🥇ویژگی‌های سیستم‌های تامین برق با استفاده از DDIBP

بوتسف I.V.
drups2019@mail.ru

ویژگی‌های سیستم‌های تامین برق با استفاده از منابع تغذیه بدون وقفه دینامیک دیزل (DDIUPS)

در بحث پیش رو، نویسنده از کلیشه‌های بازاریابی اجتناب کرده و صرفاً بر تجربه عملی تکیه خواهد کرد. آزمودنی‌ها، DDIBP شرکت HITEC Power Protection خواهند بود.

دستگاه نصب DDIBP

طراحی DDIBP، از دیدگاه یک الکترومکانیک، کاملاً ساده و قابل پیش‌بینی به نظر می‌رسد.
منبع تغذیه اصلی یک موتور دیزل (DE) است که با توجه به راندمان واحد، قدرت کافی برای تأمین مداوم بار برای مدت طولانی را دارد. این به نوبه خود، الزامات دقیقی را برای قابلیت اطمینان، آمادگی برای راه‌اندازی و پایداری عملیاتی آن ایجاد می‌کند. بنابراین، استفاده از DE های دریایی که فروشنده آنها را از زرد به رنگ خود تغییر می‌دهد، کاملاً منطقی است.

به عنوان یک مبدل برگشت‌پذیر انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و برعکس، این تأسیسات شامل یک موتور-ژنراتور با توانی بیش از توان نامی تأسیسات است تا در درجه اول، ویژگی‌های دینامیکی منبع تغذیه را در طول فرآیندهای گذرا بهبود بخشد.

از آنجایی که سازنده ادعای منبع تغذیه بدون وقفه را دارد، این واحد شامل قطعه‌ای است که در طول انتقال از یک حالت عملیاتی به حالت دیگر، برق را به بار می‌رساند. این کار توسط یک دستگاه ذخیره‌سازی اینرسی یا کلاچ القایی انجام می‌شود. این یک بدنه عظیم است که با سرعت بالا می‌چرخد و انرژی مکانیکی را جمع می‌کند. سازنده طراحی خود را به عنوان یک موتور آسنکرون درون یک موتور آسنکرون توصیف می‌کند. این بدان معناست که دارای یک استاتور، یک روتور خارجی و یک روتور داخلی است. روتور خارجی به طور محکم به شفت مشترک واحد متصل شده و به طور همزمان با شفت موتور-ژنراتور می‌چرخد. روتور داخلی علاوه بر این نسبت به روتور خارجی می‌چرخد و به عنوان دستگاه ذخیره‌سازی انرژی عمل می‌کند. مجموعه‌های جاروبک با حلقه‌های لغزشی، برق را تأمین می‌کنند و تعامل بین اجزای جداگانه را تسهیل می‌کنند.

برای اطمینان از انتقال انرژی مکانیکی از DD به سایر قسمت‌های نصب، از یک کلاچ اورران استفاده می‌شود.

مهم‌ترین بخش نصب، سیستم کنترل اتوماتیک است که با تجزیه و تحلیل پارامترهای عملیاتی هر بخش، بر کنترل کل نصب تأثیر می‌گذارد.
یکی دیگر از عناصر کلیدی این تأسیسات، راکتور است، یک چوک سه فاز با یک شیر سیم‌پیچ، که برای ادغام تأسیسات در سیستم منبع تغذیه طراحی شده و امکان تعویض نسبتاً ایمن بین حالت‌ها را فراهم می‌کند و جریان‌های متعادل‌کننده را محدود می‌کند.
و در نهایت، زیرسیستم‌های کمکی، اما نه ثانویه - تهویه، سوخت‌رسانی، خنک‌کننده و گازهای خروجی.

حالت‌های عملیاتی واحد DDIBP

فکر می‌کنم توصیف حالت‌های مختلف نصب DDIBP مفید باشد:

حالت عملیاتی خاموش

بخش مکانیکی دستگاه ثابت است. برق به سیستم کنترل، سیستم پیش گرمایش موتور، سیستم شارژ شناور باتری استارت و واحد تهویه گردش مجدد تأمین می‌شود. پس از پیش گرمایش، دستگاه آماده راه اندازی است.

حالت عملیاتی را شروع کنید

وقتی دستور START داده می‌شود، DD/ ...

اگر منبع تغذیه خارجی وجود داشته باشد، برای همگام‌سازی نهایی با شبکه خارجی مدتی زمان لازم است و هنگامی که به درجه کافی از همگام‌سازی رسید، دستگاه به آن متصل می‌شود.

