Características dos sistemas de alimentación mediante DDIBP

Butsev I.V.
[protexido por correo electrónico]

Características dos sistemas de subministración de enerxía que utilizan fontes de enerxía ininterrompida dinámica diésel (DDIUPS)

Na seguinte presentación, o autor tentará evitar os tópicos do marketing e contará exclusivamente coa experiencia práctica. Os DDIBP de HITEC Power Protection serán descritos como suxeitos de proba.

Dispositivo de instalación DDIBP

O dispositivo DDIBP, desde o punto de vista electromecánico, parece bastante sinxelo e previsible.
A principal fonte de enerxía é un Motor Diésel (DE), cunha potencia suficiente, tendo en conta a eficiencia da instalación, para a subministración de enerxía continua a longo prazo á carga. Isto, en consecuencia, impón requisitos bastante estritos sobre a súa fiabilidade, preparación para o lanzamento e estabilidade de operación. Polo tanto, é completamente lóxico usar DD de barcos, que o vendedor repinta de amarelo á súa propia cor.

Como convertidor reversible de enerxía mecánica en enerxía eléctrica e inversa, a instalación inclúe un motor-xerador cunha potencia superior á potencia nominal da instalación para mellorar, en primeiro lugar, as características dinámicas da fonte de enerxía durante procesos transitorios.

Dado que o fabricante afirma unha fonte de alimentación ininterrompida, a instalación contén un elemento que mantén a enerxía da carga durante as transicións dun modo de funcionamento a outro. Un acumulador inercial ou un acoplamento de indución serve para este propósito. É un corpo masivo que xira a gran velocidade e acumula enerxía mecánica. O fabricante describe o seu dispositivo como un motor asíncrono dentro dun motor asíncrono. Eses. Hai un estator, un rotor exterior e un rotor interior. Ademais, o rotor externo está conectado ríxidamente ao eixe común da instalación e xira de forma sincronizada co eixe do motor-xerador. O rotor interno tamén xira en relación ao externo e en realidade é un dispositivo de almacenamento. Para proporcionar potencia e interacción entre as pezas individuais, utilízanse unidades de cepillo con aneis deslizantes.

Para garantir a transferencia de enerxía mecánica do motor ás partes restantes da instalación, utilízase un embrague libre.

A parte máis importante da instalación é o sistema de control automático, que, ao analizar os parámetros de funcionamento das pezas individuais, inflúe no control da instalación no seu conxunto.
Tamén o elemento máis importante da instalación é un reactor, un estrangulador trifásico con billa de bobinado, deseñado para integrar a instalación no sistema de alimentación e permitir a conmutación entre modos relativamente segura, limitando as correntes de ecualización.
E, finalmente, subsistemas auxiliares, pero non secundarios: ventilación, subministración de combustible, refrixeración e escape de gases.

Modos de funcionamento da instalación DDIBP

Creo que sería útil describir os distintos estados dunha instalación DDIBP:

• modo de funcionamento OFF

A parte mecánica da instalación está inmóbil. A enerxía é subministrada ao sistema de control, ao sistema de prequecemento do vehículo a motor, ao sistema de carga flotante para as baterías de arranque e á unidade de ventilación de recirculación. Despois do prequecemento, a instalación está lista para comezar.

• modo de funcionamento START

Cando se dá o comando START, arranca o DD, que fai xirar o rotor externo da unidade e o motor-xerador a través do embrague libre. Cando o motor se quenta, actívase o seu sistema de refrixeración. Despois de alcanzar a velocidade de funcionamento, o rotor interno da unidade comeza a xirar (cargar). O proceso de carga dun dispositivo de almacenamento xúlgase indirectamente pola corrente que consume. Este proceso leva 5-7 minutos.

Se hai enerxía externa dispoñible, a sincronización final coa rede externa leva algún tempo e, cando se acada un grao de en fase suficiente, a instalación conéctase a ela.

O DD reduce a velocidade de rotación e entra nun ciclo de arrefriamento, que leva uns 10 minutos, seguido dunha parada. O embrague de inercia desengancha e o motor-xerador soporta unha maior rotación da instalación mentres compensa as perdas no acumulador. A instalación está lista para alimentar a carga e cambia ao modo UPS.

En ausencia de alimentación externa, a instalación está preparada para alimentar a carga e as súas propias necesidades desde o motor-xerador e segue a funcionar en modo DIESEL.

