Merkmale von Stromversorgungssystemen mit DDIBP

Butsev I.V.
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Merkmale von Stromversorgungssystemen mit Diesel Dynamic Uninterruptible Power Sources (DDIUPS)

Im folgenden Vortrag versucht der Autor, Marketing-Klischees zu vermeiden und sich ausschließlich auf praktische Erfahrungen zu stützen. Als Testpersonen werden DDIBPs von HITEC Power Protection beschrieben.

DDIBP-Installationsgerät

Aus elektromechanischer Sicht sieht das DDIBP-Gerät recht einfach und vorhersehbar aus.
Die Hauptenergiequelle ist ein Dieselmotor (DE), der unter Berücksichtigung der Effizienz der Anlage über ausreichend Leistung verfügt, um die Last langfristig und kontinuierlich mit Strom zu versorgen. Dies stellt dementsprechend recht hohe Anforderungen an seine Zuverlässigkeit, Startbereitschaft und Betriebsstabilität. Daher ist es völlig logisch, Schiffs-DDs zu verwenden, die der Verkäufer von Gelb auf seine eigene Farbe umlackiert.

Als reversibler Wandler mechanischer Energie in elektrische Energie und zurück umfasst die Anlage einen Motorgenerator mit einer Leistung, die über der Nennleistung der Anlage liegt, um vor allem die dynamischen Eigenschaften der Stromquelle bei transienten Vorgängen zu verbessern.

Da der Hersteller eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angibt, enthält die Anlage ein Element, das die Stromversorgung der Last beim Übergang von einem Betriebsmodus zum anderen aufrechterhält. Hierzu dient ein Trägheitsspeicher oder eine Induktionskopplung. Es handelt sich um einen massiven Körper, der sich mit hoher Geschwindigkeit dreht und mechanische Energie ansammelt. Der Hersteller beschreibt sein Gerät als Asynchronmotor im Inneren eines Asynchronmotors. Diese. Es gibt einen Stator, einen Außenrotor und einen Innenrotor. Darüber hinaus ist der Außenrotor starr mit der gemeinsamen Welle der Anlage verbunden und dreht sich synchron mit der Welle des Motorgenerators. Der Innenrotor dreht sich zusätzlich relativ zum Außenrotor und ist eigentlich ein Speichergerät. Um die Kraft und das Zusammenspiel der einzelnen Teile zu gewährleisten, werden Bürsteneinheiten mit Schleifringen eingesetzt.

Um die Übertragung der mechanischen Energie vom Motor auf die übrigen Anlagenteile sicherzustellen, wird eine Überholkupplung eingesetzt.

Der wichtigste Teil der Anlage ist das automatische Steuerungssystem, das durch die Analyse der Betriebsparameter einzelner Teile Einfluss auf die Steuerung der gesamten Anlage hat.
Das wichtigste Element der Anlage ist außerdem eine Drossel, eine dreiphasige Drossel mit Wicklungsanzapfung, die dazu dient, die Anlage in das Stromversorgungssystem zu integrieren und ein relativ sicheres Umschalten zwischen den Modi zu ermöglichen, wodurch Ausgleichsströme begrenzt werden.
Und schließlich Hilfs-, aber keineswegs sekundäre Teilsysteme – Belüftung, Kraftstoffversorgung, Kühlung und Gasabfuhr.

Betriebsarten der DDIBP-Installation

Ich denke, es wäre nützlich, die verschiedenen Zustände einer DDIBP-Installation zu beschreiben:

• Betriebsart AUS

Der mechanische Teil der Installation ist bewegungslos. Die Stromversorgung erfolgt für die Steuerung, das Vorheizsystem des Kraftfahrzeugs, das Floating-Charge-System für Starterbatterien und das Umluftlüftungsgerät. Nach dem Vorheizen ist die Anlage startbereit.

• Betriebsart START

Wenn der START-Befehl gegeben wird, startet der DD, der über die Überholkupplung den Außenrotor des Antriebs und den Motor-Generator dreht. Wenn der Motor warm wird, wird sein Kühlsystem aktiviert. Nach Erreichen der Betriebsdrehzahl beginnt der Innenrotor des Antriebs hochzudrehen (aufzuladen). Der Ladevorgang eines Speichergeräts wird indirekt anhand der Stromaufnahme beurteilt. Dieser Vorgang dauert 5-7 Minuten.

Wenn eine externe Stromversorgung verfügbar ist, dauert die endgültige Synchronisierung mit dem externen Netzwerk einige Zeit und wenn ein ausreichender Grad an Gleichphasigkeit erreicht ist, wird die Anlage daran angeschlossen.

