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Effektive USV-Systeme für Cloud- und Hybrid-IT
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Neue USV-Technologien für Datenzentren
Ein dritter Ansatz zum Überwinden dieser Nachteile bietet ein so genanntes blockmodulares Design für USV-Systeme. Anstelle von Modulen mit einer kleinen Leistung, die in kleinen Schritten, in der Regel meistens zwischen 25 bis 40 kVA, gesteigert werden können, werden bei dem blockmodularen Ansatz Blöcke von typischerweise 250 kVA eingesetzt, die je nach Bedarf hinzugefügt oder herausgenommen werden können. Für Rechenzentren sind diese Leistungsgrößen eher ein geeigneter Schritt, um in die nächste Stufe zu wachsen.
Das blockmodulare Design sorgt für eine höhere Flexibilität und erlaubt gleichzeitig eine mindestens so hohe Effizienz wie rein modulare Alternativen bei konkurrenzfähigen Anschaffungskosten und hoher Betriebssicherheit.
Steigerung der Effizienz mit 3-Level-IGBT
Unabhängig von ihrem Aufbau weisen alle statischen USV-Systeme einen relativ schmalen Lastbereich mit maximaler Effizienz auf, die im unteren signifikant und im oberen Auslastungsbereich wieder leicht abfällt. Um dieses Manko zu reduzieren, versuchen manche Hersteller mit ECO-Mode-Funktionen oder der Abschaltung einzelner Leistungsstufen den realen Wirkungsgrad wieder anzuheben. Ein deutscher USV-Hersteller entwickelte bereits im Jahr 2010 USV-Systeme mit 250 kVA Blockleistung auf Basis der 3-Level-IGBT-Topologie. Anfang 2013 wurde die transformatorlose USV zur endgültigen Marktreife geführt und arbeitete genauso zuverlässig wie konventionelle Systeme – aber mit einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad von über 96 Prozent und einer hohen Linearität. Die bisherigen Obergrenzen beim Wirkungsgrad im VFI-Modus (On-Line) der gebräuchlichen 2-Level-IGBT konnten mit der neuen 3-Level-IGBT- (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) Technologie um gute 2 Prozent übertroffen werden.
Die Abbildung zeigt stark vereinfacht, wie die Pulsweitenmodulation (PWM) bei der USV verwendet wird, um einen sinusförmigen Ausgang zu erzeugen. Die 3-Level-IGBT zerschneidet das Wechselspannungssignal im Gegensatz zur 2-Level-IGBT in drei Schritten, typischerweise bei 0 V, 400 V, 800 V.
Der Schaltzustand der PWM verändert sich nicht sofort von einem Impuls zum nächsten, da nach dem Einschalten einige Zeit vergeht, bevor der volle Strom fließt und der Transistor komplett durchschaltet. Das bedeutet, dass in dieser Zeit eine Ineffizienz vorhanden ist, wo der PWM-Graph in der Abbildung von der Vertikalen abweicht, was zu Energieverlusten durch Wärmeabgabe führt. Dieser Energieverlust ist in Abbildung 1 rechts als roter Bereich gekennzeichnet. Es ist klar ersichtlich, dass eine 3-Level-IGBT niedrigere Energieverluste und folglich eine höhere Effizienz als die 2-Level-Technologie aufweist. Tatsächlich gibt es eine reale Effizienzgrenze von knapp über 94 Prozent, die mit einer 2-Level-Topologie noch kosteneffektiv erzielt werden kann. Demgegenüber hat die aktuelle 3-Level-IGBTs in Tests bereits eine Systemeffizienz von 96,7 Prozent erreichen können und im praktischen Einsatz zeigen sich dann bei guten USV-Systemen tatsächlich etwas über 96 Prozent.
Diese hohe Effizienz und die verbesserte Qualität der Ausgangsleistung führen zu Energiekosteneinsparungen von normalerweise um die 40 Prozent, womit sich die Gesamtbetriebskosten (TCO – Total Cost of Ownership) beträchtlich verringern lassen. Für ein System mit 1000 kVA mit einer mittleren Auslastung von 28 Prozent kann man sagen, dass diese Einsparung, die auf die 3-Level-Technologie (im Vergleich zu Systemen mit 2-Level-IGBT) zurückzuführen ist, etwa 10.800 Euro pro Jahr an Elektrizitätskosten beträgt. Bezieht man die Auswirkungen der Klimaanlage mit ein, so belaufen sich die eingesparten Kosten auf etwa 14.500 Euro pro Jahr.
Obwohl die 3-Level-IGBT-Technologie deutlich effizienter ist, ist es schwieriger, damit ein USV-System zu entwickeln. Die Ansteuerung ist deutlich komplexer und die Schaltfrequenzen doppelt oder drei Mal höher. Bei USV-Systemen mit höherer Leistung, werden daher schnell spezielle IGBT-Leistungsmodule nötig, die eigens für das jeweilige USV-System ausgelegt sein müssen, damit auch unvorhergesehene und starke Beanspruchungen der USV absolut zuverlässig vom System beherrscht werden.
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