🥇Caractéristiques des systèmes d'alimentation utilisant DDIBP

Caractéristiques des systèmes d'alimentation électrique utilisant des sources d'énergie dynamiques sans interruption diesel (DDIUPS)

Dans la présentation suivante, l'auteur tentera d'éviter les clichés marketing et s'appuiera uniquement sur l'expérience pratique. Les DDIBP de HITEC Power Protection seront décrits comme sujets de test.

Dispositif d'installation DDIBP

Le dispositif DDIBP, d'un point de vue électromécanique, semble assez simple et prévisible.
La principale source d'énergie est un moteur diesel (DE), avec une puissance suffisante, compte tenu de l'efficacité de l'installation, pour une alimentation électrique continue à long terme de la charge. Cela impose donc des exigences assez strictes en matière de fiabilité, de préparation au lancement et de stabilité de fonctionnement. Par conséquent, il est tout à fait logique d'utiliser des DD de navire, que le vendeur repeint du jaune à sa propre couleur.

En tant que convertisseur réversible d'énergie mécanique en énergie électrique et inversement, l'installation comprend un moteur-générateur d'une puissance supérieure à la puissance nominale de l'installation pour améliorer, en premier lieu, les caractéristiques dynamiques de la source d'énergie pendant les processus transitoires.

Puisque le fabricant revendique une alimentation sans interruption, l'installation contient un élément qui maintient l'alimentation de la charge pendant les transitions d'un mode de fonctionnement à un autre. Un accumulateur inertiel ou un couplage par induction sert à cet effet. C'est un corps massif qui tourne à grande vitesse et accumule de l'énergie mécanique. Le constructeur décrit son appareil comme un moteur asynchrone à l'intérieur d'un moteur asynchrone. Ceux. Il y a un stator, un rotor externe et un rotor interne. De plus, le rotor extérieur est relié rigidement à l'arbre commun de l'installation et tourne de manière synchrone avec l'arbre du moteur-générateur. Le rotor interne tourne en outre par rapport au rotor externe et constitue en fait un dispositif de stockage. Pour fournir puissance et interaction entre les différentes pièces, des unités de brosses avec bagues collectrices sont utilisées.

Pour assurer le transfert de l'énergie mécanique du moteur vers les autres parties de l'installation, une roue libre est utilisée.

La partie la plus importante de l'installation est le système de contrôle automatique qui, en analysant les paramètres de fonctionnement des différentes parties, influence le contrôle de l'installation dans son ensemble.
L'élément le plus important de l'installation est également un réacteur, une self triphasée avec une prise d'enroulement, conçue pour intégrer l'installation dans le système d'alimentation électrique et permettre une commutation relativement sûre entre les modes, limitant les courants d'égalisation.
Et enfin, des sous-systèmes auxiliaires, mais en aucun cas secondaires - ventilation, alimentation en carburant, refroidissement et évacuation des gaz.

Modes de fonctionnement de l'installation DDIBP

Je pense qu'il serait utile de décrire les différents états d'une installation DDIBP :

mode de fonctionnement ARRÊT

La partie mécanique de l'installation est immobile. L'alimentation électrique est fournie au système de commande, au système de préchauffage du véhicule automobile, au système de charge flottante pour les batteries de démarrage et à l'unité de ventilation à recirculation. Après préchauffage, l’installation est prête à démarrer.

mode de fonctionnement DÉMARRER

Lorsque la commande START est donnée, le DD démarre, ce qui fait tourner le rotor externe du variateur et le moteur-générateur via l'embrayage à roue libre. Au fur et à mesure que le moteur chauffe, son système de refroidissement est activé. Après avoir atteint la vitesse de fonctionnement, le rotor interne du variateur commence à tourner (charge). Le processus de chargement d’un périphérique de stockage est indirectement jugé par le courant qu’il consomme. Ce processus prend 5 à 7 minutes.

Si une alimentation externe est disponible, la synchronisation finale avec le réseau externe prend un certain temps et, lorsqu'un degré suffisant de mise en phase est atteint, l'installation y est connectée.

Le DD réduit la vitesse de rotation et entre dans un cycle de refroidissement, qui dure environ 10 minutes, suivi d'un arrêt. La roue libre se désengage et la poursuite de la rotation de l'installation est soutenue par le moteur-générateur tout en compensant les pertes dans l'accumulateur. L'installation est prête à alimenter la charge et passe en mode UPS.

