. • Schutz und Trennung erfolgt über Schmelzsicherungen oder Sicherungsautomaten. B A T T E R Y

DC Distribution

ACD

Battery

Rectifier Product

MCBs

Rectifier Load Rectifier

L O A D

MCBs

APS6

Flexi-3G

9

Tiefentladeschutz Low Voltage Disconnect (LVD) (Optional) • Batterien können gegen Tiefentladung geschützt werden. Abschaltung erfolgt sobald eine einstellbare Zellenspannung unterschritten wird. DC Distribution

ACD

Battery

Rectifier LVD

MCBs

B A T T E R Y

Rectifier Load Rectifier

MCBs

L O A D 10

Teillastabschaltung Low Voltage Disconnect (PLD) (Optional) • Unter bestimmten bedingungen können Teillasten abgetrennt werden (z.B. Erhöhung der Überbrückungszeit bei gleicher Batterie). DC Distribution

ACD

Battery

Rectifier LVD

MCBs

B A T T E R Y

Rectifier Load Rectifier

PLD

MCBs

L O A D 11

Supervisory Module Relay Outputs

Temp Sensors Digital Inputs

SUPERVISORY MODULE

User Interface

DC Distribution

ACD

Battery

Rectifier LVD

MCBs

B A T T E R Y

Rectifier Load Rectifier Battery and/or Load Current Shunts

MCBs

L O A D

12

Eaton DC Power Systeme Klassifizierung

13

Ermittlung der Leistungsdaten • Ausgangsleistung • Batterieüberbrückungszeit

Leistungsdaten

Batterieladeleistung in Gesamtleistung enthalten ?

• Anzahle der Ausgänge

Batt Kalk

Interne oder abgesetzte Verteilung? Visio-Zeichnung

• AC – Versorgung Interne oder externe Gleichrichterabsicherung ?

Batterie

• Umweltbedingungen

14

Enterprise Anwendungsbeispiel Einfach zu installieren



Einfache Handhabung



Im Feld erweiterbar (zur Leistungserhöhung)



Last und Batterie – MCBs steckbar und nachrüstbar

AC supply

Enterprise Power System

~

=

DC Powered Network switch/router Clean & Secure 48v DC to equipment



DC Powered Server DC Powered Server DC Powered Server

1 3 2

Battery(s) Battery(s)

4 5

15

15

EBM Backup und Kapazität

• 60

Minuten Überbrückungszeit

• 550 Watt Last • 1 EBM • 2 HE, 19” Einbaumodul • Hochstromstecker für sicheren und einfachen Anschluß • Anschlußmöglichkeit für zwei Batteriestränge pro EPS * Überbrückungszeiten sind Näherungswerte und von folgenden Faktoren abhängig: - Last Konfiguration - Batterieladung - Batteriealter und -Temperatur

• Maximal fünf EBM Module pro Batterieanschluß (maximal 10 EBM Module)

16

16

Beispiel: Enterprise Anwendungen Typische Anwendung für sichere DC-Stromversorgung

Up to 4.5 kW (48v)

Enterprise Power System + Erweiterbare Batteriemodul(e)

+

Garantiert 24/7 power quality Schutz und Sicherheit durch redundante Gleichrichter und Back-Up Batterie - vergleichbar mit einer Doppelwandler AC-USV jedoch mit folgenden Merkmalen: • Hoher Wirkungsgrad: >96% • Lange Überbrückungszeiten bei schneller Wiederaufladung möglich • Längere Überbrückungszeiten bei gleicher Batteriekapazität da keine Wechselrichterverluste während Batteriebetrieb entstehen. • Hoch zuverlässig - No ``single point of failure´´ - N + 1 Gleichrichterredundanz - Ausfall nur bei Netzfehler und Batteriefehler

AC supply

Enterprise Power System

~

=

Clean & Secure 48v DC to equipment

Battery(s)

Hold-up time provided by EPS solution batteries (EBM modules)