• modo de funcionamento DIESEL

Neste modo, a fonte de enerxía é o DD. O motor-xerador que fai xirar alimenta a carga. O motor-xerador como fonte de tensión ten unha resposta en frecuencia pronunciada e ten unha notable inercia, respondendo cun atraso aos cambios bruscos na magnitude da carga. Porque O fabricante completa as instalacións con operación DD mariña neste modo está limitado só polas reservas de combustible e a capacidade de manter o réxime térmico da instalación. Neste modo de funcionamento, o nivel de presión sonora preto da instalación supera os 105 dBA.

• Modo de operación UPS

Neste modo, a fonte de enerxía é a rede externa. O motor-xerador, conectado a través dun reactor tanto á rede externa como á carga, funciona en modo compensador síncrono, compensando dentro de certos límites a compoñente reactiva da potencia da carga. En xeral, unha instalación DDIBP conectada en serie a unha rede externa empeora, por definición, as súas características como fonte de tensión, aumentando a impedancia interna equivalente. Neste modo de funcionamento, o nivel de presión sonora preto da instalación é duns 100 dBA.

En caso de problemas coa rede externa, a unidade desconéctase dela, dáse un comando para arrancar o motor diésel e a unidade pasa ao modo DIESEL. Nótese que o lanzamento dun motor quentado constantemente prodúcese sen carga ata que a velocidade de rotación do eixe do motor supera as partes restantes da instalación co peche do embrague de inercia. O tempo típico para iniciar e alcanzar as velocidades de funcionamento do DD é de 3-5 segundos.

• Modo de funcionamento BYPASS

Se é necesario, por exemplo, durante o mantemento, a potencia da carga pódese transferir á liña de derivación directamente desde a rede externa. O cambio á liña de derivación e de volta prodúcese cunha superposición no tempo de resposta dos dispositivos de conmutación, o que permite evitar incluso unha perda de enerxía a curto prazo da carga porque O sistema de control esfórzase por manter en fase entre a tensión de saída da instalación DDIBP e a rede externa. Neste caso, o modo de funcionamento da propia instalación non cambia, é dicir. se o DD estaba funcionando, entón seguirá funcionando, ou a propia instalación foi alimentada desde unha rede externa, entón continuará.

• modo operativo STOP

Cando se dá o comando STOP, a potencia da carga conmútase á liña de derivación e interrompe a subministración de enerxía ao motor-xerador e ao dispositivo de almacenamento. A instalación segue xirando por inercia durante algún tempo e despois de parala pasa ao modo OFF.

Diagramas de conexión DDIBP e as súas características

Instalación única

Esta é a opción máis sinxela para usar un DDIBP independente. A instalación pode ter dúas saídas: NB (sen interrupción, enerxía ininterrompida) sen interromper a subministración de enerxía e SB (interrupción curta, potencia garantida) cunha interrupción de curta duración da alimentación. Cada unha das saídas pode ter o seu propio bypass (ver Fig. 1.).

Fig. 1

A saída NB adoita estar conectada a unha carga crítica (IT, bombas de circulación de refrixeración, aire acondicionado de precisión), e a saída SB é unha carga para a que non é crítica unha interrupción a curto prazo da subministración de enerxía (enfriadores de refrixeración). Co fin de evitar unha perda completa de alimentación para a carga crítica, a conmutación da saída da instalación e do circuíto de derivación realízase con superposición de tempo e as correntes do circuíto redúcense a valores seguros debido á complexa resistencia da parte. do bobinado do reactor.

Debe prestarse especial atención á fonte de alimentación do DDIBP á carga non lineal, é dicir. carga, que se caracteriza pola presenza dunha cantidade notable de harmónicos na composición espectral da corrente consumida. Debido ás peculiaridades do funcionamento do xerador síncrono e do diagrama de conexión, isto leva a unha distorsión da forma de onda de tensión na saída da instalación, así como a presenza de compoñentes harmónicos da corrente consumida cando a instalación está alimentada desde unha rede externa de tensión alterna.

Abaixo amósanse imaxes da forma (ver Fig. 2) e análise harmónica da tensión de saída (ver Fig. 3) cando se alimenta desde unha rede externa. O coeficiente de distorsión harmónica superou o 10% cunha carga non lineal modesta en forma de conversor de frecuencia. Ao mesmo tempo, a instalación non pasou ao modo diésel, o que confirma que o sistema de control non controla un parámetro tan importante como o coeficiente de distorsión harmónica da tensión de saída. Segundo as observacións, o nivel de distorsión harmónica non depende da potencia da carga, senón da relación entre as potencias da carga non lineal e lineal, e cando se proba nunha carga térmica activa pura, a forma da tensión na saída do a instalación é moi próxima á sinusoidal. Pero esta situación está moi lonxe da realidade, especialmente cando se trata de alimentar equipos de enxeñería que inclúen convertidores de frecuencia e cargas informáticas que teñen fontes de alimentación conmutadas que non sempre están equipadas cunha corrección do factor de potencia (PFC).