Der DD reduziert die Rotationsgeschwindigkeit und geht in einen Abkühlzyklus über, der etwa 10 Minuten dauert, gefolgt von einem Stopp. Die Überholkupplung schaltet aus und die weitere Drehung der Anlage wird vom Motor-Generator unterstützt, während Verluste im Akkumulator ausgeglichen werden. Die Anlage ist bereit, die Last mit Strom zu versorgen und wechselt in den USV-Modus.

Wenn keine externe Stromversorgung vorhanden ist, ist die Anlage bereit, die Last und ihren Eigenbedarf über den Motorgenerator zu versorgen und arbeitet weiterhin im DIESEL-Modus.

• Betriebsart DIESEL

In diesem Modus ist die Energiequelle der DD. Der von ihm gedrehte Motorgenerator treibt die Last an. Der Motorgenerator als Spannungsquelle hat einen ausgeprägten Frequenzgang und eine spürbare Trägheit, sodass er mit einer Verzögerung auf plötzliche Änderungen der Lastgröße reagiert. Weil Der Hersteller vervollständigt die Anlagen mit Marine-DD-Betrieb in diesem Modus, der nur durch die Kraftstoffreserven und die Fähigkeit, die thermischen Bedingungen der Anlage aufrechtzuerhalten, begrenzt ist. In dieser Betriebsart beträgt der Schalldruckpegel in der Nähe der Anlage mehr als 105 dBA.

• USV-Betriebsmodus

In diesem Modus ist die Energiequelle das externe Netzwerk. Der Motorgenerator, der über eine Drossel sowohl mit dem externen Netzwerk als auch mit der Last verbunden ist, arbeitet im Synchronkompensatormodus und kompensiert innerhalb bestimmter Grenzen den Blindanteil der Lastleistung. Im Allgemeinen verschlechtert eine in Reihe mit einem externen Netzwerk geschaltete DDIBP-Installation per Definition ihre Eigenschaften als Spannungsquelle und erhöht die äquivalente interne Impedanz. In dieser Betriebsart beträgt der Schalldruckpegel in der Nähe der Anlage etwa 100 dBA.

Bei Problemen mit dem externen Netzwerk wird das Gerät von diesem getrennt, ein Befehl zum Starten des Dieselmotors gegeben und das Gerät wechselt in den DIESEL-Modus. Es ist zu beachten, dass der Anlauf eines konstant beheizten Motors ohne Last erfolgt, bis die Drehzahl der Motorwelle mit dem Schließen der Überholkupplung die der übrigen Anlagenteile übersteigt. Die typische Zeit zum Starten und Erreichen der Betriebsgeschwindigkeit des DD beträgt 3–5 Sekunden.

• Betriebsart BYPASS

Bei Bedarf, beispielsweise bei Wartungsarbeiten, kann die Lastleistung direkt aus dem externen Netz auf die Bypass-Leitung übertragen werden. Das Umschalten auf die Bypass-Leitung und zurück erfolgt mit einer Überlappung der Reaktionszeit der Schaltgeräte, wodurch auch ein kurzfristiger Leistungsverlust der Last vermieden werden kann Das Steuerungssystem ist bestrebt, die Gleichphase zwischen der Ausgangsspannung der DDIBP-Installation und dem externen Netzwerk aufrechtzuerhalten. In diesem Fall ändert sich die Betriebsart der Anlage selbst nicht, d.h. Wenn das DD funktioniert hat, wird es weiterhin funktionieren, oder die Installation selbst wurde über ein externes Netzwerk mit Strom versorgt, dann wird es weiterhin funktionieren.

• Betriebsart STOP

Wenn der STOP-Befehl gegeben wird, wird die Lastleistung auf die Bypass-Leitung umgeschaltet und die Stromversorgung des Motorgenerators und der Speichervorrichtung unterbrochen. Die Anlage dreht sich aufgrund der Trägheit noch einige Zeit weiter und geht nach dem Anhalten in den AUS-Modus.

DDIBP-Verbindungsdiagramme und ihre Funktionen

Einzelinstallation

Dies ist die einfachste Möglichkeit, ein unabhängiges DDIBP zu verwenden. Die Anlage kann über zwei Ausgänge verfügen: NB (keine Unterbrechung, unterbrechungsfreie Stromversorgung) ohne Unterbrechung der Stromversorgung und SB (kurze Unterbrechung, garantierte Stromversorgung) mit kurzfristiger Unterbrechung der Stromversorgung. Jeder der Ausgänge kann über einen eigenen Bypass verfügen (siehe Abb. 1.).