17

Outdoor Anwendungen z.B. DSL im ländlichen Bereich • FAPS2 für 300mm Einbautiefe und Frontanschluß für ``On-Site´´ Installation z.B. in KvZ Anwendungen • FAPS3 mit Frontanschluss z.B. Energieversorgungsanlagen (Telkommunikation, Einspeisesysteme, Schaltanlagen) • EPS Systeme oder Kombinationen aus RM3 Gleichrichtermagazin und DCD1 Verteilung

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Access Power Systeme

APS3-3G 6kW 2xBatt 10xLoad

• • • • • • •

APS6-3G 12kW 4xBatt 16xLoad

• •

24V und 48V Systeme Hohe Leistungsdichte Viele Erweiterungsmöglichkeiten Batteriepufferung integriert Flexible DC-Verteilungen und Optionen Bedienerfreundliche Schnittstellen Einfache Installation und Inbetriebnahme Basierend auf XVTL-Schrankserie Intelligente Überwachung und Steuerung

Zielmärkte: APS12-3G Dual AC-Supply

• 2G / 3G BTS (Base Transceiver Station / Mobilfunk ) • Wireline access points • Roadside Kabinette • Wi-Fi Knoten • Customer premises 19

20KW @ 48VDC Dual Input

Products: APR48-ES SC200 DCD3 Distribution RM6 Rectifier magazine Features: 24kW / 500A @ 48V 2 line AC Input - 3x40A each 48 x 16A Load MCBs Highest power density: 20

Power-Supply Displays & Media Facades Products: APR48-ES SC200

Build in into EATON XVTL Cabnet series

Complete Systems UL approved by

DCD1M Eaton AC-Distribution

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Doha Airport 48V Power-Supply Group Blockdiagram

All AC and Load cable have top entry

22

Display Power-Supply Doha Airport 48V IES-SYS-A597-V1 44KW

IES-SYS-B597-V1 22KW

IES-SYS-C597-V1 22KW

23

Online USV mit 48V Zwischenkreis Grundprinzip AC Versorgung

Wechselrichter

Gleichrichter

LVD

Gesicherte Wechselspannung Gesicherte DCSpannung

Ein- oder Dreiphasen EingangAbsicherung intern oder extern möglich

Batterie SC200 Systemcontroller

Gleichrichter mit Weitbereichseingang 90-300V deshalb weitestgehend Netzunabhängig

Schnittstellen

48V Zwischenkreisbatterie, Kapazität und Ausführung: kundenspezifisch 2000VA Wechselrichter 24

24

Stromversorgungsschrank mit integrierten Batterien – modulare Wechselrichter Schrankaufbau:

DO2 Lasttrennschalter

EATON XVTL Systemschrank 2m "Batterien intern" Bestellnummer IES-SYS-A641-V1 Schranksystem 2000x600x600mm, Seitenwände und Tür lichtgrau RAL 7035 pulverbeschichtet Komplett geschlossen, mit verschließbarer Tür, Türe und Rückwand perforiert Kabelzuführung von oben durch zwei Kabeleinführungen mit Schaumstoff DC Stromversorgungssystem und Wechselrichter im oberen Bereich 2 Batterieböden für max 180AH Batterien, 2Stk vorverdrahtet, mit 35qmm doppelt isolierten Batteriezuleitungen (Bodenbelastung ist zu beachten) incl. Isolierplatte