ژنراتور سرعت خود را کاهش می‌دهد و وارد یک چرخه خنک‌سازی می‌شود که تقریباً ۱۰ دقیقه طول می‌کشد و پس از آن خاموش می‌شود. کلاچ سرریز آزاد می‌شود و چرخش ژنراتور توسط موتور-ژنراتور حفظ می‌شود، در حالی که همزمان تلفات در دستگاه ذخیره‌سازی جبران می‌شود. ژنراتور آماده تغذیه بار است و به حالت UPS تغییر حالت می‌دهد.

در صورت عدم وجود منبع تغذیه خارجی، این واحد آماده تأمین بار و نیازهای خود از موتور-ژنراتور است و در حالت دیزل به کار خود ادامه می‌دهد.

حالت عملیاتی دیزل

در این حالت، منبع تغذیه DD است. موتور-ژنراتوری که آن را به حرکت در می‌آورد، بار را تأمین می‌کند. DD، به عنوان یک منبع ولتاژ، دارای پاسخ فرکانسی مشخص و اینرسی قابل توجهی است و به آرامی به تغییرات ناگهانی بار واکنش نشان می‌دهد. از آنجایی که سازنده، واحدها را به DDهای دریایی مجهز می‌کند، عملکرد در این حالت تنها با تأمین سوخت و توانایی حفظ شرایط حرارتی واحد محدود می‌شود. در این حالت، سطح فشار صدا در نزدیکی واحد از 105 دسی‌بل فراتر می‌رود.

حالت عملکرد یو پی اس

در این حالت، منبع تغذیه، شبکه خارجی است. موتور-ژنراتور، که از طریق یک راکتور به شبکه خارجی و بار متصل است، به عنوان یک جبران‌کننده سنکرون عمل می‌کند و مؤلفه راکتیو توان بار را در محدوده‌های مشخصی جبران می‌کند. به طور کلی، یک واحد DSDS که به صورت سری با شبکه خارجی متصل است، ذاتاً با افزایش امپدانس داخلی معادل، عملکرد خود را به عنوان یک منبع ولتاژ کاهش می‌دهد. در این حالت عملیاتی، سطح فشار صدا در نزدیکی واحد تقریباً ۱۰۰ دسی‌بل است.

در صورت بروز مشکل در شبکه برق خارجی، دستگاه از آن جدا می‌شود، دستوری برای روشن کردن موتور دیزل داده می‌شود و دستگاه به حالت دیزل تغییر حالت می‌دهد. لازم به ذکر است که روشن کردن یک موتور دیزل که دائماً گرم می‌شود، بدون بار تا زمانی که سرعت شفت موتور دیزل از سرعت واحدهای باقیمانده بیشتر شود و کلاچ اورران درگیر شود، رخ می‌دهد. زمان معمول روشن شدن و افزایش سرعت برای موتور دیزل ۳-۵ ثانیه است.

حالت عملیاتی بای‌پس

در صورت لزوم، به عنوان مثال در حین تعمیر و نگهداری، می‌توان بار را مستقیماً از شبکه خارجی به خط بای‌پس سوئیچ کرد. سوئیچ به و از خط بای‌پس با زمان پاسخ دستگاه سوئیچینگ همپوشانی دارد که به جلوگیری از قطع برق حتی کوتاه مدت کمک می‌کند، زیرا سیستم کنترل تلاش می‌کند تا همگام‌سازی فاز بین ولتاژ خروجی واحد DDBP و شبکه خارجی را حفظ کند. حالت عملکرد خود واحد بدون تغییر باقی می‌ماند. اگر DDBP در حال کار بود، به کار خود ادامه می‌دهد، یا اگر خود واحد از شبکه خارجی تغذیه می‌شد، به کار خود ادامه می‌دهد.

حالت عملیاتی STOP

وقتی دستور توقف (STOP) صادر می‌شود، برق بار به خط بای‌پس (Bypass) وصل می‌شود و برق موتور-ژنراتور و دستگاه ذخیره‌سازی را قطع می‌کند. دستگاه برای مدت کوتاهی با اینرسی به چرخش خود ادامه می‌دهد و سپس به حالت خاموش (OFF) می‌رود.

نمودارهای اتصال برای DDIBP و ویژگی‌های آنها

نصب تکی

این ساده‌ترین گزینه برای استفاده از یک منبع تغذیه دو ولتاژه مستقل است. این سیستم می‌تواند دو خروجی داشته باشد: NB (بدون قطعی، منبع تغذیه بدون وقفه) بدون قطعی برق و SB (قطع کوتاه، منبع تغذیه تضمین شده) با قطعی کوتاه مدت برق. هر خروجی می‌تواند بای‌پس مخصوص به خود را داشته باشد (شکل ۱ را ببینید).

