Butsev I.V.
[chráněno e-mailem]
Vlastnosti napájecích systémů využívajících Diesel Dynamic Uninterruptible Power Sources (DDIUPS)
V následující prezentaci se autor pokusí vyhnout marketingovým klišé a bude vycházet výhradně z praktických zkušeností. DDIBP od HITEC Power Protection budou popsány jako testovací subjekty.
Instalační zařízení DDIBP
Zařízení DDIBP vypadá z elektromechanického hlediska celkem jednoduše a předvídatelně.
Hlavním zdrojem energie je Diesel Engine (DE), s dostatečným výkonem, s přihlédnutím k účinnosti instalace, pro dlouhodobé nepřetržité napájení zátěže. To tedy klade poměrně přísné požadavky na jeho spolehlivost, připravenost ke spuštění a stabilitu provozu. Proto je zcela logické používat lodní DD, které prodejce přebarví ze žluté do vlastní barvy.
Jako reverzibilní měnič mechanické energie na elektrickou energii a zpět je součástí instalace motorgenerátor s výkonem převyšujícím jmenovitý výkon instalace pro zlepšení především dynamických charakteristik zdroje energie při přechodových procesech.
Jelikož výrobce deklaruje nepřerušitelné napájení, instalace obsahuje prvek, který udržuje napájení zátěže při přechodech z jednoho provozního režimu do druhého. K tomu slouží inerciální akumulátor nebo indukční spojka. Jde o masivní těleso, které rotuje vysokou rychlostí a akumuluje mechanickou energii. Výrobce popisuje své zařízení jako asynchronní motor uvnitř asynchronního motoru. Tito. Je zde stator, vnější rotor a vnitřní rotor. Kromě toho je vnější rotor pevně spojen se společnou hřídelí zařízení a otáčí se synchronně s hřídelí motorgenerátoru. Vnitřní rotor se navíc vůči vnějšímu otáčí a je vlastně úložným zařízením. Pro zajištění síly a interakce mezi jednotlivými částmi se používají kartáčové jednotky se sběracími kroužky.
Pro zajištění přenosu mechanické energie z motoru na zbývající části instalace je použita jednosměrná spojka.
Nejdůležitější částí instalace je automatický řídicí systém, který analýzou provozních parametrů jednotlivých částí ovlivňuje řízení instalace jako celku.
Nejdůležitějším prvkem instalace je také tlumivka, třífázová tlumivka s odbočkou vinutí, určená k integraci instalace do systému napájení a umožňující relativně bezpečné přepínání mezi režimy, omezující vyrovnávací proudy.
A nakonec pomocné, ale v žádném případě ne sekundární subsystémy – ventilace, přívod paliva, chlazení a odvod plynů.
Provozní režimy instalace DDIBP
Myslím, že by bylo užitečné popsat různé stavy instalace DDIBP:
- provozní režim VYP
Mechanická část instalace je nehybná. Napájení je napájeno řídicím systémem, předehřívacím systémem motorového vozidla, systémem plovoucího nabíjení startovacích baterií a recirkulační ventilační jednotkou. Po předehřátí je instalace připravena ke spuštění.
- provozní režim START
Po zadání povelu START se spustí DD, které přes jednosměrnou spojku roztočí vnější rotor pohonu a motorgenerátor. Jakmile se motor zahřeje, aktivuje se jeho chladicí systém. Po dosažení provozních otáček se vnitřní rotor pohonu začne roztáčet (nabíjet). Proces nabíjení paměťového zařízení je nepřímo posuzován podle proudu, který spotřebuje. Tento proces trvá 5-7 minut.
Je-li k dispozici externí napájení, trvá určitou dobu, než dojde k finální synchronizaci s externí sítí, a po dosažení dostatečného stupně in-phase se k ní připojí instalace.
DD sníží rychlost otáčení a přejde do chladicího cyklu, který trvá asi 10 minut, po kterém následuje zastavení. Jednosměrná spojka se rozpojí a další otáčení zařízení je podporováno motorgenerátorem při kompenzaci ztrát v akumulátoru. Instalace je připravena k napájení zátěže a přepne se do režimu UPS.
Při absenci externího napájení je instalace připravena k napájení zátěže a vlastních potřeb z motorgenerátoru a pokračuje v provozu v režimu DIESEL.
