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DC-Stromversorgungssysteme
Konfiguration und Beispiele
Herbert Lorenz
Eaton Power Quality
Juli, 2012
LVD
© 2008 Eaton Corporation. All rights reserved.
Ausgabe 1

DC-Stromversorgungen für
IT, Telekommunikation und industrielle Anwendungen
2
CR48-3G
MAXINetwork 288kW
Flexi-3G
1,8 – 32kW
APS6 - Serie
8 – 750 kW
Matrix Inverter Serie
1 – 28kVA
2
RM3-Serie
EPS-Serie
APS3 - Serie
FAPS - Serie
APS12 - Serie
0,9 – 10,8 kW
APR24-3G
EPR48-3G
APR48-3G
APR48-ES
SC 200

Prinzip - Blockschaltbild
Cisco 3600 Series
Multiservice Platform
AC Versorgung
Gleichrichter
DC-Bus
Last
LVD
Gesicherte
DC-Spannung
Lastabgänge
MCB
Batterie
Fast Ethernet PoE
Stackable Switch
SC200 Systemcontroller
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.
Rectifier
Product
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 AC-
Verteilung 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.
ACD
Rectifier
Rectifier
DC
Distribution
Battery
MCBs
B
A
T
T
E
R
Y
Rectifier
Load
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.
ACD
Rectifier
Rectifier
Product
DC
Distribution
Battery
MCBs
B
A
T
T
E
R
Y
Rectifier
Load
MCBs
L
O
A
D
APS6
Flexi-3G
9

Tiefentladeschutz
Low Voltage Disconnect (LVD) (Optional)
• Batterien können gegen Tiefentladung geschützt
werden. Abschaltung erfolgt sobald eine einstellbare
Zellenspannung unterschritten wird.
ACD
Rectifier
Rectifier
LVD
DC
Distribution
Battery
MCBs
B
A
T
T
E
R
Y
Rectifier
Load
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).
ACD
Rectifier
Rectifier
LVD
DC
Distribution
Battery
MCBs
B
A
T
T
E
R
Y
Rectifier
PLD
Load
MCBs
L
O
A
D
11

Supervisory Module
Temp Sensors
Digital Inputs
User Interface
ACD
SUPERVISORY
MODULE
Rectifier
LVD
Rectifier
DC
Distribution
Battery
MCBs
Relay
Outputs
B
A
T
T
E
R
Y
Rectifier
Battery
and/or Load
Current
Shunts
Load
MCBs
L
O
A
D
12

Eaton DC Power Systeme
Klassifizierung
13

Enterprise Anwendungsbeispiel
Einfach zu installieren
Einfache Handhabung
Im Feld erweiterbar
(zur Leistungserhöhung)
Last und Batterie – MCBs
steckbar und nachrüstbar
AC
supply
Clean & Secure
48v DC to
equipment
Enterprise
Power System
~
=
DC Powered Network
switch/router
DC Powered
Server
DC Powered
Server
DC Powered
Server
1
2
3
Battery(s)
Battery(s)
5
4
15
15

EBM Backup und Kapazität
• 60 Minuten Überbrückungszeit
• 550 Watt Last
• 1 EBM
• 2 HE, 19” Einbaumodul
• Hochstromstecker für
sicheren und einfachen
Anschluß
* Überbrückungszeiten sind Näherungswerte und
von folgenden Faktoren abhängig:
- Last Konfiguration
- Batterieladung
- Batteriealter und -Temperatur
• Anschlußmöglichkeit für zwei
Batteriestränge pro EPS
• Maximal fünf EBM Module pro
Batterieanschluß
(maximal 10 EBM Module)
16
16

Beispiel: Enterprise Anwendungen
Typische Anwendung für sichere
DC-Stromversorgung
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
~
Battery(s)
Hold-up time provided by EPS solution batteries
(EBM modules)
=
Up to 4.5 kW (48v)
Clean &
Secure 48v
DC to
equipment
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
18

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
APS12-3G Dual AC-Supply
Zielmärkte:
• 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
DCD1M
Eaton AC-Distribution
Build in into EATON
XVTL Cabnet series
Complete Systems UL
approved by
21

