DRUPS — dieselroterende UPS-systemen en waarom hun kortsluitvermogen anders is dan een statische UPS

De gids over UPS-batterijtypen en de gids over UPS-noodstroomcontinuïteit behandelen de gangbare statische UPS: een gelijkrichter, een batterijbank en een omvormer, volledig opgebouwd uit vermogenselektronica. Dit artikel behandelt een fundamenteel ander type: de DRUPS (Diesel Rotary UPS), ook wel roterende of dynamische UPS genoemd — een systeem zonder batterijen, met eigenschappen die relevant zijn voor de beveiligingscoördinatie van de installatie.

Werking: vliegwiel, koppeling en dieselmotor op één as

Een DRUPS bestaat uit een vliegwiel (kinetische energieopslag), een elektrische machine (functionerend als motor/generator) en een dieselmotor, mechanisch gekoppeld op één as. Bij een normale netvoeding draait de as op synchrone snelheid en levert de elektrische machine gefilterd, ononderbroken vermogen aan de belasting. Bij netuitval levert het traagheidsmoment van het vliegwiel gedurende doorgaans 10 tot 30 seconden voldoende energie om de as op snelheid te houden, terwijl de dieselmotor start en op toeren komt — waarna de dieselmotor de as aandrijft en de voeding zonder onderbreking wordt voortgezet.

Omdat er geen batterijbank in het vermogenspad zit, kent een DRUPS geen batterijveroudering, geen periodieke batterijvervanging en niet het risico op thermal runaway dat bij lithium-ion-batterijbanken speelt (zie de gids over thermal runaway bij lithium-ion-BESS) — een veelgenoemd voordeel bij toepassing in datacenters met hoge vermogens.

Kortsluitvermogen: het kernverschil met een statische UPS

Dit is het punt waar een DRUPS zich wezenlijk anders gedraagt dan een statische UPS, met directe gevolgen voor de beveiligingscoördinatie:

• Een statische UPS is opgebouwd uit vermogenselektronica (IGBT's) die, om zichzelf te beschermen, de uitgangsstroom bij een kortsluiting doorgaans begrenzen tot ongeveer 150-300% van de nominale stroom. Dat kan onvoldoende zijn om een downstream installatieautomaat snel en selectief te laten aanspreken (zie de gids over prospectieve kortsluitstroom en Icu-dimensionering voor het belang van voldoende kortsluitstroom voor een correcte werking van magnetische uitschakelaars).
• Een DRUPS gedraagt zich bij een kortsluiting als een roterende synchrone machine — vergelijkbaar met een noodstroomaggregator (zie de gids over kortsluitvermogen en beveiligingsselectiviteit van aggregaten) — en kan daardoor een veelvoud van de nominale stroom leveren, doorgaans ruim genoeg om conventionele thermisch-magnetische beveiligingen (zie de gids over LSI-instellingen) op de gebruikelijke manier te laten aanspreken.

Bij het ontwerpen van de beveiligingscoördinatie achter een statische UPS moet daarom expliciet worden gecontroleerd of de begrensde kortsluitstroom van de UPS voldoende is om de downstream automaten binnen de vereiste tijd te laten aanspreken — een controle die bij een DRUPS doorgaans minder kritisch is vanwege het generatorachtige kortsluitgedrag.

Bypass en onderhoud

Net als een statische UPS heeft een DRUPS doorgaans een bypass-pad om de belasting tijdens onderhoud rechtstreeks vanaf het net te voeden. Sommige DRUPS-uitvoeringen gebruiken hiervoor een elektronische (thyristor-)bypass vergelijkbaar met een statische UPS, andere een mechanische ontkoppeling van de as. Periodiek onderhoud richt zich, in aanvulling op de reguliere NEN 3140-inspectiepunten, op de lagers en de koppeling van het vliegwiel, en op een belastingtest van de dieselmotor (zie de gids over belastingtest van noodstroomaggregaten voor het principe, ook toepasbaar op het dieselmotordeel van een DRUPS).

Let op: DRUPS-systemen worden doorgaans toegepast bij grote vermogens (vanaf enkele honderden kVA) zoals datacenters en industriële continu-processen; voor kleinere noodstroomtoepassingen is een statische UPS met batterijbank vrijwel altijd de gangbare en economischer keuze.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van de beveiligingscoördinatie achter een UPS is het essentieel om eerst vast te stellen of het om een statische of een roterende (DRUPS) UPS gaat — de begrensde kortsluitstroom van een statische UPS kan een selectiviteitsprobleem opleveren dat bij een DRUPS, door diens generatorachtige gedrag, doorgaans niet optreedt.

Veelgemaakte fouten

1. De kortsluitstroom van een statische UPS gelijkstellen aan die van een netaansluiting of generator bij het dimensioneren van downstream beveiligingen — de begrensde uitgangsstroom van vermogenselektronica is fundamenteel lager.
2. Aannemen dat een DRUPS dezelfde onderhoudscyclus vereist als een batterijgebaseerde UPS — de aandachtspunten liggen bij een DRUPS juist bij mechanische onderdelen (lagers, koppeling, dieselmotor) in plaats van bij batterijveroudering.
3. Geen belastingtest van het dieselmotordeel uitvoeren omdat het systeem "een UPS" wordt genoemd — het dieselmotordeel van een DRUPS vereist dezelfde periodieke belastingtest als een conventioneel noodstroomaggregaat.

Gerelateerd

• UPS-batterijtypen — VRLA versus lithium
• UPS-noodstroomcontinuïteit
• Prospectieve kortsluitstroom — Icu-dimensionering
• Noodstroomaggregaat — kortsluitvermogen en beveiligingsselectiviteit