En l'absence d'alimentation externe, l'installation est prête à alimenter la charge et ses propres besoins à partir du moteur-générateur et continue de fonctionner en mode DIESEL.

mode de fonctionnement DIESEL

Dans ce mode, la source d'énergie est le DD. Le moteur-générateur qu'il fait tourner alimente la charge. Le moteur-générateur en tant que source de tension a une réponse en fréquence prononcée et une inertie notable, réagissant avec un retard aux changements brusques de l'ampleur de la charge. Parce que Le constructeur complète les installations avec un fonctionnement marin DD dans ce mode n'est limité que par les réserves de carburant et la capacité à maintenir le régime thermique de l'installation. Dans ce mode de fonctionnement, le niveau de pression acoustique à proximité de l'installation dépasse 105 dBA.

Mode de fonctionnement de l'onduleur

Dans ce mode, la source d'énergie est le réseau externe. Le moteur-générateur, connecté via un réacteur à la fois au réseau externe et à la charge, fonctionne en mode compensateur synchrone, compensant dans certaines limites la composante réactive de la puissance de charge. En général, une installation DDIBP connectée en série avec un réseau externe, par définition, détériore ses caractéristiques en tant que source de tension, augmentant l'impédance interne équivalente. Dans ce mode de fonctionnement, le niveau de pression acoustique à proximité de l'installation est d'environ 100 dBA.

En cas de problème avec le réseau externe, l'unité en est déconnectée, un ordre est donné pour démarrer le moteur diesel et l'unité passe en mode DIESEL. Il est à noter que le démarrage d'un moteur chauffé en permanence s'effectue sans charge jusqu'à ce que la vitesse de rotation de l'arbre du moteur dépasse le reste de l'installation avec la fermeture de la roue libre. Le temps typique pour démarrer et atteindre les vitesses de fonctionnement du DD est de 3 à 5 secondes.

Mode de fonctionnement BYPASS

Si nécessaire, par exemple lors de la maintenance, la puissance de charge peut être transférée vers la ligne de dérivation directement depuis le réseau externe. La commutation vers la ligne de dérivation et inversement se produit avec un chevauchement du temps de réponse des appareils de commutation, ce qui vous permet d'éviter même une perte de puissance à court terme de la charge car Le système de contrôle s'efforce de maintenir en phase entre la tension de sortie de l'installation DDIBP et le réseau extérieur. Dans ce cas, le mode de fonctionnement de l'installation elle-même ne change pas, c'est-à-dire si le DD fonctionnait, alors il continuerait à fonctionner, ou si l'installation elle-même était alimentée par un réseau externe, alors elle continuerait.

mode de fonctionnement ARRÊT

Lorsque la commande STOP est donnée, l'alimentation de la charge est commutée vers la ligne de dérivation et l'alimentation électrique du moteur-générateur et du dispositif de stockage est interrompue. L'installation continue de tourner par inertie pendant un certain temps et après son arrêt elle passe en mode OFF.

Schémas de connexion DDIBP et leurs caractéristiques

Installation unique

Il s’agit de l’option la plus simple pour utiliser un DDIBP indépendant. L'installation peut avoir deux sorties - NB (pas de coupure, alimentation sans interruption) sans interruption de l'alimentation et SB (courte coupure, alimentation garantie) avec une interruption de courte durée de l'alimentation. Chacune des sorties peut avoir son propre bypass (voir Fig. 1.).

Ris.1

La sortie NB est généralement connectée à une charge critique (IT, pompes de circulation de réfrigération, climatiseurs de précision), et la sortie SB est une charge pour laquelle une interruption de courte durée de l'alimentation électrique n'est pas critique (refroidisseurs de réfrigération). Afin d'éviter une perte complète de l'alimentation électrique de la charge critique, la commutation de la sortie de l'installation et du circuit de dérivation est effectuée avec un chevauchement temporel, et les courants du circuit sont réduits à des valeurs sûres en raison de la résistance complexe de la pièce. de l'enroulement du réacteur.

Une attention particulière doit être portée à l'alimentation électrique du DDIBP à la charge non linéaire, c'est-à-dire charge, qui se caractérise par la présence d'une quantité notable d'harmoniques dans la composition spectrale du courant consommé. En raison des particularités du fonctionnement du générateur synchrone et du schéma de connexion, cela conduit à une distorsion de la forme d'onde de tension en sortie de l'installation, ainsi qu'à la présence de composantes harmoniques du courant consommé lorsque l'installation est alimentée par un réseau externe à tension alternative.

Vous trouverez ci-dessous des images de la forme (voir Fig. 2) et de l'analyse harmonique de la tension de sortie (voir Fig. 3) lorsqu'elle est alimentée à partir d'un réseau externe. Le coefficient de distorsion harmonique dépassait 10 % avec une charge non linéaire modeste sous la forme d'un convertisseur de fréquence. Dans le même temps, l'installation n'est pas passée en mode diesel, ce qui confirme que le système de contrôle ne surveille pas un paramètre aussi important que le coefficient de distorsion harmonique de la tension de sortie. Selon les observations, le niveau de distorsion harmonique ne dépend pas de la puissance de la charge, mais du rapport des puissances de la charge non linéaire et linéaire, et lorsqu'il est testé sur une charge thermique active pure, la forme de la tension à la sortie du l'installation est vraiment proche de la sinusoïdale. Mais cette situation est très loin de la réalité, en particulier lorsqu'il s'agit d'alimenter des équipements d'ingénierie comprenant des convertisseurs de fréquence et des charges informatiques dotées d'alimentations à découpage qui ne sont pas toujours équipées d'un correcteur de facteur de puissance (PFC).