- provozní režim DIESEL
V tomto režimu je zdrojem energie DD. Motor-generátor jím otáčený pohání zátěž. Motor-generátor jako zdroj napětí má výraznou frekvenční odezvu a má znatelnou setrvačnost, reaguje se zpožděním na náhlé změny velikosti zátěže. Protože Výrobce doplňuje instalace s lodním provozem DD v tomto režimu je omezen pouze zásobami paliva a schopností udržovat tepelné podmínky instalace. V tomto provozním režimu překračuje hladina akustického tlaku v blízkosti instalace 105 dBA.
- Provozní režim UPS
V tomto režimu je zdrojem energie externí síť. Motor-generátor, připojený přes tlumivku jak k vnější síti, tak k zátěži, pracuje v režimu synchronního kompenzátoru, který v určitých mezích kompenzuje jalovou složku výkonu zátěže. Obecně platí, že instalace DDIBP zapojená do série s externí sítí podle definice zhoršuje její charakteristiky jako zdroje napětí a zvyšuje ekvivalentní vnitřní impedanci. V tomto provozním režimu je hladina akustického tlaku v blízkosti instalace asi 100 dBA.
V případě problémů s externí sítí je jednotka od ní odpojena, je vydán povel ke spuštění naftového motoru a jednotka se přepne do režimu DIESEL. Je třeba poznamenat, že ke spuštění trvale zahřátého motoru dochází bez zatížení, dokud rychlost otáčení hřídele motoru nepřekročí zbývající části instalace se sepnutím jednosměrné spojky. Typická doba pro spuštění a dosažení provozní rychlosti DD je 3-5 sekund.
- Provozní režim BYPASS
V případě potřeby, například při údržbě, lze výkon zátěže přenést na obtokové vedení přímo z vnější sítě. Přepnutí na bypassové vedení a zpět nastává s překrytím doby odezvy spínacích zařízení, což umožňuje vyhnout se i krátkodobé ztrátě napájení zátěže, protože Řídicí systém se snaží udržovat souosost mezi výstupním napětím instalace DDIBP a externí sítí. V tomto případě se nemění provozní režim samotné instalace, tzn. pokud DD fungoval, tak bude fungovat dál, nebo byla samotná instalace napájena z externí sítě, tak bude pokračovat.
- provozní režim STOP
Když je vydán povel STOP, napájení zátěže se přepne na přemosťovací vedení a přeruší se napájení motorgenerátoru a akumulačního zařízení. Instalace se ještě nějakou dobu otáčí setrvačností a po zastavení přejde do režimu OFF.
Schémata zapojení DDIBP a jejich vlastnosti
Jednoduchá instalace
Toto je nejjednodušší možnost použití nezávislého DDIBP. Instalace může mít dva výstupy - NB (bez přerušení, nepřerušitelné napájení) bez přerušení napájení a SB (krátkodobý, garantovaný výkon) s krátkodobým přerušením napájení. Každý z výstupů může mít svůj vlastní bypass (viz obr. 1.).
Obr
Výstup NB je obvykle připojen na kritickou zátěž (IT, oběhová čerpadla chlazení, přesné klimatizace) a výstup SB je zátěž, pro kterou není kritické krátkodobé přerušení napájení (chladiče). Aby se zabránilo úplné ztrátě napájení kritické zátěže, spínání instalačního výstupu a bypassového obvodu se provádí s časovým přesahem a obvodové proudy jsou sníženy na bezpečné hodnoty kvůli složitému odporu součásti. vinutí reaktoru.
Zvláštní pozornost je třeba věnovat napájení z DDIBP do nelineární zátěže, tzn. zátěž, která se vyznačuje přítomností znatelného množství harmonických ve spektrálním složení odebíraného proudu. Vzhledem ke zvláštnostem provozu synchronního generátoru a schématu zapojení to vede ke zkreslení průběhu napětí na výstupu instalace a také k přítomnosti harmonických složek spotřebovaného proudu, když je instalace napájena z vnější síť střídavého napětí.
Níže jsou obrázky tvaru (viz obr. 2) a harmonická analýza výstupního napětí (viz obr. 3) při napájení z vnější sítě. Koeficient harmonického zkreslení přesáhl 10 % při mírné nelineární zátěži v podobě frekvenčního měniče. Instalace zároveň nepřešla do dieselového režimu, což potvrzuje, že řídicí systém nehlídá tak důležitý parametr, jako je koeficient harmonického zkreslení výstupního napětí. Podle pozorování nezávisí úroveň harmonického zkreslení na výkonu zátěže, ale na poměru výkonů nelineární a lineární zátěže a při testování na čistě aktivní, tepelné zátěži tvar napětí na výstupu zátěže. instalace je opravdu blízko sinusovému. Tato situace je však velmi vzdálená realitě, zejména pokud jde o napájení technických zařízení, která zahrnují frekvenční měniče, a IT zátěže, které mají spínané zdroje, které nejsou vždy vybaveny korekcí účiníku (PFC).