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
Gleichrichter
Wechselrichter
Ein- oder Dreiphasen
Eingang-
Absicherung intern
oder extern möglich
LVD
Batterie
SC200 Systemcontroller
Gesicherte
Wechselspannung
Gesicherte DC-
Spannung
Schnittstellen
Gleichrichter mit
Weitbereichseingang
90-300V deshalb
weitestgehend
Netzunabhängig
48V Zwischenkreisbatterie, Kapazität
und Ausführung: kundenspezifisch
2000VA Wechselrichter
24
24

Stromversorgungsschrank mit integrierten
Batterien – modulare Wechselrichter
Schrankaufbau:
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
DO2
Lasttrennschalter
APR48-ES
APS300
SC200_datasheet_J.
pdf
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
Manueller
Bypass
APS6-300
25
SC200_IOBGP_I.pdf
Modular Inverter
Aufkleber / Hinweis:
Lastsicherungen sind
elektronisch überwacht.
Auch im ausgeschalteten
Zustand stehen
hochohmig -48V am
Sicherungsausgang an
25

Beispiele verschiedener Gleichrichterschränke
1.4.150 / 92kW
1.4.170 / 27kW
1.4.180 / 34kW
1.4.190 / 74kW
1.4.200 / 60kW
1500A
1500A
1500A
1500A
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
• 3000A MCCB with trip coil for load
disconnect
• Primary and secondary load
distributions
• 15 minutes battery Back-Up using
two battery strings 1500Ah each
AC-Distribution
160kW
48V & 3000A
DC
Power System A
~ =
Primary
DC-Distribution
Secondary
DC-Distribution
Clean &
Secure
48V DC to
equipment
• Two AC-Lines per system, 70qmm
each
Battery(s)
2 Strings
1500Ah
each
• Overhead load and battery
connection via bus bars
AC
supply
AC-Distribution
160kW
48V & 3000A
DC
Power System B
~ =
Primary
DC-Distribution
Secondary
DC-Distribution
Clean &
Secure
48V DC to
equipment
AC changeover
switch
Battery(s)
2 Strings
1500Ah
each
DC Hold-up time provided
by DC System battery

2 x 48V & 3000A DC Power-System for A / B Configuration
A - System
B - System

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

Power-System A
To the load
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
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
COM (+Ve) connection to
batteries directly at internal
bus bars
To the battery(s)
Connections point for
-Ve battery(s)
2x1600A MCCB with
disconnect coil or
TPS fuses
4xAC-Distributions
Each two distributions are
feeded from one AC-Line
AC-Terminals for Line 1
5x70qmm
Distributed to Rectifier AC-
Distributions
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
6xNH2 Fuses
6xNH2 Fuses
48xMCBs
18mm
6 x 160A
6 x 160A
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

Aufstellplan (z.B. 2 Gestelle mit je 3 Batterie-Stränge)
Wand
600mm
600mm
Durchgang
160KW Gleichrichteranlage
Bereich Doppelboden,
ca
300mm lichte
Höhe
2800mm
Durchgang
1000mm
Batteriekabel - Führung
600mm
Durchgang
Batteriekabel - Führung
35
35

Wand
Bereich Doppel-boden, ca
300mm lichte Höhe
Batteriekabel - Führung
600mm
Durchgang
2800mm
600m
m
600mm
1000mm
Durchgang
160KW Gleichrichteranlage
600mm
Batteriekabel - Führung
36
36
160KW Gleichrichteranlage
2800mm
Aufstellplan
Batteriekabel - Führung
Durchgang
600m
m
1000mm
Durchgang
Batteriekabel - Führung

DC Stromversorgungssysteme
• DC-Stromversorgungssysteme wandeln eine
Eingangswechselspannung in eine sichere,
potentialgetrennte Gleichspannung um.
• Gleichspannung kann verwendet werden
• Zur Versorgung von Ausrüstungen in IT- und Telekom-
Rechenzentren 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)
37

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)
38

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/B-
Versorgung)
• Viele Telefone werden auch immer noch direkt über
die Kupferleitung versorgt.
40

Rectifiers
• Eaton Rectifiers sind im Betrieb erweiter- und
tauschbar (hot swappable)
• Rectifier funktionieren auch ohne
Systemkontroller.
41