uniblock - PowerBuilding

Stromversorgungslösungen für hochverfügbare Data Center 

Optimierung von Verfügbarkeit und Effizienz 

durch innovative Versorgungskonzepte 

Ing. Thomas Ott 

BEA Electrics GmbH Wien 

Fachbereichsleiter PILLER Stromversorgung 

A Langley Holdings Company 

BEA Electrics – Fachbereich Piller Stromversorgung

Überblick 

• Begriffsklärung 

• statische / dynamische USV 

• statische / rotierende Energiespeicher 

• Diesel-USV-Anlagen 

• Anwendungsbereiche - Referenzen 

• Optimaler Aufbau einer RZ-Versorgung 

• Spannungsfeld SICHERHEIT vs. KOSTEN 

• 4 unterschiedliche Redundanzkonzepte 



APOSTAR AP Premium 

Optimierte statische USV-Anlage bis 400 kVA 

Bypass 

Netz 2 

Netz 1 

Gleichrichter 

Wechselrichter 

ohne 

Trafo 

Last 

Ladegerät 

DC/DC-Converter 

Batterie-Thyristor 

Batterie 

Rückwirkungsfreier IGBT-Gleichrichter 

‣ THDi 95% 

PF-Auslegung 0,9 und hohe Wirkleistung im kapazitiven Bereich 



Dynamische USV-Systeme Typ UNIBLOCK 

Synchronmaschine mit doppelter Statorwicklung 

Das Herzstück aller rotierenden 

„dynamischen“ USV Anlagen bei 

Piller ist die UNIBLOCK- 

Maschine, bestehen aus einem 

Synchronmotor und einem 

Synchrongenerator mit 

gemeinsamen Läufer. 

Traglager 

Bürstenlose Erregung 

Motor- und 

Generatorwicklung im 

gemeinsamen Stator 

Gemeinsamer Rotor 

mit Dämpferwicklung 

Funktionsprinzip: 

„Rotierender Filter“ 

Startmotor 

Unbelastetes 

Führungslager 



Funktion der UNIBLOCK-Maschine 

Eingangsseite 

der USV 

Netzstrom 

Dämpferwicklung 

Motorwicklung 

Generatorwicklung 

Ausgangsseite 

der USV 

Verbraucherstrom 

Netzspannung 

Ausgangsspannung 

Erregerwicklung 

• Symmetrischer, sinusförmiger Eingangsstrom mit Leistungsfaktor 0,99 

• Sinusförmige Ausgangsspannung und geringer Innenwiderstand 

• Oberschwingungen werden beidseitig abgesaugt („rotierender Filter“) 

…und das alles ohne Leistungskondensatoren oder elektronische Filter !!! 




Schnelle Kurzschluss-Abschaltung 

• Der Generator liefert den 14fachen Nennstrom in den Kurzschluss 

• garantiert Abschaltung des gestörten Verbrauchers in 10ms 




Unbegrenzter Crestfaktor 

Verbraucherstrom 

Scheitelstrom 

1 

Effektivstrom 

Verbraucherspannung 

Praktisch unbegrenzter Crestfaktor 

Crestfaktor = 

Scheitelstrom 

Effektivstrom 




Ortskurve bei kapazitiver und induktiver Last 

Kapazitive Last 

Induktive Last 

100 

90 

80 

p.f. 0.8 

p.f. 1.0 

p.f. 0.8 

P 

(kW) 

70 

60 

50 

40 

30 

p.f. 0.7 

Dynamische 

USV 

Statische 

USV 

20 

10 

= 

0 

-100 

-80 

-60 

-40 

-20 

0 20 40 60 80 100 

Q (kVAr) 




Funkentstörung - EMV 

dBμV 

Grenzwerte nach EN 62040-2 

V 

1 

C3 

3,16 

1 

Vergleich der Grenzwerte: 

C3 (ehem. „eingeschränkter Vertrieb“): 

3,16 V 

0,1 

C2 (ehem. „Klasse A“): 

0,0089 V 

C2 

0,01 

Grenzwerte C3 bis zu 355x höher 

als bei C2 zulässig! 

C1 

0,001 

UNIBLOCK-Anlagen erfüllen 

standardmäßig C2 (ehem. Klasse A), 

ohne dass zusätzliche EMV-Filter 

0 

erforderlich sind 

MHz 



Batteriegestützte Anlagen 

UNIBLOCK UBR 

• Batteriegestützte rotierende USV von 150 kVA bis 1670 kVA Blockleistung 

• Kühlung durch das Lüfterrad des UNIBLOCK - optional Wasserkühlung 



UNIBLOCK mit Wasserkühlung 

USV und Klimagerät verschmelzen zu einem System 

USV 

Umluftkühler 

A 

A: Der geschlossene Luftkreislauf 

wird durch ein eingebautes 

Lüfterrad im Rotor der 

elektrischen Maschine betrieben. 