Fig. 2

Fig. 3

Neste diagrama e nos seguintes, destacan tres circunstancias:

• Conexión galvánica entre entrada e saída da instalación.
• O desequilibrio da carga de fase da saída chega á entrada.
• A necesidade de medidas adicionais para reducir os harmónicos da corrente de carga.
• Os compoñentes harmónicos da corrente de carga e a distorsión causada polos transitorios flúen desde a saída á entrada.

Circuíto paralelo

Para mellorar o sistema de alimentación, as unidades DDIBP pódense conectar en paralelo, conectando os circuítos de entrada e saída de unidades individuais. Ao mesmo tempo, cómpre entender que a instalación perde a súa independencia e pasa a formar parte do sistema cando se cumpren as condicións de sincronismo e fase; en física, isto refírese nunha palabra: coherencia. Desde un punto de vista práctico, isto significa que todas as instalacións incluídas no sistema deben funcionar no mesmo modo, é dicir, por exemplo, unha opción con funcionamento parcial desde o DD, e unha operación parcial desde a rede externa non é aceptable. Neste caso, a liña de derivación créase común a todo o sistema (ver Fig. 4).

Con este esquema de conexión, hai dous modos potencialmente perigosos:

• Conectando a segunda e posteriores instalacións ao bus de saída do sistema mantendo as condicións de coherencia.
• Desconectar unha única instalación do bus de saída mantendo as condicións de coherencia ata que se abran os interruptores de saída.

Fig. 4

Un apagado de emerxencia dunha única instalación pode levar a unha situación na que comeza a ralentizarse, pero o dispositivo de conmutación de saída aínda non se abriu. Neste caso, en pouco tempo, a diferenza de fase entre a instalación e o resto do sistema pode alcanzar valores de emerxencia, provocando un curtocircuíto.

Tamén cómpre prestar atención ao equilibrio de carga entre instalacións individuais. Nos equipos aquí considerados, o equilibrado realízase debido á característica de caída da carga do xerador. Debido á súa non idealidade e ás características non idénticas das instancias de instalación entre instalacións, a distribución tamén é desigual. Ademais, ao achegarse aos valores máximos de carga, a distribución comeza a verse influenciada por factores tan aparentemente insignificantes como a lonxitude das liñas conectadas, os puntos de conexión á rede de distribución de instalacións e cargas, así como a calidade (resistencia de transición). ) das propias conexións.

Debemos lembrar sempre que os DDIBP e os dispositivos de conmutación son dispositivos electromecánicos cun importante momento de inercia e notables tempos de retardo en resposta ás accións de control do sistema de control automático.

Circuíto en paralelo con conexión de “media tensión”.

Neste caso, o xerador está conectado ao reactor a través dun transformador cunha relación de transformación adecuada. Así, o reactor e as máquinas de conmutación funcionan a un nivel de tensión "medio" e o xerador funciona a un nivel de 0.4 kV (ver figura 5).

Fig. 5

Con este caso de uso, cómpre prestar atención á natureza da carga final e ao seu diagrama de conexión. Eses. se a carga final se conecta a través de transformadores reductores, hai que ter en conta que a conexión do transformador á rede de subministración é moi probable que vaia acompañada dun proceso de inversión de magnetización do núcleo, que á súa vez provoca un aumento do consumo de corrente e, en consecuencia, unha caída de tensión (ver Fig. 6).

Os equipos sensibles poden non funcionar correctamente nesta situación.

Polo menos a iluminación de baixa inercia parpadea e os convertidores de frecuencia do motor predeterminados reinician.

Fig. 6

Circuíto con bus de saída "split".

Para optimizar o número de instalacións no sistema de alimentación, o fabricante propón utilizar un esquema con bus de saída “split”, no que as instalacións sexan paralelas tanto en entrada como en saída, con cada instalación conectada individualmente a máis dunha bus de saída. Neste caso, o número de liñas de derivación debe ser igual ao número de buses de saída (ver figura 7).

Debe entenderse que os buses de saída non son independentes e están conectados galvánicamente entre si a través dos dispositivos de conmutación de cada instalación.

