Caratteristiche dei sistemi di alimentazione che utilizzano DDIBP

Butsev I.V.
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Caratteristiche dei sistemi di alimentazione che utilizzano gruppi di continuità dinamici diesel (DDIUPS)

Nella seguente presentazione, l'autore cercherà di evitare i cliché del marketing e si affiderà esclusivamente all'esperienza pratica. I DDIBP di HITEC Power Protection saranno descritti come soggetti del test.

Dispositivo di installazione DDIBP

Il dispositivo DDIBP, da un punto di vista elettromeccanico, sembra abbastanza semplice e prevedibile.
La principale fonte di energia è un motore diesel (DE), con potenza sufficiente, tenendo conto dell'efficienza dell'impianto, per l'alimentazione continua a lungo termine del carico. Ciò, di conseguenza, impone requisiti piuttosto severi in termini di affidabilità, prontezza al lancio e stabilità operativa. Pertanto, è del tutto logico utilizzare i DD delle navi, che il venditore ridipinge dal giallo al proprio colore.

Come convertitore reversibile di energia meccanica in energia elettrica e viceversa, l'installazione comprende un motore-generatore con una potenza superiore alla potenza nominale dell'impianto per migliorare, innanzitutto, le caratteristiche dinamiche della fonte di energia durante i processi transitori.

Poiché il produttore dichiara un gruppo di continuità, l'installazione contiene un elemento che mantiene l'alimentazione al carico durante le transizioni da una modalità operativa all'altra. A questo scopo serve un accumulatore inerziale o un giunto a induzione. È un corpo massiccio che ruota ad alta velocità e accumula energia meccanica. Il produttore descrive il suo dispositivo come un motore asincrono all'interno di un motore asincrono. Quelli. C'è uno statore, un rotore esterno e un rotore interno. Inoltre, il rotore esterno è rigidamente collegato all'albero comune dell'impianto e ruota in sincronia con l'albero del motore-generatore. Il rotore interno gira inoltre rispetto a quello esterno ed è in realtà un dispositivo di memorizzazione. Per fornire potenza e interazione tra le singole parti, vengono utilizzate unità spazzola con anelli collettori.

Per garantire il trasferimento dell'energia meccanica dal motore alle restanti parti dell'impianto, viene utilizzata una frizione unidirezionale.

La parte più importante dell'impianto è il sistema di controllo automatico che, analizzando i parametri operativi delle singole parti, influenza il controllo dell'impianto nel suo insieme.
Anche l'elemento più importante dell'installazione è un reattore, un'induttanza trifase con una presa di avvolgimento, progettata per integrare l'installazione nel sistema di alimentazione e consentire una commutazione relativamente sicura tra le modalità, limitando le correnti di equalizzazione.
E infine, sottosistemi ausiliari, ma non secondari: ventilazione, alimentazione di carburante, raffreddamento e scarico del gas.

Modalità operative dell'installazione DDIBP

Penso che sarebbe utile descrivere i vari stati di un'installazione DDIBP:

• modalità operativa DISATTIVATA

La parte meccanica dell'impianto è immobile. L'alimentazione viene fornita al sistema di controllo, al sistema di preriscaldamento dell'autoveicolo, al sistema di carica flottante per le batterie di avviamento e all'unità di ventilazione a ricircolo. Dopo il preriscaldamento, l'installazione è pronta per essere avviata.

• modalità operativa AVVIO

Quando viene dato il comando START, si avvia il DD, che fa girare il rotore esterno dell'azionamento e il motore-generatore attraverso la frizione unidirezionale. Quando il motore si riscalda, il suo sistema di raffreddamento viene attivato. Dopo aver raggiunto la velocità operativa, il rotore interno dell'azionamento inizia a girare (carica). Il processo di ricarica di un dispositivo di archiviazione viene giudicato indirettamente dalla corrente che consuma. Questo processo richiede 5-7 minuti.

Se è disponibile l'alimentazione esterna, è necessario del tempo per la sincronizzazione finale con la rete esterna e, quando viene raggiunto un grado sufficiente di fase, l'installazione viene collegata ad essa.

Il DD riduce la velocità di rotazione ed entra in un ciclo di raffreddamento, che dura circa 10 minuti, seguito da un arresto. La frizione unidirezionale si disinnesta e l'ulteriore rotazione dell'impianto è supportata dal motore-generatore compensando al tempo stesso le perdite nell'accumulatore. L'installazione è pronta per alimentare il carico e passa alla modalità UPS.

In assenza di alimentazione esterna, l'impianto è pronto ad alimentare il carico e le proprie necessità dal motore-generatore e continua a funzionare in modalità DIESEL.