B: Der UNIBLOCK mit 

eingebauter Wasserkühlung ist 

an den Kaltwasserkreislauf des 

Gebäudes angeschlossen. 

B 



Statische und dynamische Energiespeicher 

Vergleich: Bleibatterie vs. Powerbridge 

Chemisches 

Energiespeicher 

Kinetischer 

Energiespeicher 

Umgebungsteperatur 20°C 0-40°C 

Klimatisierung erforderlich ja nein 

Platzbedarf groß sehr gering 

Lebensdauer 5 – 10 Jahre > 20 Jahre 

Wartung & Service aufwendig gering 

Altersbedingte 

Kapazitätsminderung 

ja 

nein 

Kapazitätserkennung aufwendig Drehzahlmessung 

Rückleistungsaufnahme nein ja 

POWERBRIDGE 16,5 MWs 

magnetisch entlastet 

mit Helium gefüllt 



Funktion UNIBLOCK UBT 

Netz 

Automatischer Bypass 

Koppeldrossel 

Gesicherte 

Last 

G 

~ 

= 

= 

~ 

M 

G 

• Hoher Wirkungsgrad bis 96 % 

• Hohe MTBF= 1.3 Mio.Std. 

• Sinusförmige Ein-/Ausgangsspannung 

Powerbridge 

• Alle Vorteile des Uniblock-Generators 

Netzkurzschlüsse ohne Unterbrechung 

Gute Dämpfung von Oberschwingungen 

Großer Eingangsspannungsbereich 

‣ Alternativ: Batteriespeicher 



Batterielose USV-Anlage 

UNIBLOCK UBT mit PowerBridge 

Batterielose rotierende USV von 420 kVA bis 2000 kVA Blockleistung 

Powerbridge Umrichter Drossel Leistungsschalter 

UNIBLOCK 

Maschine 



UNIBLOCK UBTD 

Komplettlösung mit gekoppeltem Diesel 


Netz 

Koppeldrossel 

Gesicherte 

Last 

G 

~ 

= 

= 

~ 

MG 

G 

Diesel 

Motor 

Powerbridge 

• Unbegrenzte Überbrückungszeit 

• Exzellente Frequenzstabilität bei Dieselbetrieb 



UNIBLOCK UBTD 

Diesel-USV mit zusätzlicher NEA-Schiene 


Netz 

Koppeldrossel 

Gesicherte 

Last 

G 

~ 

= 

= 

~ 

MG 

G 

Optionale 

Netzersatzschiene 

Powerbridge 

Diesel 

Motor 

Unkritische 

Last 

• Im Dieselbetrieb wird der Uniblock mechanisch vom Diesel angetrieben 

• Die Generatorwicklung versorgt über die Drossel unsere Last 

• Die Motorwicklung dient nur zur Stabilisierung von Lastsprüngen 

• Bei Dieselbetrieb kann die Motorwicklung daher zusätzlich als 

2. Generatorwicklung die unkritischen Verbraucher versorgen 



UNIBLOCK UBTD 

Containerlösung für höchste Flexibilität 

• Keine Infrastrukturmaßnahmen vor Ort 

• Optimale Prüfung vor Auslieferung im Werk 

• Minimaler Platzbedarf 

Flexible Aufstellmöglichkeiten - sofort betriebsbereit 

Einsatz an unterschiedlichen Aufstellorten möglich 



PILLER Diesel-USV-Anlagen 

UNIBLOCK UBTD von 400 kVA bis 3000 kVA 

• Powerbridge Speicher: elektrisch mit dem Uniblock gekoppelt 

• Piller Diesel-USV-Systeme sind bis 1670 kVA 

alternativ auch mit Batteriespeicher verfügbar 



PILLER Diesel-USV-Anlagen 

Referenzfotos UNIBLOCK UBTD625/625 

Piller UNIBLOCK 

UBTD 625/625 

USV: 

NEA: 

625kVA 

625kVA 



Anwendungen und Referenzen 

Rechenzentren 

Bank- & Finanzwesen 

Telekom & Rundfunkübertragung 

Flughäfen & Luftfahrt 

Industrielle Prozesse 



Optimaler Aufbau eines USV-Systems für die RZ-Versorgung: 

RZ-STROMVERSORGUNG 

IM SPANNUNGSFELD 

SICHERHEIT vs. KOSTEN 



Aufbau von Redundanzen durch 

Parallelschaltung von n+1 Modulen 

Parallel- 

Steuerung 

Ungesichertes Netz 

USV 

1 

USV 

2 

USV-Sammelschiene 

USV-Verteilung 

USV 

3 

USV 

4 

Trenner 

Wie funktioniert die Kurzschlussabschaltung? 

