Cechy systemów zasilania wykorzystujących DDIBP

Butsev I.V.
[email chroniony]

Cechy systemów zasilania wykorzystujących dynamiczne źródła zasilania bezprzerwowego typu Diesel (DDUPS)

W poniższej prezentacji autor będzie starał się unikać marketingowych klisz i opierać się wyłącznie na praktycznych doświadczeniach. Osoby DDIBP z HITEC Power Protection zostaną opisane jako obiekty testowe.

Urządzenie instalacyjne DDIBP

Urządzenie DDIBP z elektromechanicznego punktu widzenia wygląda dość prosto i przewidywalnie.
Głównym źródłem energii jest Silnik Diesla (DE), o mocy wystarczającej, biorąc pod uwagę sprawność instalacji, do długotrwałego, ciągłego zasilania odbiorników. To odpowiednio nakłada dość rygorystyczne wymagania na jego niezawodność, gotowość do uruchomienia i stabilność działania. Dlatego całkowicie logiczne jest używanie DD statków, które sprzedawca przemalowuje z żółtego na swój własny kolor.

Jako odwracalny przetwornik energii mechanicznej na energię elektryczną i odwrotnie, w instalacji zastosowano silnik-generator o mocy przekraczającej moc znamionową instalacji, mający na celu przede wszystkim poprawę charakterystyk dynamicznych źródła zasilania podczas procesów przejściowych.

Ponieważ producent deklaruje zasilanie bezprzerwowe, w instalacji znajduje się element podtrzymujący zasilanie odbiornika podczas przejść z jednego trybu pracy do drugiego. Służy do tego akumulator bezwładnościowy lub sprzęgło indukcyjne. Jest to masywne ciało, które obraca się z dużą prędkością i gromadzi energię mechaniczną. Producent opisuje swoje urządzenie jako silnik asynchroniczny wewnątrz silnika asynchronicznego. Te. Jest stojan, wirnik zewnętrzny i wirnik wewnętrzny. Ponadto wirnik zewnętrzny jest sztywno połączony ze wspólnym wałem instalacji i obraca się synchronicznie z wałem motoreduktora. Wirnik wewnętrzny dodatkowo kręci się względem zewnętrznego i pełni funkcję magazynu. Aby zapewnić moc i interakcję pomiędzy poszczególnymi częściami, zastosowano zespoły szczotek z pierścieniami ślizgowymi.

Aby zapewnić przeniesienie energii mechanicznej z silnika na pozostałe części instalacji, stosuje się sprzęgło wyprzedzeniowe.

Najważniejszą częścią instalacji jest układ automatycznego sterowania, który analizując parametry pracy poszczególnych części wpływa na sterowanie całą instalacją.
Najważniejszym elementem instalacji jest także dławik, czyli dławik trójfazowy z odczepem uzwojenia, którego zadaniem jest zintegrowanie instalacji z systemem zasilania i umożliwienie w miarę bezpiecznego przełączania trybów, ograniczając prądy wyrównawcze.
I wreszcie podsystemy pomocnicze, ale w żadnym wypadku drugorzędne - wentylacja, zasilanie paliwem, chłodzenie i odprowadzanie gazów.

Tryby pracy instalacji DDIBP

Myślę, że przydatne byłoby opisanie różnych stanów instalacji DDIBP:

• tryb pracy WYŁ

Część mechaniczna instalacji jest nieruchoma. Zasilanie dostarczane jest do układu sterowania, układu wstępnego podgrzewania pojazdu silnikowego, układu ładowania pływającego akumulatorów rozruchowych i urządzenia wentylacji recyrkulacyjnej. Po podgrzaniu instalacja jest gotowa do rozpoczęcia.

• tryb pracy START

Po wydaniu polecenia START uruchamia się DD, który obraca zewnętrzny wirnik napędu i silnik-generator poprzez sprzęgło wyprzedzeniowe. Gdy silnik się nagrzewa, włącza się jego układ chłodzenia. Po osiągnięciu prędkości roboczej wewnętrzny wirnik napędu zaczyna się kręcić (ładować). Proces ładowania urządzenia pamięci masowej jest pośrednio oceniany na podstawie pobieranego przez nie prądu. Ten proces trwa 5-7 minut.