• modalità operativa DIESEL

In questa modalità la fonte energetica è il DD. Il motogeneratore da esso ruotato alimenta il carico. Il motore-generatore come sorgente di tensione ha una risposta in frequenza pronunciata e ha un'inerzia notevole, rispondendo con un ritardo a cambiamenti improvvisi nell'entità del carico. Perché Il produttore completa le installazioni con il funzionamento DD marino in questa modalità è limitata solo dalle riserve di carburante e dalla capacità di mantenere le condizioni termiche dell'installazione. In questa modalità operativa, il livello di pressione sonora in prossimità dell'installazione supera i 105 dBA.

• Modalità operativa dell'UPS

In questa modalità la fonte energetica è la rete esterna. Il motore-generatore, collegato tramite un reattore sia alla rete esterna che al carico, funziona in modalità compensatore sincrono, compensando entro certi limiti la componente reattiva della potenza di carico. In generale, un impianto DDIBP collegato in serie con una rete esterna, per definizione, peggiora le sue caratteristiche come sorgente di tensione, aumentando l'impedenza interna equivalente. In questa modalità di funzionamento il livello di pressione sonora in prossimità dell'impianto è di circa 100 dBA.

In caso di problemi con la rete esterna, l'unità viene disconnessa da essa, viene dato il comando di avviare il motore diesel e l'unità passa alla modalità DIESEL. Va notato che il lancio di un motore costantemente riscaldato avviene senza carico fino a quando la velocità di rotazione dell'albero motore non supera le restanti parti dell'installazione con la chiusura della frizione unidirezionale. Il tempo tipico per l'avvio e il raggiungimento della velocità operativa del DD è di 3-5 secondi.

• Modalità operativa BYPASS

Se necessario, ad esempio durante la manutenzione, la potenza del carico può essere trasferita sulla linea bypass direttamente dalla rete esterna. La commutazione sulla linea di bypass e ritorno avviene con una sovrapposizione nei tempi di risposta dei dispositivi di commutazione, che consente di evitare una perdita di potenza anche di breve durata al carico perché Il sistema di controllo cerca di mantenere la fase tra la tensione di uscita dell'installazione DDIBP e la rete esterna. In questo caso la modalità operativa dell'impianto stesso non cambia, ovvero se il DD funzionava, continuerà a funzionare, oppure l'installazione stessa era alimentata da una rete esterna, continuerà.

• modalità operativa ARRESTO

Quando viene dato il comando STOP, l'alimentazione del carico viene commutata sulla linea di bypass e l'alimentazione al motore-generatore e al dispositivo di accumulo viene interrotta. L'impianto continua a ruotare per inerzia per qualche tempo e dopo l'arresto passa in modalità OFF.

Schemi di collegamento DDIBP e loro caratteristiche

Installazione singola

Questa è l'opzione più semplice per utilizzare un DDIBP indipendente. L'installazione può avere due uscite: NB (nessuna interruzione, alimentazione ininterrotta) senza interruzione dell'alimentazione e SB (interruzione breve, alimentazione garantita) con un'interruzione di alimentazione a breve termine. Ciascuna delle uscite può avere il proprio bypass (vedere Fig. 1.).

Ris.1

L'uscita NB è solitamente collegata a un carico critico (IT, pompe di circolazione di refrigerazione, condizionatori d'aria di precisione) e l'uscita SB è un carico per il quale un'interruzione a breve termine dell'alimentazione elettrica non è critica (refrigeratori di refrigerazione). Per evitare una completa perdita di alimentazione al carico critico, la commutazione dell'uscita dell'impianto e del circuito di bypass viene effettuata con sovrapposizione temporale e le correnti del circuito vengono ridotte a valori sicuri a causa della complessa resistenza della parte dell'avvolgimento del reattore.

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata all'alimentazione dal DDIBP al carico non lineare, cioè carico, che è caratterizzato dalla presenza di una notevole quantità di armoniche nella composizione spettrale della corrente consumata. A causa delle peculiarità del funzionamento del generatore sincrono e dello schema di collegamento, ciò porta ad una distorsione della forma d'onda di tensione all'uscita dell'impianto, nonché alla presenza di componenti armoniche della corrente consumata quando l'impianto è alimentato da una rete esterna di tensione alternata.

Di seguito sono riportate le immagini della forma (vedi Fig. 2) e l'analisi armonica della tensione di uscita (vedi Fig. 3) quando alimentata da una rete esterna. Il coefficiente di distorsione armonica ha superato il 10% con un modesto carico non lineare sotto forma di convertitore di frequenza. Allo stesso tempo, l'installazione non è passata alla modalità diesel, il che conferma che il sistema di controllo non monitora un parametro così importante come il coefficiente di distorsione armonica della tensione di uscita. Secondo le osservazioni, il livello di distorsione armonica non dipende dalla potenza del carico, ma dal rapporto tra le potenze del carico non lineare e lineare e, quando testato su un carico termico attivo puro, la forma della tensione all'uscita del l'installazione è molto vicina alla sinusoidale. Ma questa situazione è molto lontana dalla realtà, soprattutto quando si tratta di alimentare apparecchiature tecniche che includono convertitori di frequenza e carichi IT che dispongono di alimentatori a commutazione che non sono sempre dotati di correzione del fattore di potenza (PFC).