عکس. 1

خروجی NB معمولاً به بار بحرانی (فناوری اطلاعات، پمپ‌های گردش سیستم تبرید، دستگاه‌های تهویه مطبوع دقیق) متصل می‌شود، در حالی که خروجی SB به باری متصل می‌شود که قطع برق کوتاه‌مدت برای آن بحرانی نیست (چیلرهای سیستم تبرید). برای جلوگیری از قطع کامل برق بار بحرانی، خروجی واحد و مدار بای‌پس با همپوشانی زمانی سوئیچ می‌شوند و جریان‌های خطا به دلیل امپدانس مختلط بخشی از سیم‌پیچ راکتور به مقادیر ایمن کاهش می‌یابند.

هنگام تغذیه یک بار غیرخطی از یک واحد منبع تغذیه ژنراتور سنکرون (DSSU)، یعنی باری که با وجود مقدار قابل توجهی هارمونیک در ترکیب طیفی جریان مصرفی مشخص می‌شود، باید توجه ویژه‌ای شود. با توجه به ویژگی‌های عملیاتی ژنراتور سنکرون و مدار اتصال، این امر منجر به اعوجاج شکل موج ولتاژ در خروجی واحد و همچنین وجود اجزای هارمونیک در جریان مصرفی هنگام تغذیه واحد از یک شبکه AC خارجی می‌شود.

در زیر تصاویری از شکل موج (شکل ۲ را ببینید) و تحلیل هارمونیکی ولتاژ خروجی (شکل ۳ را ببینید) هنگام تغذیه از شبکه خارجی مشاهده می‌کنید. ضریب اعوجاج هارمونیکی با بار غیرخطی متوسط به شکل مبدل فرکانس از ۱۰٪ فراتر رفت. با این حال، دستگاه به حالت دیزل تغییر نکرد، که تأیید می‌کند سیستم کنترل پارامتر مهمی مانند ضریب اعوجاج هارمونیکی ولتاژ خروجی را کنترل نمی‌کند. مشاهدات نشان می‌دهد که سطح اعوجاج هارمونیکی نه به توان بار، بلکه به نسبت توان بارهای غیرخطی و خطی بستگی دارد. در طول آزمایش‌ها با بار حرارتی فعال خالص، شکل موج ولتاژ در خروجی دستگاه در واقع نزدیک به سینوسی است. با این حال، این وضعیت بسیار دور از واقعیت است، به خصوص وقتی که صحبت از تغذیه تجهیزات مهندسی حاوی مبدل‌های فرکانس و بارهای فناوری اطلاعات با منبع تغذیه پالسی می‌شود که همیشه به اصلاح‌کننده ضریب توان (PFC) مجهز نیستند.

عکس. 2

عکس. 3

در این طرح و طرح‌های بعدی، سه وضعیت برجسته است:

اتصال گالوانیک بین ورودی و خروجی نصب.
عدم تعادل بار فاز از خروجی به ورودی منتقل می‌شود.
نیاز به اقدامات اضافی برای کاهش هارمونیک‌های جریان بار.
اجزای هارمونیکی جریان بار و اعوجاج ناشی از گذراها از خروجی به ورودی نشت می‌کنند.

مدار موازی

برای افزایش ظرفیت سیستم منبع تغذیه، واحد DDBP می‌تواند به صورت موازی متصل شود و مدارهای ورودی و خروجی واحدهای جداگانه را به هم متصل کند. باید درک کرد که این واحد زمانی استقلال خود را از دست می‌دهد و بخشی از سیستم می‌شود که شرایط همگام‌سازی و سازگاری هم فاز، که در فیزیک به عنوان انسجام شناخته می‌شود، برآورده شود. از نقطه نظر عملی، این بدان معناست که همه واحدهای سیستم باید در یک حالت کار کنند. به عنوان مثال، کار کردن بخشی از واحد DDBP و بخشی از شبکه خارجی غیرقابل قبول است. در این حالت، یک خط بای‌پس مشترک برای کل سیستم ایجاد می‌شود (شکل ۴ را ببینید).

با این طرح اتصال، دو حالت بالقوه خطرناک وجود دارد:

اتصال نصب‌های دوم و بعدی به باس خروجی سیستم با رعایت شرایط انسجام.
قطع اتصال یک نصب واحد از باس خروجی ضمن رعایت شرایط انسجام تا باز شدن کلیدهای خروجی.