Jeśli dostępne jest zasilanie zewnętrzne, ostateczna synchronizacja z siecią zewnętrzną zajmuje trochę czasu i po osiągnięciu wystarczającego stopnia zgodności w fazie następuje podłączenie do niej instalacji.

DD zmniejsza prędkość obrotową i przechodzi w cykl chłodzenia, który trwa około 10 minut, po czym następuje zatrzymanie. Sprzęgło jednokierunkowe rozłącza się, a dalszy obrót instalacji wspomagany jest przez zespół silnikowo-prądnicowy, kompensując jednocześnie straty w akumulatorze. Instalacja jest gotowa do zasilenia odbiornika i przechodzi w tryb UPS.

W przypadku braku zewnętrznego zasilania instalacja jest gotowa do zasilania odbiorów i potrzeb własnych z agregatu prądotwórczego i kontynuuje pracę w trybie DIESEL.

• tryb pracy DIESEL

W tym trybie źródłem energii jest DD. Obracany przez niego silnik-generator zasila obciążenie. Silnik-generator jako źródło napięcia ma wyraźną charakterystykę częstotliwościową i zauważalną bezwładność, reagując z opóźnieniem na nagłe zmiany wielkości obciążenia. Ponieważ Producent kompletuje instalacje z morskim DD. Praca w tym trybie ograniczona jest jedynie zapasami paliwa i możliwością utrzymania reżimu cieplnego instalacji. W tym trybie pracy poziom ciśnienia akustycznego w pobliżu instalacji przekracza 105 dBA.

• Tryb pracy UPS

W tym trybie źródłem energii jest sieć zewnętrzna. Silnik-generator, podłączony poprzez dławik zarówno do sieci zewnętrznej, jak i do obciążenia, pracuje w trybie kompensatora synchronicznego, kompensując w pewnych granicach składową bierną mocy obciążenia. Generalnie instalacja DDIBP połączona szeregowo z siecią zewnętrzną z definicji pogarsza swoje właściwości jako źródła napięcia, zwiększając zastępczą impedancję wewnętrzną. W tym trybie pracy poziom ciśnienia akustycznego w pobliżu instalacji wynosi około 100 dBA.

W przypadku problemów z siecią zewnętrzną urządzenie zostaje od niej odłączone, wydawana jest komenda uruchomienia silnika Diesla i jednostka przechodzi w tryb DIESEL. Należy zaznaczyć, że uruchomienie stale nagrzanego silnika następuje bez obciążenia do momentu, gdy prędkość obrotowa wału silnika przekroczy pozostałą część instalacji przy zamknięciu sprzęgła wyprzedzeniowego. Typowy czas rozruchu i osiągnięcia prędkości roboczej DD wynosi 3-5 sekund.

• Tryb pracy BYPASS

W razie potrzeby, np. podczas konserwacji, moc obciążenia może zostać przeniesiona na linię obejściową bezpośrednio z sieci zewnętrznej. Przełączenie na linię obejściową i z powrotem następuje z nałożeniem czasów reakcji urządzeń przełączających, co pozwala uniknąć nawet krótkotrwałej utraty zasilania obciążenia, ponieważ Układ sterowania stara się zachować zgodność fazową pomiędzy napięciem wyjściowym instalacji DDIBP a siecią zewnętrzną. W takim przypadku nie zmienia się tryb pracy samej instalacji, tj. jeśli DD działał to będzie działać dalej, albo sama instalacja była zasilana z sieci zewnętrznej to będzie działać dalej.

• tryb pracy STOP

Po wydaniu polecenia STOP moc obciążenia zostaje przełączona na linię obejściową, a zasilanie agregatu prądotwórczego i urządzenia magazynującego zostaje przerwane. Instalacja przez pewien czas obraca się na zasadzie bezwładności, a po zatrzymaniu przechodzi w tryb WYŁĄCZENIA.

Schematy połączeń DDIBP i ich cechy

Pojedyncza instalacja

Jest to najprostsza opcja użycia niezależnego DDIBP. Instalacja może posiadać dwa wyjścia - NB (bez przerwy, zasilanie awaryjne) bez przerywania zasilania oraz SB (krótka przerwa, moc gwarantowana) z krótkotrwałą przerwą w zasilaniu. Każde z wyjść może posiadać własny bypass (patrz rys. 1.).