Ris.2

Ris.3

In questo diagramma e in quelli successivi sono degne di nota tre circostanze:

• Collegamento galvanico tra l'ingresso e l'uscita dell'impianto.
• Lo squilibrio del carico di fase dall'uscita raggiunge l'ingresso.
• La necessità di misure aggiuntive per ridurre le armoniche della corrente di carico.
• Le componenti armoniche della corrente di carico e la distorsione causata dai transitori fluiscono dall'uscita all'ingresso.

Circuito parallelo

Per potenziare il sistema di alimentazione, le unità DDIBP possono essere collegate in parallelo, collegando i circuiti di ingresso e uscita delle singole unità. Allo stesso tempo, è necessario comprendere che l'installazione perde la sua indipendenza e diventa parte del sistema quando sono soddisfatte le condizioni di sincronismo e in fase; in fisica questo si chiama in una parola: coerenza. Da un punto di vista pratico ciò significa che tutti gli impianti inclusi nel sistema devono funzionare nella stessa modalità, cioè ad esempio non è accettabile un'opzione con funzionamento parziale dal DD e funzionamento parziale dalla rete esterna. In questo caso viene realizzata la linea di bypass comune a tutto l'impianto (vedi Fig. 4).

Con questo schema di connessione esistono due modalità potenzialmente pericolose:

• Collegamento della seconda e delle successive installazioni al bus di uscita del sistema mantenendo le condizioni di coerenza.
• Disconnettere una singola installazione dal bus di uscita mantenendo le condizioni di coerenza fino all'apertura degli interruttori di uscita.

Ris.4

L'arresto di emergenza di un singolo impianto può portare a una situazione in cui inizia a rallentare, ma il dispositivo di commutazione di uscita non si è ancora aperto. In questo caso, in breve tempo, lo sfasamento tra l'impianto ed il resto dell'impianto può raggiungere valori di emergenza, provocando un corto circuito.

È inoltre necessario prestare attenzione al bilanciamento del carico tra le singole installazioni. Nell'apparecchiatura qui considerata, il bilanciamento viene effettuato a causa della caratteristica del carico cadente del generatore. A causa della sua non idealità e delle caratteristiche non identiche delle istanze di installazione tra installazioni, anche la distribuzione non è uniforme. Inoltre, avvicinandosi ai valori di carico massimo, la distribuzione comincia ad essere influenzata da fattori apparentemente insignificanti come la lunghezza delle linee collegate, i punti di connessione alla rete di distribuzione degli impianti e dei carichi, nonché la qualità (resistenza alla transizione ) dei collegamenti stessi.

Dobbiamo sempre ricordare che i DDIBP e i dispositivi di commutazione sono dispositivi elettromeccanici con un momento di inerzia significativo e tempi di ritardo notevoli nella risposta alle azioni di controllo del sistema di controllo automatico.

Circuito in parallelo con collegamento in “media” tensione

In questo caso il generatore è collegato al reattore tramite un trasformatore con opportuno rapporto di trasformazione. Pertanto, il reattore e le macchine di commutazione funzionano a un livello di tensione "medio" e il generatore funziona a un livello di 0.4 kV (vedere Fig. 5).

Ris.5

Con questo caso d'uso è necessario prestare attenzione alla natura del carico finale e al suo schema di collegamento. Quelli. se il carico finale è collegato tramite trasformatori abbassatori, occorre tenere presente che il collegamento del trasformatore alla rete di alimentazione è molto probabilmente accompagnato da un processo di inversione di magnetizzazione del nucleo, che a sua volta provoca uno spunto di consumo di corrente e, di conseguenza, un calo di tensione (vedi Fig. 6).

In questa situazione le apparecchiature sensibili potrebbero non funzionare correttamente.

Almeno l'illuminazione a bassa inerzia lampeggia e i convertitori di frequenza del motore predefiniti vengono riavviati.

Ris.6

Circuito con bus di uscita “split”.

Per ottimizzare il numero di installazioni nel sistema di alimentazione, il produttore propone di utilizzare uno schema con bus di uscita "split", in cui le installazioni sono parallele sia in ingresso che in uscita, con ciascuna installazione collegata individualmente a più di una bus di uscita. In questo caso il numero delle linee di bypass deve essere pari al numero dei bus di uscita (vedi Fig. 7).

Resta inteso che i bus di uscita non sono indipendenti e sono collegati galvanicamente tra loro tramite i dispositivi di commutazione di ciascun impianto.