APS300

SC200_datasheet_J. pdf

APR48-ES

Systembestückung von oben: 4HE Verdrahtungsfreiraum oben 6HE x 350mm 19 Zoll Stromversorgung , APS6-300 Für 6 x 1800W/2000W Gleichrichter Netzeingang mit 3 einpoligen Automaten 40A und 2 Klemmen N/PE 16qmm Integrierter Controller SC200 mit USB/RS232/Ethernet (TCP/IP,SNMP) Schnittstelle Alarm Interface mit 5x Alarmrelais, 6x Digital Eingang und max 2x Temperaturfühler(Batterie und Raumtemperatur) auf Klemmen geführt. Farb-Display mit Hauptfunktionen Lastverteilung mit 8x Lastrennschaltern D02 mit 32A GLGg Schmelzsicherungen, 8x Plusklemmen 4qmm 1 Inverter DC Vorsicherung 63A mit Sicherungsüberwachung 2 Batteriesicherungs- automaten 125A, mit Sicherungsüberwachung, mit Tiefentladeschutzrelais 200A und Shunt 300A 2x Batteriesymmetrie- überwachungsleitungen 5HE modulares Inverter System für den Einbau von bis zu 4 x 1KVA oder 1,5 KVA Wechselrichter mit eingebautem STS (Static transferswitch) und maunuellem Bypass, Alarmmeldung an SC200 Controller (ohne Abfrage analoger Werte des Wechselrichtersystems) 4HE AC Verteilerbox mit 8 Ausgangssicherungs- automaten 10A (tbd) verdrahtet auf 8x3 Klemmen (L-N-PE) 2,5qmm, 1x 16A AC EIngangssicherungsautomat (Inverter) 1HE Blindfrontplatte Komplett intern verdrahtet

Verdrahtungsfreiraum für Kabelzuführung von unten

SC200_IOBGP_I.pdf

Manueller Bypass

APS6-300

Modular Inverter

Aufkleber / Hinweis: Lastsicherungen sind elektronisch überwacht. Auch im ausgeschalteten Zustand stehen hochohmig -48V am Sicherungsausgang an

25

25

Beispiele verschiedener Gleichrichterschränke 1.4.150 / 92kW

1.4.170 / 27kW

1.4.180 / 34kW

1500A

1500A

1500A

1500A

1.4.190 / 74kW

1.4.200 / 60kW

1800A

1800A

Blank Panel AC Input Rail 1 x 3 Ph 180A Feed

26

26

160kW 48V @ 3000A A + B System • 160kW & 48V DC-Power-System

• Two AC-Lines per system, 70qmm each

~

=

Secondary DC-Distribution

=

Battery(s)

AC changeover switch

Primary DC-Distribution

DC Power System B

~

Clean & Secure 48V DC to equipment

2 Strings 1500Ah each

160kW 48V & 3000A AC-Distribution

AC supply

DC Power System A

Battery(s)

• Overhead load and battery connection via bus bars

Primary DC-Distribution

• 15 minutes battery Back-Up using two battery strings 1500Ah each

AC-Distribution

• Primary and secondary load distributions

160kW 48V & 3000A

Secondary DC-Distribution

• 3000A MCCB with trip coil for load disconnect

2 Strings 1500Ah each

DC Hold-up time provided by DC System battery

Clean & Secure 48V DC to equipment

2 x 48V & 3000A DC Power-System A - System

for A / B Configuration B - System

Overview - Power-System - Primary Distribution - Secondary Distribution Overhead bus bars to primary distribution Overhead bus bars to battery

Power-System A

COM (+Ve) connection to batteries directly at internal bus bars

To the load To the battery(s)

Over head COM (+Ve) connection to loaddistributions and battery(s) directly at internal bus bars Connection point for -Ve load 3000A MCCB with disconnect coil

Connections point for -Ve battery(s) 2x1600A MCCB with disconnect coil or TPS fuses

Central bus bars

AC-Supply: AC-Terminals for Line 1 5x70qmm Distributed to two Rectifier AC-Distributions. Each distribution is assembled with 4x63A 3pol MCB. Each MCB feeds two rectifiers Bottom Entry for AC-cables

4xAC-Distributions Each two distributions are feeded from one AC-Line

AC-Terminals for Line 1 5x70qmm Distributed to Rectifier ACDistributions Bottom Entry

Primary Distribution Cabinet Bus bars for 10x300qmm cables from Power system 2x1600A MCCB or TPS fuses Connections staggered for easy wiring from Top 1xMCCB or TPS fuse spare Distribution for 18mm or 27mm MCBs

Secondary Distribution Cabinet 1600A MCCB or TPS Fuse for disconnecting the cabinet 6 x 160A

6xNH2 Fuses 6xNH2 Fuses 6 x 160A

48xMCBs 18mm

NH2 style recommended For wiring

Direct Current-Flow Architecture => for minimum distribution losses Vorteile:

