Буцев И.В.
[имейл защитен]
Характеристики на системи за захранване, използващи дизелови динамични непрекъсваеми източници на енергия (DDIUPS)
В следващото изложение авторът ще се опита да избегне маркетинговите клишета и ще разчита изключително на практическия опит. DDIBP от HITEC Power Protection ще бъдат описани като тестови субекти.
Устройство за инсталиране на DDIBP
Устройството DDIBP, от електромеханична гледна точка, изглежда доста просто и предвидимо.
Основният източник на енергия е дизелов двигател (DE), с достатъчна мощност, като се вземе предвид ефективността на инсталацията, за дългосрочно непрекъснато захранване на товара. Това съответно налага доста строги изисквания към неговата надеждност, готовност за пускане и стабилност на работа. Следователно е напълно логично да се използват корабни DD, които продавачът пребоядисва от жълто в собствения си цвят.
Като обратим преобразувател на механична енергия в електрическа енергия и обратно, инсталацията включва двигател-генератор с мощност, надвишаваща номиналната мощност на инсталацията, за да подобри преди всичко динамичните характеристики на източника на енергия при преходни процеси.
Тъй като производителят претендира за непрекъсваемо захранване, инсталацията съдържа елемент, който поддържа захранването на товара по време на преход от един режим на работа към друг. За тази цел служи инерционен акумулатор или индукционен съединител. Това е масивно тяло, което се върти с висока скорост и акумулира механична енергия. Производителят описва устройството си като асинхронен двигател вътре в асинхронен двигател. Тези. Има статор, външен ротор и вътрешен ротор. Освен това външният ротор е твърдо свързан с общия вал на инсталацията и се върти синхронно с вала на мотор-генератора. Вътрешният ротор допълнително се върти спрямо външния и всъщност е устройство за съхранение. За осигуряване на мощност и взаимодействие между отделните части се използват четки с плъзгащи се пръстени.
За да се осигури пренос на механична енергия от двигателя към останалите части на инсталацията, се използва изпреварващ съединител.
Най-важната част от инсталацията е системата за автоматично управление, която, анализирайки работните параметри на отделните части, влияе върху управлението на инсталацията като цяло.
Също така най-важният елемент на инсталацията е реактор, трифазен дросел с намотка, предназначен да интегрира инсталацията в захранващата система и да позволи относително безопасно превключване между режимите, ограничавайки изравнителните токове.
И накрая, спомагателни, но в никакъв случай вторични подсистеми - вентилация, захранване с гориво, охлаждане и изпускане на газове.
Режими на работа на инсталацията DDIBP
Мисля, че би било полезно да се опишат различните състояния на инсталация на DDIBP:
- режим на работа ИЗКЛ
Механичната част на инсталацията е неподвижна. Захранването се подава към системата за управление, системата за предварително загряване на автомобила, системата за плаващо зареждане на стартерните батерии и рециркулационния вентилационен блок. След предварително загряване инсталацията е готова за стартиране.
- режим на работа СТАРТ
Когато се даде команда СТАРТ, стартира DD, който завърта външния ротор на задвижването и мотор-генератора през изпреварващия съединител. Когато двигателят загрее, охлаждащата му система се активира. След достигане на работна скорост вътрешният ротор на задвижването започва да се върти (зарежда). Процесът на зареждане на устройство за съхранение се оценява косвено от тока, който консумира. Този процес отнема 5-7 минути.
При наличие на външно захранване е необходимо известно време за окончателна синхронизация с външната мрежа и при постигане на достатъчна степен на синфазност инсталацията се свързва към нея.
DD намалява скоростта на въртене и преминава в цикъл на охлаждане, който отнема около 10 минути, последван от спиране. Изпреварващият съединител се изключва и по-нататъшното въртене на инсталацията се поддържа от мотор-генератора, като същевременно се компенсират загубите в акумулатора. Инсталацията е готова за захранване на товара и преминава в режим UPS.
При липса на външно захранване инсталацията е готова да захранва товара и собствените си нужди от мотор-генератора и продължава да работи в режим ДИЗЕЛ.