Pertanto, nonostante le assicurazioni del produttore, questo circuito rappresenta un alimentatore con ridondanza interna, nel caso di un circuito parallelo, con diverse uscite interconnesse galvanicamente.

Ris.7

Anche qui, come nel caso precedente, è necessario prestare attenzione non solo al bilanciamento del carico tra impianti, ma anche tra i bus di uscita.

Inoltre, alcuni clienti si oppongono categoricamente alla fornitura di cibo “sporco”, ad es. utilizzando un bypass al carico in qualsiasi modalità operativa. Con questo approccio, ad esempio nei data center, un problema (sovraccarico) su uno degli raggi porta al crash del sistema con lo spegnimento completo del carico utile.

Ciclo di vita del DDIBP e suo impatto sul sistema di alimentazione nel suo complesso

Non dobbiamo dimenticare che gli impianti DDIBP sono dispositivi elettromeccanici che richiedono un atteggiamento a dir poco attento e riverente e una manutenzione periodica.

Il programma di manutenzione comprende lo smantellamento, l'arresto, la pulizia, la lubrificazione (una volta ogni sei mesi), nonché il caricamento del generatore su un carico di prova (una volta all'anno). In genere sono necessari due giorni lavorativi per eseguire la manutenzione di un'installazione. E l'assenza di un circuito appositamente progettato per collegare il generatore al carico di prova porta alla necessità di diseccitare il carico utile.

Prendiamo ad esempio un sistema ridondante di 15 DDIUPS funzionanti in parallelo collegati a tensione “media” ad un bus doppio “split” in assenza di un circuito dedicato per il collegamento del carico di prova.

Con tali dati iniziali, per servire il sistema per 30(!) giorni di calendario in modalità a giorni alterni, sarà necessario diseccitare uno dei bus di uscita per collegare il carico di prova. Pertanto, la disponibilità di alimentazione per il carico utile di uno dei bus di uscita è - 0,959, e in effetti anche 0,92.

Inoltre, il ritorno al circuito di alimentazione del carico utile standard richiederà l'attivazione del numero richiesto di trasformatori step-down, che, a loro volta, causeranno molteplici cali di tensione nell'intero (!) sistema associati all'inversione della magnetizzazione dei trasformatori.

Raccomandazioni per l'utilizzo del DDIBP

Da quanto sopra si suggerisce una conclusione non confortante: all'uscita del sistema di alimentazione che utilizza un DDIBP, è presente una tensione ininterrotta di alta qualità (!) quando sono soddisfatte tutte le seguenti condizioni:

• L'alimentazione esterna non presenta inconvenienti significativi;
• Il carico del sistema è costante nel tempo, di natura attiva e lineare (le ultime due caratteristiche non si applicano alle apparecchiature del Data Center);
• Non ci sono distorsioni nel sistema causate dalla commutazione di elementi reattivi.

In sintesi si possono formulare le seguenti raccomandazioni:

• Separare i sistemi di alimentazione delle apparecchiature tecniche e informatiche e dividere queste ultime in sottosistemi per ridurre al minimo l'influenza reciproca.
• Dedicare una rete separata per garantire la capacità di servire una singola installazione con la possibilità di collegare un carico di prova esterno con una capacità pari a una singola installazione. Preparare il sito e i cavi per il collegamento a questi scopi.
• Monitorare costantemente il bilanciamento del carico tra bus di potenza, singole installazioni e fasi.
• Evitare di utilizzare trasformatori step-down collegati all'uscita del DDIBP.
• Testare e registrare attentamente il funzionamento dei dispositivi di automazione e di commutazione di potenza al fine di raccogliere statistiche.
• Per verificare la qualità dell'alimentazione elettrica al carico, testare installazioni e sistemi utilizzando un carico non lineare.
• In occasione della manutenzione smontare le batterie di avviamento e testarle singolarmente, perché... Nonostante la presenza dei cosiddetti equalizzatori e di un pannello di avvio di backup (RSP), a causa di una batteria difettosa, il DD potrebbe non avviarsi.
• Adottare misure aggiuntive per ridurre al minimo le armoniche della corrente di carico.
• Documentare i campi sonori e termici degli impianti, i risultati dei test di vibrazione per una risposta rapida alle prime manifestazioni di problemi meccanici di vario tipo.
• Evitare tempi di inattività a lungo termine delle installazioni, adottare misure per distribuire uniformemente le risorse motorie.
• Completare l'installazione con sensori di vibrazione per prevenire situazioni di emergenza.
• Se i campi sonori e termici cambiano, compaiono vibrazioni o odori estranei, mettere immediatamente fuori servizio gli impianti per ulteriori diagnosi.

PS L'autore sarebbe grato per un feedback sull'argomento dell'articolo.

Fonte: habr.com