Ris.2

Ris.3

Dans ce diagramme et les suivants, trois circonstances sont remarquables :

Connexion galvanique entre l'entrée et la sortie de l'installation.
Le déséquilibre de la charge de phase de la sortie atteint l'entrée.
La nécessité de mesures supplémentaires pour réduire les harmoniques du courant de charge.
Les composantes harmoniques du courant de charge et la distorsion provoquée par les transitoires circulent de la sortie vers l'entrée.

Circuit parallèle

Afin d'améliorer le système d'alimentation électrique, les unités DDIBP peuvent être connectées en parallèle, connectant les circuits d'entrée et de sortie des unités individuelles. En même temps, il faut comprendre que l'installation perd son indépendance et devient partie intégrante du système lorsque les conditions de synchronisme et de mise en phase sont remplies ; en physique, cela s'appelle en un seul mot : cohérence. D'un point de vue pratique, cela signifie que toutes les installations incluses dans le système doivent fonctionner dans le même mode, c'est-à-dire, par exemple, une option avec fonctionnement partiel depuis le DD, et un fonctionnement partiel depuis le réseau externe n'est pas acceptable. Dans ce cas, la ligne de dérivation est créée commune à l'ensemble du système (voir Fig. 4).

Avec ce schéma de connexion, il existe deux modes potentiellement dangereux :

Connecter la deuxième installation et les suivantes au bus de sortie du système tout en maintenant les conditions de cohérence.
Déconnecter une seule installation du bus de sortie en conservant les conditions de cohérence jusqu'à l'ouverture des interrupteurs de sortie.

Ris.4

Un arrêt d'urgence d'une seule installation peut conduire à une situation dans laquelle elle commence à ralentir, mais le dispositif de commutation de sortie ne s'est pas encore ouvert. Dans ce cas, en peu de temps, la différence de phase entre l'installation et le reste du système peut atteindre des valeurs d'urgence, provoquant un court-circuit.

Vous devez également faire attention à l’équilibrage de charge entre les installations individuelles. Dans l'équipement considéré ici, l'équilibrage est effectué en raison de la caractéristique de charge décroissante du générateur. En raison de la non-idéalité et des caractéristiques non identiques des instances d'installation entre les installations, la répartition est également inégale. De plus, à l'approche des valeurs de charge maximales, la distribution commence à être influencée par des facteurs apparemment insignifiants tels que la longueur des lignes connectées, les points de connexion au réseau de distribution des installations et des charges, ainsi que la qualité (résistance de transition ) des connexions elles-mêmes.

Nous devons toujours nous rappeler que les DDIBP et les appareils de commutation sont des appareils électromécaniques avec un moment d'inertie important et des temps de retard notables en réponse aux actions de contrôle du système de contrôle automatique.

Circuit parallèle avec connexion « moyenne » tension

Dans ce cas, le générateur est connecté au réacteur via un transformateur avec un rapport de transformation approprié. Ainsi, le réacteur et les machines de commutation fonctionnent à un niveau de tension « moyen », et le générateur fonctionne à un niveau de 0.4 kV (voir Fig. 5).

Ris.5

Avec ce cas d'utilisation, vous devez faire attention à la nature de la charge finale et à son schéma de connexion. Ceux. si la charge finale est connectée via des transformateurs abaisseurs, il faut garder à l'esprit que la connexion du transformateur au réseau d'alimentation s'accompagne très probablement d'un processus d'inversion de magnétisation du noyau, ce qui provoque à son tour une augmentation de la consommation de courant et, par conséquent, une chute de tension (voir Fig. 6).

Les équipements sensibles peuvent ne pas fonctionner correctement dans cette situation.

Au moins, l'éclairage à faible inertie clignote et les variateurs de fréquence du moteur par défaut sont redémarrés.

Ris.6

Circuit avec un bus de sortie « splitté »

Afin d'optimiser le nombre d'installations dans le système d'alimentation, le fabricant propose d'utiliser un schéma avec un bus de sortie « split », dans lequel les installations sont parallèles en entrée et en sortie, chaque installation étant connectée individuellement à plus d'une sortie. bus. Dans ce cas, le nombre de lignes de dérivation doit être égal au nombre de bus de sortie (voir Fig. 7).

Il faut comprendre que les bus de sortie ne sont pas indépendants et sont connectés galvaniquement entre eux via les appareils de commutation de chaque installation.