عکس. 4

خاموش شدن اضطراری یک واحد می‌تواند منجر به وضعیتی شود که قبل از باز شدن دستگاه سوئیچینگ خروجی، سرعت آن شروع به کاهش کند. در مدت زمان کوتاهی، اختلاف فاز بین واحد و بقیه سیستم می‌تواند به سطوح اضطراری برسد و باعث اتصال کوتاه شود.

همچنین باید به متعادل‌سازی بار بین واحدهای مجزا توجه شود. در تجهیزات مورد بحث در اینجا، متعادل‌سازی از طریق مشخصه افت بار ژنراتور حاصل می‌شود. به دلیل نقص‌های آن و ویژگی‌های غیر یکسان واحدهای مجزا، توزیع بین واحدها نیز ناهموار است. علاوه بر این، با نزدیک شدن به حداکثر مقادیر بار، عوامل به ظاهر بی‌اهمیتی مانند طول خطوط متصل، نقاط اتصال واحدها و بارها به شبکه توزیع و کیفیت (مقاومت گذرا) خود اتصالات، شروع به تأثیرگذاری بر توزیع می‌کنند.

مهم است که همیشه به یاد داشته باشید که DDIBP و دستگاه‌های سوئیچینگ، دستگاه‌های الکترومکانیکی با گشتاور اینرسی قابل توجه و مقادیر قابل توجه زمان تأخیر پاسخ برای کنترل اقدامات از سیستم کنترل اتوماتیک هستند.

مدار موازی با اتصال در ولتاژ "متوسط"

در این حالت، ژنراتور از طریق یک ترانسفورماتور با نسبت تبدیل مناسب به راکتور متصل می‌شود. بنابراین، راکتور و بریکرهای سوئیچینگ در سطح ولتاژ "متوسط" کار می‌کنند، در حالی که ژنراتور با ولتاژ 0.4 کیلوولت کار می‌کند (شکل 5 را ببینید).

عکس. 5

در این مورد استفاده، باید به ماهیت بار نهایی و نمودار اتصال آن توجه شود. یعنی اگر بار نهایی از طریق ترانسفورماتورهای کاهنده متصل شود، باید در نظر داشت که اتصال ترانسفورماتور به شبکه برق به احتمال زیاد منجر به مغناطیس شدن مجدد هسته می‌شود که به نوبه خود باعث افزایش شدید مصرف جریان و در نتیجه افت ولتاژ می‌شود (شکل 6 را ببینید).

در چنین شرایطی، تجهیزات حساس ممکن است به درستی کار نکنند.

حداقل چراغ‌های کم‌اینرسی چشمک می‌زنند و مبدل‌های فرکانس پیش‌فرض موتورهای الکتریکی دوباره راه‌اندازی می‌شوند.

عکس. 6

طراحی اتوبوس دو تکه

برای بهینه‌سازی تعداد واحدها در یک سیستم منبع تغذیه، سازنده استفاده از طراحی باس تقسیم‌شده را توصیه می‌کند، که در آن واحدها هم در ورودی و هم در خروجی موازی می‌شوند و هر واحد به صورت جداگانه به بیش از یک باس خروجی متصل می‌شود. در این حالت، تعداد خطوط بای‌پس باید برابر با تعداد باس‌های خروجی باشد (شکل 7 را ببینید).

درک این نکته ضروری است که باس‌های خروجی مستقل نیستند و از طریق دستگاه‌های سوئیچینگ هر یک از تاسیسات، به صورت گالوانیکی به یکدیگر متصل می‌شوند.

بنابراین، علیرغم اطمینان سازنده، این مدار یک منبع تغذیه واحد با افزونگی داخلی است، در مورد مدار موازی، دارای چندین خروجی متصل به صورت گالوانیکی است.

عکس. 7

در اینجا، درست مانند مورد قبلی، لازم است نه تنها به متعادل‌سازی بار بین تاسیسات، بلکه بین باس‌های خروجی نیز توجه شود.

برخی از مشتریان نیز قاطعانه با تأمین برق "کثیف"، یعنی استفاده از بای‌پس، برای بار در هر حالت عملیاتی مخالف هستند. با این رویکرد، به عنوان مثال، در مراکز داده، یک مشکل (اضافه بار) روی یکی از تیرها منجر به خرابی سیستم و خاموش شدن کامل بار مفید می‌شود.

چرخه عمر DDIBP و تأثیر آن بر کل سیستم منبع تغذیه

نباید فراموش کرد که واحدهای DDIBP دستگاه‌های الکترومکانیکی هستند که نیاز به جابجایی دقیق، اگر نه بیشتر، و نگهداری دوره‌ای دارند.