Ris.1

Der NB-Ausgang ist normalerweise an eine kritische Last angeschlossen (IT, Kälteumwälzpumpen, Präzisionsklimageräte), und der SB-Ausgang ist eine Last, für die eine kurzzeitige Unterbrechung der Stromversorgung unkritisch ist (Kältekühler). Um einen vollständigen Ausfall der Stromversorgung der kritischen Last zu vermeiden, erfolgt die Umschaltung des Anlagenausgangs und des Bypass-Schaltkreises zeitlich überlappend und die Schaltkreisströme werden aufgrund des komplexen Widerstands des Teils auf sichere Werte reduziert der Drosselwicklung.

Besonderes Augenmerk sollte auf die Stromversorgung vom DDIBP zur nichtlinearen Last gelegt werden, d. h. Last, die durch das Vorhandensein einer merklichen Menge an Harmonischen in der spektralen Zusammensetzung des verbrauchten Stroms gekennzeichnet ist. Aufgrund der Besonderheiten des Betriebs des Synchrongenerators und des Anschlussplans führt dies zu einer Verzerrung der Spannungswellenform am Ausgang der Anlage sowie zum Vorhandensein harmonischer Komponenten des verbrauchten Stroms, wenn die Anlage mit Strom versorgt wird ein externes Wechselspannungsnetz.

Unten finden Sie Bilder der Form (siehe Abb. 2) und der harmonischen Analyse der Ausgangsspannung (siehe Abb. 3) bei Stromversorgung über ein externes Netzwerk. Der harmonische Verzerrungskoeffizient überstieg 10 % bei einer bescheidenen nichtlinearen Last in Form eines Frequenzumrichters. Gleichzeitig schaltete die Anlage nicht auf Dieselmodus um, was bestätigt, dass das Steuersystem einen so wichtigen Parameter wie den harmonischen Verzerrungskoeffizienten der Ausgangsspannung nicht überwacht. Beobachtungen zufolge hängt der Grad der harmonischen Verzerrung nicht von der Lastleistung ab, sondern vom Verhältnis der Leistungen der nichtlinearen und linearen Last und beim Test an einer rein aktiven, thermischen Last von der Spannungsform am Ausgang der Die Installation ist wirklich nahezu sinusförmig. Diese Situation ist jedoch weit von der Realität entfernt, insbesondere wenn es um die Stromversorgung von technischen Geräten mit Frequenzumrichtern und IT-Lasten geht, deren Schaltnetzteile nicht immer mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ausgestattet sind.

Ris.2

Ris.3

In diesem und den folgenden Diagrammen sind drei Umstände bemerkenswert:

• Galvanische Verbindung zwischen Ein- und Ausgang der Anlage.
• Das Ungleichgewicht der Phasenlast vom Ausgang erreicht den Eingang.
• Die Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen zur Reduzierung der Laststromoberschwingungen.
• Harmonische Komponenten des Laststroms und durch Transienten verursachte Verzerrungen fließen vom Ausgang zum Eingang.

Parallelschaltung

Um das Stromversorgungssystem zu verbessern, können DDIBP-Einheiten parallel geschaltet werden, wobei die Eingangs- und Ausgangskreise der einzelnen Einheiten verbunden werden. Gleichzeitig ist es notwendig zu verstehen, dass die Anlage ihre Unabhängigkeit verliert und Teil des Systems wird, wenn die Bedingungen der Synchronität und Inphase erfüllt sind; in der Physik wird dies mit einem Wort bezeichnet – Kohärenz. Aus praktischer Sicht bedeutet dies, dass alle im System enthaltenen Anlagen im gleichen Modus arbeiten müssen, d. h. beispielsweise ist eine Option mit Teilbetrieb aus dem DD und Teilbetrieb aus dem externen Netzwerk nicht akzeptabel. In diesem Fall wird die Bypass-Leitung für das gesamte System gemeinsam erstellt (siehe Abb. 4).

Bei diesem Verbindungsschema gibt es zwei potenziell gefährliche Modi:

• Anschließen der zweiten und weiterer Installationen an den Systemausgangsbus unter Beibehaltung der Kohärenzbedingungen.
• Trennen einer einzelnen Installation vom Ausgangsbus unter Beibehaltung der Kohärenzbedingungen, bis die Ausgangsschalter geöffnet werden.