Ris.1

Wyjście NB jest zwykle podłączone do obciążenia krytycznego (IT, chłodnicze pompy obiegowe, klimatyzatory precyzyjne), a wyjście SB to obciążenie, dla którego krótkotrwała przerwa w zasilaniu nie jest krytyczna (agregaty chłodnicze). Aby uniknąć całkowitej utraty zasilania obciążenia krytycznego, przełączanie wyjścia instalacji i obwodu obejściowego odbywa się z opóźnieniem czasowym, a prądy w obwodzie są redukowane do bezpiecznych wartości ze względu na złożoną rezystancję części uzwojenia reaktora.

Szczególną uwagę należy zwrócić na zasilanie z DDIBP do obciążenia nieliniowego, tj. obciążenie, które charakteryzuje się obecnością zauważalnej ilości harmonicznych w składzie widmowym pobieranego prądu. Ze względu na specyfikę działania generatora synchronicznego i schemat połączeń prowadzi to do zniekształcenia przebiegu napięcia na wyjściu instalacji, a także obecności składowych harmonicznych pobieranego prądu, gdy instalacja jest zasilana z zewnętrzną sieć napięcia przemiennego.

Poniżej przedstawiono obrazy kształtu (patrz rys. 2) i analizę harmonicznych napięcia wyjściowego (patrz rys. 3) przy zasilaniu z sieci zewnętrznej. Współczynnik zniekształceń harmonicznych przekraczał 10% przy niewielkim nieliniowym obciążeniu w postaci przetwornicy częstotliwości. Jednocześnie instalacja nie została przełączona na tryb diesla, co potwierdza, że ​​układ sterowania nie monitoruje tak ważnego parametru, jak współczynnik zniekształceń harmonicznych napięcia wyjściowego. Z obserwacji wynika, że ​​poziom zniekształceń harmonicznych nie zależy od mocy obciążenia, lecz od stosunku mocy obciążenia nieliniowego do liniowego, a przy badaniu na czystym obciążeniu aktywnym, termicznym kształtuje się napięcie na wyjściu układu instalacja jest naprawdę zbliżona do sinusoidalnej. Sytuacja ta jest jednak bardzo odległa od rzeczywistości, zwłaszcza jeśli chodzi o zasilanie sprzętu inżynieryjnego, w tym przetwornic częstotliwości, oraz obciążeń IT wyposażonych w zasilacze impulsowe, które nie zawsze są wyposażone w korekcję współczynnika mocy (PFC).

Ris.2

Ris.3

Na tym i kolejnych diagramach godne uwagi są trzy okoliczności:

• Połączenie galwaniczne pomiędzy wejściem i wyjściem instalacji.
• Brak równowagi obciążenia fazowego z wyjścia dociera do wejścia.
• Potrzeba dodatkowych środków w celu zmniejszenia harmonicznych prądu obciążenia.
• Składowe harmoniczne prądu obciążenia i zniekształcenia spowodowane przepływem stanów nieustalonych z wyjścia do wejścia.

Obwód równoległy

W celu usprawnienia układu zasilania jednostki DDIBP można łączyć równolegle, łącząc obwody wejściowe i wyjściowe poszczególnych jednostek. Jednocześnie należy zrozumieć, że instalacja traci swoją niezależność i staje się częścią systemu, gdy zostaną spełnione warunki synchronizmu i zgodności w fazie, co w fizyce określa się jednym słowem - koherencją. Z praktycznego punktu widzenia oznacza to, że wszystkie instalacje wchodzące w skład systemu muszą pracować w tym samym trybie, czyli np. niedopuszczalna jest opcja z częściowym sterowaniem z DD, a częściowym sterowaniem z sieci zewnętrznej. W takim przypadku tworzona jest linia obejściowa wspólna dla całego systemu (patrz rys. 4).

W tym schemacie połączeń istnieją dwa potencjalnie niebezpieczne tryby:

• Podłączenie drugiej i kolejnych instalacji do szyny wyjściowej systemu z zachowaniem warunków spójności.
• Odłączenie pojedynczej instalacji od szyny wyjściowej z zachowaniem warunków koherencji do czasu rozwarcia wyłączników wyjściowych.