- режим на работа ДИЗЕЛ
В този режим източникът на енергия е DD. Мотор-генераторът, въртян от него, захранва товара. Мотор-генераторът като източник на напрежение има изразена честотна характеристика и има забележима инерция, реагирайки със закъснение на резки промени в големината на натоварването. защото Производителят допълва инсталациите с морски DD. Работата в този режим е ограничена само от резервите на гориво и възможността за поддържане на топлинните условия на инсталацията. В този режим на работа нивото на звуково налягане в близост до инсталацията надвишава 105 dBA.
- Режим на работа на UPS
В този режим източникът на енергия е външната мрежа. Мотор-генераторът, свързан чрез реактор както към външната мрежа, така и към товара, работи в режим на синхронен компенсатор, като компенсира в определени граници реактивната съставка на мощността на товара. Като цяло, DDIBP инсталация, свързана последователно с външна мрежа, по дефиниция влошава своите характеристики като източник на напрежение, увеличавайки еквивалентния вътрешен импеданс. В този режим на работа нивото на звуково налягане в близост до инсталацията е около 100 dBA.
При проблеми с външната мрежа уредът се изключва от нея, подава се команда за стартиране на дизеловия двигател и уредът преминава в режим ДИЗЕЛ. Трябва да се отбележи, че стартирането на постоянно нагрят двигател става без натоварване, докато скоростта на въртене на вала на двигателя надвиши останалите части на инсталацията със затваряне на изпреварващия съединител. Типичното време за стартиране и достигане на работни обороти на DD е 3-5 секунди.
- Режим на работа BYPASS
Ако е необходимо, например по време на поддръжка, мощността на товара може да бъде прехвърлена към байпасната линия директно от външната мрежа. Превключването към байпасната линия и обратно става с припокриване на времето за реакция на превключващите устройства, което ви позволява да избегнете дори краткотрайна загуба на мощност на товара, тъй като Системата за управление се стреми да поддържа синфазност между изходното напрежение на DDIBP инсталацията и външната мрежа. В този случай режимът на работа на самата инсталация не се променя, т.е. ако DD работеше, значи ще продължи да работи или самата инсталация се захранваше от външна мрежа, тогава ще продължи.
- режим на работа СТОП
Когато се подаде команда СТОП, захранването на товара се превключва към байпасната линия и захранването на мотор-генератора и устройството за съхранение се прекъсва. Инсталацията продължава да се върти по инерция известно време и след спиране преминава в режим ИЗКЛ.
Диаграми на свързване на DDIBP и техните характеристики
Единична инсталация
Това е най-простият вариант за използване на независим DDIBP. Инсталацията може да има два изхода - NB (без прекъсване, непрекъснато захранване) без прекъсване на захранването и SB (кратко прекъсване, гарантирано захранване) с краткотрайно прекъсване на захранването. Всеки от изходите може да има собствен байпас (виж Фиг. 1.).
Фиг. 1
Изходът NB обикновено се свързва с критичен товар (IT, хладилни циркулационни помпи, прецизни климатици), а изходът SB е товар, за който краткотрайното прекъсване на захранването не е критично (хладилни охладители). За да се избегне пълна загуба на захранване на критичния товар, превключването на изхода на инсталацията и байпасната верига се извършва с времево припокриване, а токовете на веригата се намаляват до безопасни стойности поради сложното съпротивление на частта на намотката на реактора.
Особено внимание трябва да се обърне на захранването от DDIBP към нелинейния товар, т.е. натоварване, което се характеризира с наличието на забележимо количество хармоници в спектралния състав на консумирания ток. Поради особеностите на работата на синхронния генератор и схемата на свързване, това води до изкривяване на формата на вълната на напрежението на изхода на инсталацията, както и наличието на хармонични компоненти на консумирания ток при захранване на инсталацията от външна мрежа с променливо напрежение.
По-долу има изображения на формата (вижте фиг. 2) и хармоничен анализ на изходното напрежение (вижте фиг. 3) при захранване от външна мрежа. Коефициентът на хармонично изкривяване надвишава 10% със скромен нелинеен товар под формата на честотен преобразувател. В същото време инсталацията не премина в дизелов режим, което потвърждава, че системата за управление не следи такъв важен параметър като коефициента на хармонично изкривяване на изходното напрежение. Според наблюденията нивото на хармоничното изкривяване не зависи от мощността на товара, а от съотношението на мощностите на нелинейния и линейния товар, а когато се тества върху чисто активен термичен товар, формата на напрежението на изхода на инсталацията е наистина близка до синусоидална. Но тази ситуация е много далеч от реалността, особено когато става въпрос за захранване на инженерно оборудване, което включва честотни преобразуватели, и ИТ товари, които имат импулсни захранвания, които не винаги са оборудвани с корекция на фактора на мощността (PFC).