Ris.4

Eine Notabschaltung einer einzelnen Anlage kann dazu führen, dass diese langsamer wird, das Ausgangsschaltgerät jedoch noch nicht geöffnet ist. In diesem Fall kann die Phasendifferenz zwischen der Anlage und dem Rest des Systems innerhalb kurzer Zeit Notwerte erreichen und einen Kurzschluss verursachen.

Außerdem müssen Sie auf den Lastausgleich zwischen den einzelnen Installationen achten. Bei den hier betrachteten Geräten erfolgt der Ausgleich aufgrund der fallenden Lastkennlinie des Generators. Aufgrund der Nichtidealität und der nicht identischen Eigenschaften der Installationsinstanzen zwischen den Installationen ist die Verteilung ebenfalls ungleichmäßig. Darüber hinaus wird die Verteilung bei Annäherung an die maximalen Lastwerte von scheinbar unbedeutenden Faktoren wie der Länge der angeschlossenen Leitungen, den Anschlusspunkten der Anlagen und Lasten an das Verteilungsnetz sowie der Qualität (Übergangswiderstand) beeinflusst ) der Verbindungen selbst.

Wir müssen immer bedenken, dass DDIBPs und Schaltgeräte elektromechanische Geräte mit einem erheblichen Trägheitsmoment und spürbaren Verzögerungszeiten als Reaktion auf Steueraktionen des automatischen Steuersystems sind.

Parallelschaltung mit „Mittel“-Spannungsanschluss

In diesem Fall ist der Generator über einen Transformator mit entsprechendem Übersetzungsverhältnis an den Reaktor angeschlossen. Somit arbeiten der Reaktor und die Schaltmaschinen auf einem „durchschnittlichen“ Spannungsniveau und der Generator arbeitet auf einem Niveau von 0.4 kV (siehe Abb. 5).

Ris.5

Bei diesem Anwendungsfall müssen Sie auf die Art der Endlast und deren Anschlussplan achten. Diese. Wenn die Endlast über Abwärtstransformatoren angeschlossen wird, muss berücksichtigt werden, dass der Anschluss des Transformators an das Versorgungsnetz mit hoher Wahrscheinlichkeit mit einer Ummagnetisierung des Kerns einhergeht, was wiederum zu einem Einschaltstromstoß führt und, dadurch ein Spannungseinbruch (siehe Abb. 6).

Empfindliche Geräte funktionieren in dieser Situation möglicherweise nicht ordnungsgemäß.

Zumindest die Beleuchtung mit geringer Trägheit blinkt und die Standard-Motorfrequenzumrichter werden neu gestartet.

Ris.6

Schaltung mit „geteiltem“ Ausgangsbus

Um die Anzahl der Installationen im Stromversorgungssystem zu optimieren, schlägt der Hersteller die Verwendung eines Schemas mit einem „geteilten“ Ausgangsbus vor, bei dem die Installationen sowohl im Eingang als auch im Ausgang parallel sind und jede Installation einzeln mit mehr als einer Installation verbunden ist Ausgangsbus. In diesem Fall muss die Anzahl der Bypass-Leitungen gleich der Anzahl der Ausgangsbusse sein (siehe Abb. 7).

Es muss klar sein, dass die Ausgangsbusse nicht unabhängig sind und über die Schaltgeräte jeder Installation galvanisch miteinander verbunden sind.

Somit handelt es sich bei dieser Schaltung entgegen den Zusicherungen des Herstellers um ein Netzteil mit interner Redundanz, im Falle einer Parallelschaltung mit mehreren galvanisch verbundenen Ausgängen.

Ris.7

Hier muss wie im vorherigen Fall nicht nur auf den Lastausgleich zwischen den Installationen, sondern auch zwischen den Ausgangsbussen geachtet werden.

Außerdem lehnen einige Kunden die Lieferung von „schmutzigen“ Lebensmitteln, d. h. Lebensmitteln, kategorisch ab. Verwendung eines Bypasses zur Last in jedem Betriebsmodus. Bei diesem Ansatz führt beispielsweise in Rechenzentren ein Problem (Überlastung) an einem der Spokes zu einem Systemabsturz mit vollständiger Abschaltung der Nutzlast.

Lebenszyklus von DDIBP und seine Auswirkungen auf das Stromversorgungssystem als Ganzes

Wir dürfen nicht vergessen, dass es sich bei DDIBP-Installationen um elektromechanische Geräte handelt, die eine aufmerksame, gelinde gesagt, respektvolle Haltung und regelmäßige Wartung erfordern.