Direct, internal connections between rectifier outputs and main distribution via central busbars avoides cabeling, failures and distribution losses. Direct Current flow between rectifier, batteries and loads. MCCBs with trip coil for LVD function and emergency switch High Power density , hence less space required Two AC-Line supply

Batteriegestell für 2 Stränge 48V Oerlikon 2CP1000

Batteriegestell für 3 Stränge 48V Oerlikon 2CP1000

Batteriegestell für 6 Stränge 48V Oerlikon 2CP1000

34

34

600mm

600mm

Aufstellplan (z.B. 2 Gestelle mit je 3 Batterie-Stränge) Wand

Durchgang Bereich Doppelboden, ca 300mm lichte Höhe

160KW Gleichrichteranlage

Durchgang

Batteriekabel - Führung

600mm

Batteriekabel - Führung

Durchgang

1000mm

2800mm

35

35

Bereich Doppel-boden, ca 300mm lichte Höhe

Aufstellplan

Wand

Batteriekabel - Führung

Batteriekabel - Führung

Batteriekabel - Führung

Durchgang

160KW Gleichrichteranlage

160KW Gleichrichteranlage

600mm

600m m 1000mm

36

Durchgang

Durchgang

1000mm

600mm

2800mm

600m m

2800mm

Durchgang

600mm

Batteriekabel - Führung 36

DC Stromversorgungssysteme • DC-Stromversorgungssysteme wandeln eine Eingangswechselspannung in eine sichere, potentialgetrennte Gleichspannung um. • Gleichspannung kann verwendet werden • Zur Versorgung von Ausrüstungen in IT- und TelekomRechenzentren sowie industriellen Anwendungen • Zur Ladung von Batterien um eine auf die Anwendung angepasste Überbrückungszeit zu erzielen • Im Leistungsbereich von z.B. 900W für Enterprise Anwendungen bis 750kW für IT-Rechenzentren oder zentralen Vermittlungsstellen (Core-Networks)

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DC Stromversorgungssysteme • DC Stromversorgungen erfüllen folgende Anforderungen: • Bereitstellung einer sicheren und zuverlässigen DC-Versorgung mit einer Verfügbarkeit von minimum 99.999%. • 24/7-Betrieb – d.h. keine betriebsbedingte Unterbrechungen (kontrollierte Shutdowns) erforderlich. • Batterie-Überbrückungszeiten und Verteilungen können individuell auf die jeweilige Anwendung abgestimmt und möglichst integriert werden (Fehlervermeidung) • Skalierbare Ladeleistung für kurze Wiederaufladezeit auch bei großen Batterien (Hersteller- und größenunabhängig). Bsp.6000A RZ • Betrieb mit und ohne Batterie möglich (Konstantleistungsbetrieb für Einschaltvorgang, Versorgung aus AC-USV oder Generator)

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DC Spannungsbereiche • Eaton hat DC Systeme für 48V oder 24V. Die Systemspannung kann positiv-, negativ- oder ungeerdet sein. • -48V und +24V sind nominale Spannungen und können z.B. zwischen -43.2V bis -56V variieren. • Die tatsächlichen Spannungsbereiche sind abhängig von der Anwendung (Entgeräte Klassifizierung z.B. nach ETSI 43,5V, verwendetet Batterie). 39

DC Eingang von Endgeräten • IT und Telekom Geräte haben DC/DC-Wandler am Eingang, welche die Eingangsspannung in die intern benötigten Spannungen umwandelt (typ. 2,2V, 5V, 12V). Dies erlaubt dass die Geräte über einen weiten Eingangsspannungsbereich betrieben werden können. Oft haben die Geräte, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit auch mehrfache Eingänge (A/BVersorgung) • Viele Telefone werden auch immer noch direkt über die Kupferleitung versorgt.

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Rectifiers • Eaton Rectifiers sind im Betrieb erweiter- und tauschbar (hot swappable) • Rectifier funktionieren auch ohne Systemkontroller.

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