Obr
Obr
V tomto a následujících diagramech jsou pozoruhodné tři okolnosti:
- Galvanické propojení mezi vstupem a výstupem instalace.
- Nesymetrie fázové zátěže z výstupu dosáhne vstupu.
- Potřeba dalších opatření ke snížení harmonických proudů zátěže.
- Harmonické složky zatěžovacího proudu a zkreslení způsobené přechodovými jevy proudí z výstupu na vstup.
Paralelní obvod
Za účelem rozšíření systému napájení lze jednotky DDIBP zapojit paralelně a propojit tak vstupní a výstupní obvody jednotlivých jednotek. Zároveň je nutné pochopit, že instalace ztrácí svou nezávislost a stává se součástí systému, když jsou splněny podmínky synchronismu a in-phase, ve fyzice se to nazývá jedním slovem - koherence. Z praktického hlediska to znamená, že všechny instalace zahrnuté v systému musí pracovat ve stejném režimu, tj. např. varianta s částečným provozem z DD a částečný provoz z vnější sítě není přípustný. V tomto případě je obtokové vedení vytvořeno společné pro celý systém (viz obr. 4).
S tímto schématem připojení existují dva potenciálně nebezpečné režimy:
- Připojení druhé a dalších instalací k výstupní sběrnici systému při zachování podmínek koherence.
- Odpojení jednotlivé instalace od výstupní sběrnice při zachování podmínek koherence, dokud nejsou výstupní spínače otevřeny.
Obr
Nouzové odstavení jednotlivé instalace může vést k situaci, kdy se začne zpomalovat, ale výstupní spínací zařízení se ještě neotevře. V tomto případě může během krátké doby fázový rozdíl mezi instalací a zbytkem systému dosáhnout nouzových hodnot a způsobit zkrat.
Pozor si také musíte dát na rozložení zátěže mezi jednotlivými instalacemi. U zde uvažovaného zařízení se vyvažování provádí v důsledku charakteristiky klesajícího zatížení generátoru. Kvůli jeho neideálnosti a neidentickým charakteristikám instancí instalace mezi instalacemi je také rozdělení nerovnoměrné. Při přiblížení se k maximálním hodnotám zatížení navíc začnou rozvody ovlivňovat tak zdánlivě nepodstatné faktory, jako je délka navazujících vedení, místa napojení na rozvodnou síť instalací a zátěží, ale i kvalita (přechodový odpor ) samotných spojení.
Vždy musíme pamatovat na to, že DDIBP a spínací zařízení jsou elektromechanická zařízení s významným momentem setrvačnosti a znatelným zpožděním v reakci na řídicí akce z automatického řídicího systému.
Paralelní obvod s připojením „středního“ napětí
V tomto případě je generátor připojen k reaktoru přes transformátor s vhodným transformačním poměrem. Reaktor a spínací stroje tak pracují na „průměrné“ napěťové úrovni a generátor pracuje na úrovni 0.4 kV (viz obr. 5).
Obr
V tomto případě použití musíte věnovat pozornost povaze konečné zátěže a schématu jejího připojení. Tito. je-li koncová zátěž připojena přes snižovací transformátory, je třeba mít na paměti, že připojení transformátoru k napájecí síti je s vysokou pravděpodobností doprovázeno procesem obrácení magnetizace jádra, což následně způsobí nárůst odběru proudu a následně pokles napětí (viz obr. 6).
Citlivé zařízení nemusí v této situaci správně fungovat.
Alespoň bliká kontrolka s nízkou setrvačností a restartují se výchozí frekvenční měniče motoru.
Obr
Obvod s „rozdělenou“ výstupní sběrnicí
Pro optimalizaci počtu instalací v napájecím systému výrobce navrhuje použít schéma s „rozdělenou“ výstupní sběrnicí, ve které jsou instalace paralelní jak na vstupu, tak na výstupu, přičemž každá instalace je samostatně připojena k více než jedné výstupní sběrnice. V tomto případě musí být počet bypass linek roven počtu výstupních sběrnic (viz obr. 7).
Je třeba si uvědomit, že výstupní sběrnice nejsou nezávislé a jsou vzájemně galvanicky propojeny přes spínací zařízení každé instalace.
Tento obvod tedy i přes ujištění výrobce představuje jeden napájecí zdroj s vnitřní redundancí, v případě paralelního obvodu s několika galvanicky propojenými výstupy.
