UPS-statische bypassschakelaar — thyristorschakeling en make-before-break-overdracht

De gids over DRUPS behandelt waarom het kortsluitvermogen van een roterende UPS afwijkt van een statische UPS. Deze gids behandelt een kernonderdeel van juist die statische, dubbele-conversie-UPS: de statische bypassschakelaar. Dit is een van de meest kritieke — en meest onderschatte — onderdelen van een UPS-installatie, omdat het de continuïteit bewaakt op het moment dat de omvormer zelf niet meer kan leveren.

Wat de statische bypassschakelaar doet

Bij een dubbele-conversie-UPS ("online" UPS) wordt de belasting normaal gevoed via de omvormer: gelijkrichter → batterij/DC-bus → omvormer → belasting. De statische bypassschakelaar is een parallel pad, opgebouwd uit thyristoren (SCR's, anti-parallel geschakeld per fase), dat de belasting rechtstreeks met het bypass-net (meestal hetzelfde net als de ingang van de UPS) verbindt. Zolang de omvormer normaal functioneert, is dit pad inactief (de thyristoren geleiden niet). Bij een storing of overbelasting van de omvormer schakelt de besturing de thyristoren aan, waardoor de belasting vrijwel ogenblikkelijk wordt overgenomen door het bypass-net.

Waarom thyristoren en niet een mechanisch relais

Een mechanisch relais of contactor heeft een schakeltijd in de orde van tientallen milliseconden — te traag om een gevoelige IT-belasting zonder spanningsonderbreking over te zetten. Thyristoren schakelen binnen een fractie van een netperiode aan, doorgaans binnen een kwart periode (~4-5 ms bij 50 Hz), en bovendien alleen bij een nuldoorgang van de stroom, zodat er geen sprongvormige stroom- of spanningsverstoring optreedt. Dit maakt de omschakeling voor de belasting vrijwel naadloos.

Synchronisatievereiste: waarom niet altijd naadloos

Een naadloze, "make-before-break"-overdracht is alleen mogelijk als de omvormeruitgang en het bypass-net gesynchroniseerd zijn in fase, frequentie en amplitude op het moment van omschakeling. De UPS-besturing bewaakt dit voortdurend en houdt de omvormer normaal gesynchroniseerd met het bypass-net, juist om een instantane overdracht mogelijk te maken zodra dat nodig is. Als het bypass-net echter buiten de synchronisatiegrenzen valt (bijvoorbeeld bij een andere frequentie of een te grote faseafwijking, zoals kan optreden bij een generatorvoeding zonder correcte synchronisatie), is een naadloze overdracht niet mogelijk en volgt een korte onderbreking ("break-before-make") of wordt de overdracht geweigerd totdat synchronisatie is hersteld.

Automatische overdrachtssituaties

De statische bypass schakelt automatisch bij:

• Overbelasting van de omvormer boven de korte-termijn overbelastingscapaciteit (bijvoorbeeld bij een grote inschakelstroom van de belasting of een kortsluiting stroomafwaarts, waar de bypass tijdelijk het benodigde kortsluitvermogen levert dat de omvormer zelf niet kan leveren — zie ook de overwegingen in de [gids over hoofdzekering-selectiviteit](/guides/nen-1010/hoofdzekering-selectiviteit-eerste-automaat) voor de achterliggende gedachte van voldoende beschikbaar kortsluitvermogen om een beveiliging selectief te laten aanspreken).
• Storing of uitval van de omvormer (bijvoorbeeld oververhitting, interne fout).
• Handmatige overdracht door de operator via het bedieningspaneel, voor onderhoud aan de omvormer terwijl de belasting gevoed blijft.

Onderscheid met de manuele (mechanische) onderhoudsbypass

Naast de statische bypassschakelaar heeft vrijwel elke UPS-installatie ook een manuele onderhoudsbypass (maintenance bypass switch): een mechanische, vergrendelbare schakelaar die de gehele UPS-unit — inclusief de statische bypass zelf — volledig uit het vermogenspad haalt, zodat onderhoud aan de UPS-unit zelf (inclusief de statische bypassschakeling) veilig kan plaatsvinden zonder de belasting te onderbreken. De statische bypass beschermt tegen storingen tijdens normaal bedrijf; de manuele onderhoudsbypass maakt onderhoud aan de gehele UPS mogelijk. Verwarring tussen deze twee — bijvoorbeeld aannemen dat de statische bypass voldoende is om veilig aan de UPS-unit te werken — is een bekende valkuil, omdat de statische bypass zelf onder spanning blijft staan tijdens onderhoud aan de omvormer.

Let op: werkzaamheden aan de UPS-unit zelf (niet alleen de batterijen) mogen alleen worden uitgevoerd nadat de manuele onderhoudsbypass is geactiveerd en de UPS-unit conform de geldende LOTO-procedure is losgekoppeld — niet op basis van de statische bypass alleen.

Praktische betekenis

Bij het beoordelen van de beschikbaarheid van een UPS-installatie is het van belang te verifiëren dat het bypass-net voldoende kortsluitvermogen en spanningskwaliteit heeft om de belasting tijdens een bypass-overdracht daadwerkelijk te kunnen voeden — een bypassschakelaar die naar een zwak of ongeschikt net omschakelt, lost het beschikbaarheidsprobleem niet werkelijk op. Daarnaast moet de faseselectiviteit tussen de beveiliging van het bypass-pad en die van de belasting zijn afgestemd, zodat een fout stroomafwaarts tijdens bypass-bedrijf correct wordt geïsoleerd.

Typische fouten

1. Aannemen dat de statische bypass mechanisch schakelt — de thyristorschakeling is elektronisch en heeft een schakeltijd van milliseconden, niet tientallen milliseconden zoals een relais.
2. De statische bypass verwarren met de manuele onderhoudsbypass — alleen de laatste maakt veilig onderhoud aan de UPS-unit zelf mogelijk.
3. Ervan uitgaan dat een bypass-overdracht altijd naadloos is — zonder synchronisatie tussen omvormer en bypass-net is dat niet het geval.
4. Het bypass-net niet controleren op voldoende kortsluitvermogen, waardoor een overdracht naar bypass tijdens een storing de belasting alsnog onvoldoende voedt.

Gerelateerd

• DRUPS — dieselroterende UPS-systemen en kortsluitvermogen
• UPS-continuïteit voor klimaatcomputers en kritische processen
• UPS-batterijtypen — VRLA versus lithium-ion
• Periodieke keuring van een UPS-installatie