Así, a pesar das garantías do fabricante, este circuíto representa unha fonte de alimentación con redundancia interna, no caso dun circuíto paralelo, con varias saídas interconectadas galvánicamente.

Fig. 7

Aquí, como no caso anterior, é necesario prestar atención non só ao equilibrio de carga entre instalacións, senón entre buses de saída.

Ademais, algúns clientes se opoñen categoricamente á subministración de alimentos "sucios", é dicir. utilizando un bypass para a carga en calquera modo de funcionamento. Con este enfoque, por exemplo, nos centros de datos, un problema (sobrecarga) nun dos raios leva a un fallo do sistema cun apagado completo da carga útil.

Ciclo de vida do DDIBP e o seu impacto no sistema de subministración de enerxía no seu conxunto

Non hai que esquecer que as instalacións DDIBP son dispositivos electromecánicos que requiren unha actitude atenta, cando menos, reverente e un mantemento periódico.

O programa de mantemento inclúe a retirada, a parada, a limpeza, a lubricación (unha vez cada seis meses), así como a carga do xerador a unha carga de proba (unha vez ao ano). Normalmente leva dous días hábiles o servizo dunha instalación. E a ausencia dun circuíto especialmente deseñado para conectar o xerador á carga de proba leva á necesidade de desactivar a carga útil.

Por exemplo, tomemos un sistema redundante de 15 DDIUPS de funcionamento en paralelo conectado a tensión "media" a un bus dobre "dividido" en ausencia dun circuíto dedicado para conectar a carga de proba.

Con tales datos iniciais, para dar servizo ao sistema durante 30 (!) días naturais en modo cada dous días, será necesario desactivar un dos buses de saída para conectar a carga de proba. Así, a dispoñibilidade de fonte de alimentación para a carga útil dun dos buses de saída é de - 0,959 e, de feito, mesmo de 0,92.

Ademais, volver ao circuíto de alimentación de carga útil estándar requirirá activar o número necesario de transformadores reductores, o que, á súa vez, provocará múltiples caídas de tensión en todo o (!) sistema asociado á inversión da magnetización dos transformadores.

Recomendacións para o uso de DDIBP

Do anterior, suxire unha conclusión non reconfortante: á saída do sistema de alimentación mediante un DDIBP, hai unha tensión ininterrompida de alta calidade (!) cando se cumpren todas as seguintes condicións:

• A fonte de alimentación externa non ten inconvenientes significativos;
• A carga do sistema é constante no tempo, de natureza activa e lineal (as dúas últimas características non se aplican aos equipos do centro de datos);
• Non hai distorsións no sistema causadas pola conmutación de elementos reactivos.

En resumo, pódense formular as seguintes recomendacións:

• Separar os sistemas de alimentación dos equipos de enxeñería e informáticos, e dividir estes últimos en subsistemas para minimizar a influencia mutua.
• Dedique unha rede separada para garantir a capacidade de dar servizo a unha única instalación coa posibilidade de conectar unha carga de proba ao aire libre cunha capacidade igual a unha única instalación. Preparar o local e as instalacións de cable para a conexión para estes fins.
• Vixiar constantemente o equilibrio de carga entre buses de enerxía, instalacións individuais e fases.
• Evite usar transformadores reductores conectados á saída do DDIBP.
• Proba e rexistra coidadosamente o funcionamento dos dispositivos de automatización e de conmutación de enerxía para recoller estatísticas.
• Verificar a calidade da subministración de enerxía á carga, probar instalacións e sistemas utilizando unha carga non lineal.
• Durante o mantemento, desmonte as baterías de arranque e probalas individualmente, porque... A pesar da presenza dos chamados ecualizadores e dun panel de inicio de reserva (RSP), debido a unha batería defectuosa, o DD pode non iniciarse.
• Adopte medidas adicionais para minimizar os harmónicos da corrente de carga.
• Documentar os campos sonoros e térmicos das instalacións, os resultados das probas de vibración para unha resposta rápida ás primeiras manifestacións de diversos tipos de problemas mecánicos.
• Evitar paradas a longo prazo das instalacións, tomar medidas para distribuír uniformemente os recursos do motor.
• Completar a instalación con sensores de vibración para previr situacións de emerxencia.
• Se os campos acústicos e térmicos cambian, aparecen vibracións ou cheiros estraños, pon inmediatamente fóra de servizo as instalacións para realizar máis diagnósticos.

PD O autor agradecería os comentarios sobre o tema do artigo.

Fonte: www.habr.com