Der Wartungsplan umfasst die Außerbetriebnahme, Abschaltung, Reinigung, Schmierung (einmal alle sechs Monate) sowie das Laden des Generators auf eine Testlast (einmal im Jahr). Normalerweise dauert die Wartung einer Installation zwei Werktage. Und das Fehlen eines speziell entwickelten Stromkreises zum Anschließen des Generators an die Testlast führt dazu, dass die Nutzlast stromlos geschaltet werden muss.

Nehmen wir zum Beispiel ein redundantes System aus 15 parallel arbeitenden DDIUPS, die bei „durchschnittlicher“ Spannung an einen doppelten „geteilten“ Bus angeschlossen sind, ohne dass ein eigener Stromkreis zum Anschließen der Testlast vorhanden ist.

Um das System bei solchen Anfangsdaten 30(!) Kalendertage lang im Zweitagesmodus zu betreiben, muss einer der Ausgangsbusse abgeschaltet werden, um die Testlast anzuschließen. Somit beträgt die Verfügbarkeit der Stromversorgung für die Nutzlast eines der Ausgangsbusse - 0,959, tatsächlich sogar 0,92.

Darüber hinaus erfordert die Rückkehr zum Standard-Nutzlaststromkreis das Einschalten der erforderlichen Anzahl von Abwärtstransformatoren, was wiederum zu mehreren Spannungseinbrüchen im gesamten(!) System führt, die mit der Ummagnetisierung der Transformatoren verbunden sind.

Empfehlungen zur Verwendung von DDIBP

Aus dem oben Gesagten ergibt sich eine nicht gerade beruhigende Schlussfolgerung: Am Ausgang des Stromversorgungssystems mit DDIBP liegt eine unterbrechungsfreie Spannung hoher Qualität (!) an, wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt sind:

• Die externe Stromversorgung hat keine wesentlichen Nachteile;
• Die Systemlast ist zeitlich konstant, aktiv und linearer Natur (die letzten beiden Merkmale gelten nicht für Rechenzentrumsgeräte);
• Es gibt keine Verzerrungen im System, die durch das Schalten reaktiver Elemente verursacht werden.

Zusammenfassend lassen sich folgende Empfehlungen formulieren:

• Trennen Sie die Stromversorgungssysteme von Technik- und IT-Geräten und unterteilen Sie diese in Subsysteme, um gegenseitige Beeinflussung zu minimieren.
• Richten Sie ein separates Netzwerk ein, um sicherzustellen, dass eine einzelne Installation gewartet werden kann und eine Testlast im Freien mit einer Kapazität angeschlossen werden kann, die einer einzelnen Installation entspricht. Bereiten Sie für diese Zwecke den Standort und die Kabelanlagen für den Anschluss vor.
• Überwachen Sie ständig den Lastausgleich zwischen Energiebussen, einzelnen Anlagen und Phasen.
• Vermeiden Sie die Verwendung von Abwärtstransformatoren, die an den Ausgang des DDIBP angeschlossen sind.
• Testen und protokollieren Sie sorgfältig den Betrieb von Automatisierungs- und Leistungsschaltgeräten, um Statistiken zu sammeln.
• Um die Qualität der Stromversorgung der Last zu überprüfen, testen Sie Installationen und Systeme mit einer nichtlinearen Last.
• Zerlegen Sie im Servicefall die Starterbatterien und testen Sie diese einzeln, denn... Trotz des Vorhandenseins sogenannter Equalizer und eines Backup-Startpanels (RSP) kann es sein, dass der DD aufgrund einer defekten Batterie nicht startet.
• Ergreifen Sie zusätzliche Maßnahmen, um Oberschwingungen des Laststroms zu minimieren.
• Dokumentieren Sie die Schall- und Wärmefelder von Anlagen sowie die Ergebnisse von Vibrationstests, um schnell auf die ersten Anzeichen verschiedener Arten mechanischer Probleme reagieren zu können.
• Vermeiden Sie langfristige Ausfallzeiten von Anlagen und ergreifen Sie Maßnahmen zur gleichmäßigen Verteilung der Motorressourcen.
• Ergänzen Sie die Installation mit Vibrationssensoren, um Notsituationen vorzubeugen.
• Sollten sich Schall- und Wärmefelder verändern, Vibrationen oder Fremdgerüche auftreten, nehmen Sie die Anlagen zur weiteren Diagnose sofort außer Betrieb.

PS Der Autor wäre dankbar für Feedback zum Thema des Artikels.

Source: habr.com