Obr
Zde, stejně jako v předchozím případě, je nutné dbát nejen na vyrovnávání zátěže mezi instalacemi, ale mezi výstupními sběrnicemi.
Někteří zákazníci také kategoricky protestují proti dodávání „špinavých“ potravin, tzn. pomocí bypassu k zátěži v libovolném provozním režimu. S tímto přístupem, například v datových centrech, vede problém (přetížení) na jednom z paprsků k pádu systému s úplným vypnutím užitečného zatížení.
Životní cyklus DDIBP a jeho dopad na napájecí systém jako celek
Nesmíme zapomínat, že instalace DDIBP jsou elektromechanická zařízení, která vyžadují pozorný, přinejmenším uctivý přístup a pravidelnou údržbu.
Plán údržby zahrnuje vyřazení z provozu, odstavení, čištění, mazání (jednou za šest měsíců) a také zatížení generátoru na zkušební zátěž (jednou ročně). Servis jedné instalace obvykle trvá dva pracovní dny. A nepřítomnost speciálně navrženého obvodu pro připojení generátoru ke zkušební zátěži vede k nutnosti odpojení užitečné zátěže.
Vezměme si například redundantní systém 15 paralelně pracujících DDIUPS připojených při „průměrném“ napětí ke dvojité „rozdělené“ sběrnici bez vyhrazeného obvodu pro připojení testovací zátěže.
S takovými počátečními údaji bude pro provoz systému po dobu 30(!) kalendářních dnů v režimu každý druhý den nutné odpojit jednu z výstupních sběrnic pro připojení testovací zátěže. Dostupnost napájení pro užitečné zatížení jedné z výstupních sběrnic je tedy - 0,959 a ve skutečnosti dokonce 0,92.
Navíc návrat ke standardnímu napájecímu obvodu užitečného zatížení bude vyžadovat zapnutí požadovaného počtu snižovacích transformátorů, což zase způsobí mnohonásobné poklesy napětí v celém (!) systému spojené s přepólováním magnetizace transformátorů.
Doporučení pro používání DDIBP
Z výše uvedeného vyplývá neútěšný závěr - na výstupu napájecího systému pomocí DDIBP je kvalitní (!) nepřerušované napětí při splnění všech následujících podmínek:
- Externí napájení nemá žádné významné nevýhody;
- Zatížení systému je konstantní v čase, aktivní a lineární povahy (poslední dvě charakteristiky se nevztahují na zařízení datových center);
- V systému nedochází k deformacím způsobeným přepínáním reaktivních prvků.
Abychom to shrnuli, lze formulovat následující doporučení:
- Oddělte napájecí systémy strojírenství a IT zařízení a rozdělte je na subsystémy, aby se minimalizovalo vzájemné ovlivňování.
- Vyhraďte samostatnou síť, abyste zajistili schopnost obsluhy jediné instalace s možností připojení venkovní zkušební zátěže s kapacitou rovnou jedné instalaci. Připravte pro tyto účely staveniště a kabelová zařízení pro připojení.
- Neustále sledujte rovnováhu zátěže mezi napájecími sběrnicemi, jednotlivými instalacemi a fázemi.
- Vyhněte se použití snižovacích transformátorů připojených k výstupu DDIBP.
- Pečlivě otestujte a zaznamenejte provoz automatizačních a spínacích zařízení, abyste mohli shromáždit statistiky.
- Pro ověření kvality napájení zátěže otestujte instalace a systémy pomocí nelineární zátěže.
- Při servisu rozeberte startovací baterie a jednotlivě je vyzkoušejte, protože... I přes přítomnost tzv. ekvalizérů a záložního startovacího panelu (RSP) se kvůli jedné vadné baterii nemusí DD spustit.
- Proveďte další opatření k minimalizaci harmonických proudů zátěže.
- Zdokumentujte zvuková a tepelná pole instalací, výsledky vibračních zkoušek pro rychlou reakci na první projevy různých typů mechanických problémů.
- Vyhněte se dlouhodobým prostojům instalací, přijměte opatření k rovnoměrnému rozložení zdrojů motoru.
- Doplňte instalaci o vibrační senzory, abyste předešli nouzovým situacím.
- Pokud se změní zvuková a tepelná pole, objeví se vibrace nebo cizí pachy, okamžitě vyřaďte zařízení z provozu pro další diagnostiku.
PS Autor by byl vděčný za zpětnou vazbu k tématu článku.
Zdroj: www.habr.com