- Selektive Auslegung der Verteilung 

Ungesicherte 

Verbraucher 

Hand-Service- 

Bypass 

- Max. zulässige Auslösezeit nur ca. 10 ms 

Restrisiko 1: Parallelsteuerung 

Steuerung und Regelung des 

Verbandes ist nur 1x vorhanden. 

Systemfehler führen zum 

Bypassbetrieb oder Ausfall 

Restrisiko 2: Sammelschiene 

Gemeinsame Komponenten wie 

die USV-Verteilung können zum 

Totalausfall führen. 

Restrisiko 3: Selektivität 

Ein Kurzschluss an einem 

Verbraucher kann zum Ausfall des 

Gesamtsystems führen. 



System – Redundanz mit (N+1) + (N+1) 

Isoliert-redundanter Versorgung 

Ungesichertes Netz A 

Ungesichertes Netz B 

USV 

A1 

USV 

A2 

USV 

An 

USV 

A+1 

Ungesicherte 

Verbraucher 

USV 

B1 

USV 

B2 

USV 

Bn 

USV 

B+1 

Ungesicherte 

Verbraucher 

Hand-Service- 

Bypass 

Hand-Service- 

Bypass 

USV-Sammelschiene A 

Trenner 

USV-Sammelschiene B 

Trenner 


A 


B 

max. 50% Last 

max. 50% Last 

Realbetrieb 80%: 40% Last 40% Last 

Realbetrieb (3+1): 30% Last 30% Last 

Damit sinkt der angegebene Nennwirkungsgrad von z.B. 95% 

in der Realität auf ca. 90% - d.h. Verdopplung der Verluste! 



Isolierte Redundanz mit Transferschaltern 

A-B Schienenversorgung in n+1 Technik 

Netz und NEA 

Vorteile: 

keine Beeinflussung der Module untereinander 

keine Beeinflussung zwischen Schiene A und B 

Für jeden Bereich 

ein „Versorgungsmodul“ 

Modulleistung genau 

an die Last angepasst 

Gemeinsame Redundanz 

USV 

1 

300kVA 

USV 

2 

100kVA 

USV 

n 

200kVA 

USV 

n+1 

300kVA 

Schiene A 

Schiene B 


Sehr hohe Verfügbarkeit 

durch isolierte Redundanz 

bei Verwendung hochwertiger 

Transferschalter 


Isolierte Redundanz: …was der Transferschalter 

bei einem Kurzschluss können muss 

USV 

1 

USV 

R 

USV 

1 

USV 

R 

USV 

1 

USV 

R 

U=0V 

U=0V 

U=230V 

U=230V 

U=230V 

U=230V 

1 2 

1 2 

1 2 

U=230V 

U=0V 

U=0V 

U=0V 

U=230V 

U=0V 

U=230V 

A B 

1. Es tritt ein Kurzschluss am 

Ausgang A auf 

(Sub-Verteiler defekt) 

2. Transferschalter 1 

erkennt den Kurzschluss 

und blockiert das Umschalten 


A B 

3. Transferschalter 2 

erkennt Unterspannung 

am „linken“ Eingang 

4. und schaltet innerhalb 2-3ms 

praktisch unterbrechungsfrei 

auf den „rechten“ Eingang um 

A B 

5. USV 1 geht an ihr Stromlimit 

bzw. schaltet auf Bypass 

6. Der Kurzschlussstrom löst das 

Sicherungselement hinter 

Transferschalter 1 aus und trennt 

(erst jetzt) die defekte Last ab 


Statischer Transferschalter 

APOTRANS AT – eine Piller Eigenentwicklung 

Besonderheiten Piller APOTRANS III 

• Optimierte Kurzschlusserkennung 

• Sicherungsloses Design mit verstärkten Thyristoren 

• Interne Redundanzen 

• 2 redundante Microcontroller (Master/Slave) 

• 2+1 redundante Netzteile 

• 2x 2 redundante Lüfter (überwacht) 

• 4-polig schaltend 

Der APOTRANS ist eine Piller Eigenentwicklung 

und wird bereits in der 3. Gerätegeneration in 

Deutschland gefertigt. Damit erreichten wir den 

optimalen Sicherheitsstandard für das 

redundanzbildende Gerät Ihrer Versorgungskette. 