Фиг. 2
Фиг. 3
В тази и следващите диаграми трябва да се отбележат три обстоятелства:
- Галванична връзка между входа и изхода на инсталацията.
- Дисбалансът на фазовото натоварване от изхода достига до входа.
- Необходимостта от допълнителни мерки за намаляване на хармониците на тока на натоварване.
- Хармоничните компоненти на тока на натоварване и изкривяването, причинено от преходни процеси, протичат от изхода към входа.
Паралелна верига
За да се подобри захранващата система, DDIBP модулите могат да бъдат свързани паралелно, свързвайки входните и изходните вериги на отделните модули. В същото време е необходимо да се разбере, че инсталацията губи своята независимост и става част от системата, когато са изпълнени условията за синхронност и синфазност, във физиката това се нарича с една дума - кохерентност. От практическа гледна точка това означава, че всички инсталации, включени в системата, трябва да работят в един и същи режим, т.е. например вариант с частична работа от DD, а частична работа от външната мрежа не е допустима. В този случай байпасната линия се създава обща за цялата система (виж фиг. 4).
С тази схема на свързване има два потенциално опасни режима:
- Свързване на втората и следващите инсталации към системната изходна шина при запазване на условията на кохерентност.
- Изключване на единична инсталация от изходната шина при запазване на условията на кохерентност, докато изходните превключватели се отворят.
Фиг. 4
Аварийното изключване на една инсталация може да доведе до ситуация, в която тя започва да се забавя, но устройството за превключване на изхода все още не е отворено. В този случай за кратко време фазовата разлика между инсталацията и останалата част от системата може да достигне аварийни стойности, причинявайки късо съединение.
Трябва също да обърнете внимание на балансирането на натоварването между отделните инсталации. В разглежданото тук оборудване балансирането се извършва поради характеристиката на падащия товар на генератора. Поради своята неидеалност и неидентични характеристики на инсталационните екземпляри между инсталациите, разпределението също е неравномерно. Освен това, когато се приближават максималните стойности на натоварване, разпределението започва да се влияе от такива привидно незначителни фактори като дължината на свързаните линии, точките на свързване към разпределителната мрежа на инсталациите и товарите, както и качеството (съпротивление на преход ) на самите връзки.
Винаги трябва да помним, че DDIBP и превключващите устройства са електромеханични устройства със значителен инерционен момент и забележими времена на забавяне в отговор на управляващи действия от системата за автоматично управление.
Паралелна верига със свързване на „средно” напрежение
В този случай генераторът е свързан към реактора чрез трансформатор с подходящ коефициент на трансформация. По този начин реакторът и комутационните машини работят на „средно“ ниво на напрежение, а генераторът работи на ниво 0.4 kV (виж фиг. 5).
Фиг. 5
При този случай на употреба трябва да обърнете внимание на естеството на крайния товар и неговата схема на свързване. Тези. ако крайният товар е свързан чрез понижаващи трансформатори, трябва да се има предвид, че свързването на трансформатора към захранващата мрежа е много вероятно придружено от процес на обръщане на намагнитването на сърцевината, което от своя страна причинява прилив на консумация на ток и, следователно, спад на напрежението (виж Фиг. 6).
Чувствителното оборудване може да не работи правилно в тази ситуация.
Поне нискоинерционното осветление мига и честотните преобразуватели на двигателя по подразбиране се рестартират.
Фиг. 6
Верига с "разделена" изходна шина
За да се оптимизира броят на инсталациите в захранващата система, производителят предлага да се използва схема с “разделена” изходна шина, при която инсталациите са паралелни както на входа, така и на изхода, като всяка инсталация е индивидуално свързана към повече от една изходна шина. В този случай броят на байпасните линии трябва да бъде равен на броя на изходните шини (виж фиг. 7).
Трябва да се разбере, че изходните шини не са независими и са галванично свързани помежду си чрез превключващите устройства на всяка инсталация.