برنامه تعمیر و نگهداری شامل از رده خارج کردن، خاموش کردن، تمیز کردن، روغن کاری (هر شش ماه) و آزمایش ژنراتور با بار آزمایشی (سالی یک بار) است. معمولاً سرویس یک واحد به دو روز کاری نیاز دارد. نبود مدار طراحی شده ویژه برای اتصال ژنراتور به بار آزمایشی، خاموش کردن بار مفید را ضروری می‌کند.

برای مثال، یک سیستم افزونه متشکل از ۱۵ DDIBP موازی را در نظر بگیرید که با ولتاژ «متوسط» به یک باس «تقسیم‌شده» دوتایی متصل شده‌اند، در حالی که مدار اختصاصی برای اتصال بار آزمایشی وجود ندارد.

با این داده‌های اولیه، برای حفظ سیستم به مدت 30 (!) روز تقویمی، یک روز در میان، لازم است یکی از باس‌های خروجی را برای اتصال بار آزمایشی، از برق جدا کنید. بنابراین، توان در دسترس برای بار مفید یکی از باس‌های خروجی 0,959 یا حتی 0,92 است.

علاوه بر این، بازگشت به طرح استاندارد منبع تغذیه برای محموله، مستلزم گنجاندن تعداد مورد نیاز ترانسفورماتورهای کاهنده است که به نوبه خود باعث افت ولتاژهای متعدد در کل سیستم (!) مرتبط با مغناطیس‌زدایی ترانسفورماتورها خواهد شد.

توصیه‌هایی برای استفاده از DDIBP

از موارد فوق، یک نتیجه ناامیدکننده حاصل می‌شود: در خروجی یک سیستم منبع تغذیه با استفاده از DDIBP، ولتاژ اضطراری با کیفیت بالا (!) زمانی وجود دارد که تمام شرایط زیر برآورده شود:

منبع تغذیه خارجی هیچ اشکال قابل توجهی ندارد.
بار سیستم در طول زمان ثابت، فعال و خطی است (دو ویژگی آخر در مورد تجهیزات صدق نمی‌کند) مراکز داده);
این سیستم عاری از اعوجاج ناشی از تعویض عناصر واکنشی است.

به طور خلاصه، می‌توان توصیه‌های زیر را تدوین کرد:

سیستم‌های تامین برق برای تجهیزات مهندسی و فناوری اطلاعات را از هم جدا کنید و دومی را به زیرسیستم‌هایی تقسیم کنید تا تاثیر متقابل به حداقل برسد.
یک شبکه جداگانه برای پشتیبانی از یک نصب واحد با قابلیت اتصال یک بار آزمایشی در فضای باز با همان توان نصب واحد اختصاص دهید. برای این منظور، یک سایت و مدیریت کابل را آماده کنید.
دائماً تعادل بار بین باس‌های برق، واحدهای مجزا و فازها را کنترل کنید.
از استفاده از ترانسفورماتورهای کاهنده متصل به خروجی DDIBP خودداری کنید.
برای جمع‌آوری آمار، عملکرد دستگاه‌های اتوماسیون و سوئیچینگ برق را با دقت آزمایش و ثبت کنید.
برای بررسی کیفیت تغذیه بار، تاسیسات و سیستم‌هایی را که از بار غیرخطی استفاده می‌کنند، آزمایش کنید.
هنگام سرویس، باتری‌های استارت را جدا کرده و آنها را به صورت جداگانه آزمایش کنید، زیرا با وجود اکولایزرها و پنل استارت پشتیبان (RSP)، یک باتری معیوب ممکن است مانع از روشن شدن موتور شود.
اقدامات اضافی برای به حداقل رساندن هارمونیک‌های جریان بار انجام دهید.
میدان‌های صوتی و حرارتی تأسیسات و همچنین نتایج آزمایش‌های ارتعاش را مستند کنید تا بتوانید به سرعت به اولین نشانه‌های مشکلات مختلف مکانیکی پاسخ دهید.
از دوره‌های طولانی مدت خاموشی برای نصب‌ها خودداری کنید؛ اقداماتی را برای توزیع یکنواخت عمر مفید موتور انجام دهید.
برای جلوگیری از شرایط اضطراری، دستگاه را به حسگرهای لرزش مجهز کنید.
اگر میدان‌های صوتی و حرارتی تغییر کنند، لرزش یا بوهای خارجی ظاهر شوند، فوراً دستگاه‌ها را برای تشخیص بیشتر از کار بیندازید.