Zusammenfassung 

der gewünschten Vorteile 

• ISOLIERT-redundanter Betrieb 

Keine „Single-Points“, keine Parallelregelung der Systeme 

Getrennte Versorgung für A- und B-Schiene 

Sehr hohe Zuverlässigkeit (MTBF >50 Mio. Stunden) 

Freischaltbarkeit aller Komponenten ohne Verlust des USV-Schutzes 

Selektivität für defekte Abgänge durch den Transferschalter 

System-Leistungen auch >3,5 MVA möglich 

• PARALLEL-Betrieb mit n+1 Redundanz 

Lastausgleich zwischen den Modulen zur Optimierung der Auslastung 

Kostenoptimiert durch geringe Anzahl der Komponenten 

‣ Kombination dieser Vorteile: 

ISOLIERT PARALLELE USV-Konfiguration 



ISOLIERT PARALLELE USV-Systeme 

technische Voraussetzungen 

• Anforderungen an die USV-Systeme: 

Dynamische USV mit generatorischer Spannungserzeugung 

Dynamischer Energiespeicher, der die Nennleistung im Sekundenbereich 

abgeben, aber auch aufnehmen kann (Dämpfung bei Laständerungen) 

• Anforderungen an den „Isolierten Parallel – Bus“ 

Sternförmige Verbindung der Module 

Verbindung der Module über Koppeldrosseln 

Netz 


Last 

Isolierter Parallelbus 

(IP-Bus) 


ISOLIERT PARALLELE USV-Systeme 

technische Voraussetzungen 

Der IP-Bus wird zu einem Ring geschlossen (RETURN-BUS) 

Die Lasten können alternativ aus dem IP-Bus versorgt werden 

Damit ist die Freischaltung eines Moduls für Wartungen möglich 

…… 

Umschaltung erfolgt überlappend und somit für die Last vollständig unterbrechungsfrei 



Redundante IP-Bus Versorgung 

Abläufe bei Ausfall eines Modules 

Mains 

UPS 1 UPS2 UPS 3 UPS n 

M/G 

M/G 

M/G 

~ ~ 

~ ~ 

…… 

~ 

~ 

M/G 

~ 

~ 

G 

G 

G 

G 

Critical 

load 1 

Critical 

load 2 

Critical 

load 3 

Critical 

load n 



Eigenschaften des IP-Systems 

Trennung der Ausgänge im Fehlerfall 

VORTEIL des IP-BUS: Keine Beeinträchtigung 

anderer Verbraucher bei Störung eines Abganges 

1 2 3 4 16 

…… 

700A 

700A 23kA 700A 700A 

11kA 

Spannung: 97,8% 97,8% 0V 97,8% 97,8% 



Eigenschaften des IP-Systems 

Gute Lastverteilung durch Parallelschaltung 

VORTEIL des IP-BUS: Mittlere Lastverteilung bei unterschiedlicher 

Belastung der Ausgänge stellt sich automatisch ein 

1 2 3 4 16 

…… 

78% 78% 70% 78% 78% 

2% 2% -30% 2% 2% 

80% 80% 40% 80% 80% 



Zusammenfassung 

Einsatzbereiche der 4 Systemkonfigurationen 

• Redundant-Parallele Konfiguration (n+1) 

Für durchschnittliche Verfügbarkeits-Anforderungen gemäß TIER 2-3 

• System-Redundante Konfiguration (n+1) + (n+1) 

Bei Vorgabe System-Redundanz nach TIER 4 

• Isoliert Redundante Konfiguration „Transferschalter“ 

Modularer Aufbau, auch mit unterschiedlicher Leistung, bis TIER 3+ 

Bis 1,1 MVA pro Lastabgang, Gesamtleistung nahezu unbegrenzt 

• Isoliert Parallele Konfiguration „IP-Bus“ 

Großrechenzentren von 1,2 MW bis 20MW (darüber in MV-Ausführung) 

Modular ausbaubar mit 4 - 16 Anlagen im Endausbau 

Ideal für Hochverfügbarkeits-Anwendungen 



für Ihre Aufmerksamkeit ! 

Für weitere Informationen: 

ROHSTOFFGEWINNUNG 

ENERGIEERZEUGUNG 

ENERGIEVERTEILUNG 

ENERGIEANWENDUNG 

BEA Electrics GmbH 

Lastenstraße 19 

1230 Wien / Österreich 

Ing. Thomas Ott 

Fachbereich PILLER Stromversorgung 

T +43 (1) 86386 - 1247 

F +43 (1) 86386 - 40 1247 

E Thomas.Ott@bea-electrics.at 

I www.piller.com

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