По този начин, въпреки уверенията на производителя, тази схема представлява едно захранване с вътрешно резервиране, в случай на паралелна верига, с няколко галванично свързани изхода.
Фиг. 7
Тук, както и в предишния случай, е необходимо да се обърне внимание не само на балансирането на натоварването между инсталациите, но и между изходните шини.
Също така, някои клиенти категорично възразяват срещу предлагането на „мръсна“ храна, т.е. използване на байпас към товара във всеки режим на работа. При този подход, например в центрове за данни, проблем (претоварване) на една от спиците води до системен срив с пълно изключване на полезния товар.
Жизнен цикъл на DDIBP и влиянието му върху електрозахранващата система като цяло
Не трябва да забравяме, че инсталациите DDIBP са електромеханични устройства, които изискват внимателно, най-малкото, благоговейно отношение и периодична поддръжка.
Графикът за поддръжка включва извеждане от експлоатация, спиране, почистване, смазване (веднъж на шест месеца), както и натоварване на генератора до тестово натоварване (веднъж годишно). Обслужването на една инсталация обикновено отнема два работни дни. А липсата на специално проектирана верига за свързване на генератора към тестовия товар води до необходимостта от изключване на полезния товар.
Например, нека вземем резервна система от 15 паралелно работещи DDIUPS, свързани при „средно“ напрежение към двойна „разделена“ шина при липса на специална верига за свързване на тестовия товар.
При такива първоначални данни, за да обслужва системата в продължение на 30(!) календарни дни в режим през ден, ще е необходимо да се изключи една от изходните шини за свързване на тестовия товар. Така наличието на захранване на полезния товар на една от изходните шини е - 0,959, а всъщност дори 0,92.
В допълнение, връщането към стандартната верига за захранване на полезен товар ще изисква включване на необходимия брой понижаващи трансформатори, което от своя страна ще причини множество спадове на напрежението в цялата (!) система, свързана с обръщане на намагнитването на трансформаторите.
Препоръки за използване на DDIBP
От горното се налага едно неутешително заключение - на изхода на захранващата система, използваща DDIBP, има висококачествено (!) Непрекъснато напрежение, когато са изпълнени всички следните условия:
- Външното захранване няма значителни недостатъци;
- Натоварването на системата е постоянно във времето, активно и линейно по природа (последните две характеристики не се отнасят за оборудването на центъра за данни);
- Няма изкривявания в системата, причинени от превключване на реактивни елементи.
За да обобщим, могат да се формулират следните препоръки:
- Разделете захранващите системи на инженерното и ИТ оборудването и ги разделете на подсистеми, за да минимизирате взаимното влияние.
- Отделете отделна мрежа, за да осигурите възможност за обслужване на една инсталация с възможност за свързване на външен тестов товар с капацитет, равен на една инсталация. Подгответе мястото и кабелните съоръжения за свързване за тези цели.
- Постоянно следете баланса на натоварването между захранващите шини, отделните инсталации и фазите.
- Избягвайте използването на понижаващи трансформатори, свързани към изхода на DDIBP.
- Внимателно тествайте и записвайте работата на устройствата за автоматизация и превключване на мощността, за да съберете статистика.
- За да проверите качеството на захранването на товара, тествайте инсталации и системи, използващи нелинеен товар.
- При сервизно обслужване разглобявайте стартерните акумулатори и ги тествайте поотделно, защото... Въпреки наличието на така наречените еквалайзери и резервен стартов панел (RSP), поради една повредена батерия, DD може да не стартира.
- Вземете допълнителни мерки за минимизиране на хармониците на тока на натоварване.
- Документирайте звуковите и термичните полета на инсталациите, резултатите от вибрационните тестове за бърза реакция при първите прояви на различни видове механични проблеми.
- Избягвайте дълготраен престой на инсталациите, вземете мерки за равномерно разпределение на моторните ресурси.
- Завършете инсталацията със сензори за вибрации, за да предотвратите аварийни ситуации.
- Ако се променят звуковите и топлинните полета, се появят вибрации или чужди миризми, незабавно извадете инсталациите от експлоатация за допълнителна диагностика.
PS Авторът ще бъде благодарен за обратна връзка по темата на статията.
Източник: www.habr.com