Ainsi, malgré les assurances du fabricant, ce circuit représente une alimentation avec redondance interne, dans le cas d'un circuit parallèle, ayant plusieurs sorties galvaniquement interconnectées.

Ris.7

Ici, comme dans le cas précédent, il faut faire attention non seulement à l'équilibrage de charge entre les installations, mais aussi entre les bus de sortie.

En outre, certains clients s'opposent catégoriquement à la fourniture d'aliments « sales », c'est-à-dire en utilisant un bypass vers la charge dans n'importe quel mode de fonctionnement. Avec cette approche, par exemple dans les datacenters, un problème (surcharge) sur l'un des rayons entraîne un crash du système avec un arrêt complet de la charge utile.

Cycle de vie du DDIBP et son impact sur le système d'alimentation électrique dans son ensemble

Il ne faut pas oublier que les installations DDIBP sont des dispositifs électromécaniques qui nécessitent une attitude pour le moins attentive et respectueuse et un entretien périodique.

Le programme de maintenance comprend la mise hors service, l'arrêt, le nettoyage, la lubrification (une fois tous les six mois), ainsi que le chargement du générateur sur une charge d'essai (une fois par an). Il faut généralement deux jours ouvrables pour entretenir une installation. Et l'absence d'un circuit spécialement conçu pour connecter le générateur à la charge d'essai conduit à la nécessité de mettre la charge utile hors tension.

Par exemple, prenons un système redondant de 15 DDIUPS fonctionnant en parallèle connectés à une tension « moyenne » à un double bus « split » en l’absence de circuit dédié pour connecter la charge de test.

Avec de telles données initiales, pour entretenir le système pendant 30(!) jours calendaires en mode jour sur deux, il sera nécessaire de mettre hors tension l'un des bus de sortie pour connecter la charge de test. Ainsi, la disponibilité de l'alimentation électrique de la charge utile d'un des bus de sortie est de - 0,959, et en fait même de 0,92.

De plus, le retour au circuit d'alimentation standard de la charge utile nécessitera d'allumer le nombre requis de transformateurs abaisseurs, ce qui, à leur tour, provoquera de multiples chutes de tension dans l'ensemble (!) du système associées à l'inversion de magnétisation des transformateurs.

Recommandations pour l'utilisation du DDIBP

De ce qui précède, une conclusion peu rassurante s'impose : à la sortie du système d'alimentation utilisant un DDIBP, une tension ininterrompue de haute qualité (!) est présente lorsque toutes les conditions suivantes sont remplies :

L'alimentation externe ne présente aucun inconvénient majeur ;
La charge du système est constante dans le temps, de nature active et linéaire (les deux dernières caractéristiques ne s'appliquent pas aux équipements du data center) ;
Il n'y a aucune distorsion dans le système causée par la commutation d'éléments réactifs.

En résumé, les recommandations suivantes peuvent être formulées :

Séparez les systèmes d'alimentation électrique des équipements d'ingénierie et informatiques et divisez ces derniers en sous-systèmes pour minimiser l'influence mutuelle.
Dédiez un réseau séparé pour garantir la capacité de desservir une seule installation avec la possibilité de connecter une charge de test extérieure d'une capacité égale à une seule installation. Préparez le site et les installations de câbles pour la connexion à ces fins.
Surveillez en permanence l’équilibre de charge entre les bus de puissance, les installations individuelles et les phases.
Évitez d'utiliser des transformateurs abaisseurs connectés à la sortie du DDIBP.
Testez et enregistrez soigneusement le fonctionnement des dispositifs d'automatisation et de commutation de puissance afin de collecter des statistiques.
Pour vérifier la qualité de l'alimentation électrique de la charge, tester les installations et les systèmes utilisant une charge non linéaire.
Lors de l'entretien, démontez les batteries de démarrage et testez-les individuellement, car... Malgré la présence de soi-disant égaliseurs et d'un panneau de démarrage de secours (RSP), en raison d'une batterie défectueuse, le DD peut ne pas démarrer.
Prenez des mesures supplémentaires pour minimiser les harmoniques du courant de charge.
Documenter les champs sonores et thermiques des installations, les résultats des essais de vibration pour une réponse rapide aux premières manifestations de divers types de problèmes mécaniques.
Évitez les temps d'arrêt à long terme des installations, prenez des mesures pour répartir uniformément les ressources du moteur.
Complétez l'installation avec des capteurs de vibrations pour éviter les situations d'urgence.
Si les champs sonores et thermiques changent, si des vibrations ou des odeurs étrangères apparaissent, mettre immédiatement les installations hors service pour un diagnostic plus approfondi.

PS L'auteur serait reconnaissant pour vos commentaires sur le sujet de l'article.

Source: habr.com

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