Ris.4

Awaryjne wyłączenie pojedynczej instalacji może doprowadzić do sytuacji, w której zacznie ona zwalniać, lecz urządzenie przełączające wyjście nie zostało jeszcze otwarte. W takim przypadku w krótkim czasie różnica faz pomiędzy instalacją a resztą systemu może osiągnąć wartości awaryjne, powodując zwarcie.

Należy także zwrócić uwagę na równoważenie obciążenia pomiędzy poszczególnymi instalacjami. W rozważanym tutaj sprzęcie równoważenie odbywa się ze względu na charakterystykę opadającego obciążenia generatora. Ze względu na nieidealność i nieidentyczne cechy instancji instalacji pomiędzy instalacjami, dystrybucja jest również nierównomierna. Dodatkowo, gdy zbliżamy się do maksymalnych wartości obciążenia, na rozkład zaczynają wpływać tak pozornie nieistotne czynniki, jak długość podłączonych linii, punkty przyłączenia do sieci dystrybucyjnej instalacji i odbiorów, a także jakość (opór przejścia ) samych połączeń.

Należy zawsze pamiętać, że DDIBP i urządzenia przełączające są urządzeniami elektromechanicznymi o znacznym momencie bezwładności i zauważalnych czasach opóźnienia w reakcji na działania sterujące z układu automatyki.

Obwód równoległy z połączeniem „średniego” napięcia

W tym przypadku generator połączony jest z reaktorem poprzez transformator o odpowiedniej przekładni transformacji. Zatem dławik i maszyny przełączające pracują na „średnim” poziomie napięcia, a generator na poziomie 0.4 kV (patrz rys. 5).

Ris.5

W tym przypadku użycia należy zwrócić uwagę na charakter końcowego obciążenia i schemat jego połączeń. Te. w przypadku podłączenia odbiornika poprzez transformatory obniżające należy pamiętać, że podłączeniu transformatora do sieci zasilającej z dużym prawdopodobieństwem towarzyszy proces odwrócenia namagnesowania rdzenia, co z kolei powoduje wzrost poboru prądu, a co za tym idzie, w konsekwencji spadek napięcia (patrz rys. 6).

W tej sytuacji wrażliwy sprzęt może nie działać prawidłowo.

Przynajmniej miga oświetlenie o niskiej bezwładności i uruchamiane są ponownie domyślne przetwornice częstotliwości silnika.

Ris.6

Układ z „dzieloną” szyną wyjściową

W celu optymalizacji ilości instalacji w systemie zasilania producent proponuje zastosowanie schematu z „dzieloną” szyną wyjściową, w którym instalacje są równoległe zarówno na wejściu, jak i na wyjściu, przy czym każda instalacja jest indywidualnie podłączona do więcej niż jednego magistrala wyjściowa. W takim przypadku liczba linii obejściowych musi być równa liczbie szyn wyjściowych (patrz rys. 7).

Należy rozumieć, że szyny wyjściowe nie są niezależne i są ze sobą połączone galwanicznie poprzez urządzenia przełączające każdej instalacji.

Zatem pomimo zapewnień producenta, obwód ten stanowi jeden zasilacz z wewnętrzną redundancją, w przypadku układu równoległego, posiadający kilka galwanicznie połączonych wyjść.

Ris.7

Tutaj, podobnie jak w poprzednim przypadku, należy zwrócić uwagę nie tylko na równoważenie obciążenia pomiędzy instalacjami, ale także pomiędzy szynami wyjściowymi.

Również część klientów kategorycznie sprzeciwia się dostarczaniu „brudnej” żywności, tj. użycie obejścia do obciążenia w dowolnym trybie pracy. Przy takim podejściu, na przykład w centrach danych, problem (przeciążenie) jednej ze szprych prowadzi do awarii systemu i całkowitego wyłączenia ładunku.

Cykl życia DDIBP i jego wpływ na system zasilania jako całość

Nie wolno nam zapominać, że instalacje DDIBP to urządzenia elektromechaniczne, które wymagają uważnej, delikatnie mówiąc, szacunku i okresowej konserwacji.

Harmonogram konserwacji obejmuje wyłączenie z eksploatacji, wyłączenie, czyszczenie, smarowanie (raz na sześć miesięcy), a także obciążenie generatora obciążeniem próbnym (raz w roku). Obsługa jednej instalacji zajmuje zazwyczaj dwa dni robocze. Brak specjalnie zaprojektowanego obwodu do podłączenia generatora do obciążenia testowego prowadzi do konieczności odłączenia zasilania od obciążenia.

Weźmy na przykład redundantny system składający się z 15 działających równolegle DDUPS podłączonych przy „średnim” napięciu do podwójnie „dzielonej” magistrali w przypadku braku dedykowanego obwodu do podłączenia obciążenia testowego.

Przy takich danych początkowych, aby system mógł pracować przez 30(!) dni kalendarzowych w trybie co drugi dzień, konieczne będzie wyłączenie jednej z szyn wyjściowych w celu podłączenia obciążenia testowego. Zatem dostępność zasilania obciążenia jednej z szyn wyjściowych wynosi - 0,959, a w rzeczywistości nawet 0,92.

Dodatkowo powrót do standardowego obwodu zasilania ładunku będzie wymagał włączenia wymaganej liczby transformatorów obniżających napięcie, co z kolei spowoduje wielokrotne zapady napięcia w całym (!) systemie, związane z odwróceniem namagnesowania transformatorów.

Zalecenia dotyczące stosowania DDIBP

Z powyższego nasuwa się niezbyt pocieszający wniosek – na wyjściu układu zasilania wykorzystującego DDIBP występuje wysokiej jakości (!) napięcie nieprzerwane, gdy spełnione są wszystkie poniższe warunki:

• Zewnętrzny zasilacz nie ma znaczących wad;
• Obciążenie systemu jest stałe w czasie, aktywne i ma charakter liniowy (dwie ostatnie cechy nie dotyczą sprzętu data center);
• W systemie nie występują zniekształcenia spowodowane przełączaniem elementów biernych.

Podsumowując, można sformułować następujące zalecenia:

• Oddziel systemy zasilania sprzętu inżynieryjnego i IT, a ten ostatni podziel na podsystemy, aby zminimalizować wzajemne oddziaływanie.
• Wyznaczyć wydzieloną sieć, aby zapewnić możliwość obsługi pojedynczej instalacji z możliwością podłączenia zewnętrznego obciążenia testowego o wydajności równej pojedynczej instalacji. Przygotuj miejsce i infrastrukturę kablową do podłączenia w tym celu.
• Stale monitoruj równowagę obciążenia pomiędzy szynami zasilającymi, poszczególnymi instalacjami i fazami.
• Unikaj stosowania transformatorów obniżających podłączonych do wyjścia DDIBP.
• Dokładnie testuj i rejestruj działanie automatyki i urządzeń przełączających zasilanie w celu gromadzenia statystyk.
• Aby zweryfikować jakość zasilania obciążenia, należy przetestować instalacje i systemy przy użyciu obciążenia nieliniowego.
• Podczas serwisowania należy rozmontować akumulatory rozruchowe i przetestować je indywidualnie, ponieważ... Pomimo obecności tak zwanych korektorów i zapasowego panelu startowego (RSP), z powodu jednego wadliwego akumulatora, DD może się nie uruchomić.
• Podejmij dodatkowe środki, aby zminimalizować harmoniczne prądu obciążenia.
• Dokumentuj pola akustyczne i cieplne instalacji, wyniki testów wibracyjnych w celu szybkiej reakcji na pierwsze przejawy różnego rodzaju problemów mechanicznych.
• Unikaj długotrwałych przestojów instalacji, podejmuj działania w celu równomiernego rozłożenia zasobów silnikowych.
• Uzupełnij instalację o czujniki wibracyjne, aby zapobiec sytuacjom awaryjnym.
• W przypadku zmiany pola dźwiękowego i cieplnego, pojawienia się wibracji lub obcych zapachów, należy natychmiast wyłączyć instalację w celu dalszej diagnostyki.

PS Autor byłby wdzięczny za uwagi dotyczące tematu artykułu.

Źródło: www.habr.com