🥇Características dos sistemas de alimentação usando DDIBP

Características de sistemas de alimentação usando fontes de energia ininterruptas dinâmicas diesel (DDIUPS)

Na apresentação a seguir, o autor tentará evitar os clichês mercadológicos e se apoiará exclusivamente na experiência prática. DDIBPs da HITEC Power Protection serão descritos como cobaias de teste.

Dispositivo de instalação DDIBP

O dispositivo DDIBP, do ponto de vista eletromecânico, parece bastante simples e previsível.
A principal fonte de energia é um Motor Diesel (DE), com potência suficiente, tendo em conta a eficiência da instalação, para o fornecimento contínuo e prolongado de energia à carga. Isto, portanto, impõe requisitos bastante rigorosos à sua confiabilidade, prontidão para lançamento e estabilidade de operação. Portanto, é completamente lógico usar DDs de navio, que o fornecedor repinta de amarelo para sua própria cor.

Como conversor reversível de energia mecânica em energia elétrica e vice-versa, a instalação inclui um motor-gerador com potência superior à potência nominal da instalação para melhorar, em primeiro lugar, as características dinâmicas da fonte de energia durante processos transitórios.

Como o fabricante afirma fonte de alimentação ininterrupta, a instalação contém um elemento que mantém a alimentação da carga durante as transições de um modo de operação para outro. Um acumulador inercial ou acoplamento de indução serve para esse propósito. É um corpo enorme que gira em alta velocidade e acumula energia mecânica. O fabricante descreve seu dispositivo como um motor assíncrono dentro de um motor assíncrono. Aqueles. Existe um estator, um rotor externo e um rotor interno. Além disso, o rotor externo está rigidamente conectado ao eixo comum da instalação e gira em sincronia com o eixo do motor-gerador. O rotor interno gira adicionalmente em relação ao externo e é na verdade um dispositivo de armazenamento. Para fornecer potência e interação entre as peças individuais, são utilizadas unidades de escova com anéis coletores.

Para garantir a transferência da energia mecânica do motor para as demais partes da instalação, é utilizada uma embreagem de avanço.

A parte mais importante da instalação é o sistema de controle automático, que, ao analisar os parâmetros operacionais de peças individuais, influencia o controle da instalação como um todo.
Também o elemento mais importante da instalação é um reator, um indutor trifásico com torneira de enrolamento, concebido para integrar a instalação no sistema de alimentação e permitir uma comutação relativamente segura entre modos, limitando as correntes de equalização.
E, finalmente, subsistemas auxiliares, mas de forma alguma secundários - ventilação, abastecimento de combustível, resfriamento e exaustão de gases.

Modos de operação da instalação DDIBP

Acho que seria útil descrever os vários estados de uma instalação DDIBP:

modo de operação DESLIGADO

A parte mecânica da instalação está imóvel. A energia é fornecida ao sistema de controle, ao sistema de pré-aquecimento do veículo motorizado, ao sistema de carga flutuante para baterias de arranque e à unidade de ventilação de recirculação. Após o pré-aquecimento, a instalação está pronta para iniciar.

modo de operação INICIAR

Ao ser dado o comando START, dá partida o DD, que gira o rotor externo do inversor e do motor-gerador através da embreagem de avanço. À medida que o motor aquece, seu sistema de refrigeração é ativado. Após atingir a velocidade de operação, o rotor interno do inversor começa a girar (carregar). O processo de carregamento de um dispositivo de armazenamento é avaliado indiretamente pela corrente que ele consome. Este processo leva de 5 a 7 minutos.

Se houver alimentação externa disponível, leva algum tempo para a sincronização final com a rede externa e, quando for alcançado um grau suficiente de fase, a instalação é conectada a ela.

O DD reduz a velocidade de rotação e entra em ciclo de resfriamento, que dura cerca de 10 minutos, seguido de parada. A embreagem de avanço desengata e a rotação adicional da instalação é suportada pelo motor-gerador enquanto compensa as perdas no acumulador. A instalação está pronta para alimentar a carga e passa para o modo UPS.

Na ausência de alimentação externa, a instalação está preparada para alimentar a carga e as suas próprias necessidades a partir do motor-gerador e continua a funcionar em modo DIESEL.

modo de operação DIESEL

Neste modo, a fonte de energia é o DD. O motor-gerador girado por ele alimenta a carga. O motor-gerador como fonte de tensão tem uma resposta de frequência pronunciada e uma inércia perceptível, respondendo com atraso a mudanças repentinas na magnitude da carga. Porque O fabricante completa as instalações com DD marítimo. A operação neste modo é limitada apenas pelas reservas de combustível e pela capacidade de manter o regime térmico da instalação. Neste modo de funcionamento, o nível de pressão sonora próximo da instalação ultrapassa os 105 dBA.

Modo de operação do UPS

Neste modo, a fonte de energia é a rede externa. O motor-gerador, conectado através de um reator tanto à rede externa quanto à carga, opera no modo compensador síncrono, compensando dentro de certos limites a componente reativa da potência da carga. Em geral, uma instalação DDIBP ligada em série com uma rede externa, por definição, piora as suas características como fonte de tensão, aumentando a impedância interna equivalente. Neste modo de funcionamento, o nível de pressão sonora próximo da instalação é de cerca de 100 dBA.

Em caso de problemas com a rede externa, a unidade é desconectada dela, é dado um comando para ligar o motor diesel e a unidade passa para o modo DIESEL. Ressalta-se que a partida de um motor constantemente aquecido ocorre sem carga até que a velocidade de rotação do eixo do motor ultrapasse as demais partes da instalação com o fechamento da embreagem de avanço. O tempo típico para iniciar e atingir as velocidades operacionais do DD é de 3 a 5 segundos.

Modo de operação BYPASS

Se necessário, por exemplo, durante a manutenção, a potência da carga pode ser transferida para a linha de bypass diretamente da rede externa. A comutação para a linha de bypass e vice-versa ocorre com uma sobreposição no tempo de resposta dos dispositivos de comutação, o que permite evitar até mesmo uma perda de energia de curto prazo para a carga porque O sistema de controle se esforça para manter a fase entre a tensão de saída da instalação DDIBP e a rede externa. Neste caso, o modo de funcionamento da instalação em si não muda, ou seja, se o DD estava funcionando, ele continuará funcionando, ou a própria instalação foi alimentada por uma rede externa, então continuará.

modo de operação PARAR

Quando o comando STOP é dado, a alimentação da carga é comutada para a linha de bypass e a alimentação do motor-gerador e do dispositivo de armazenamento é interrompida. A instalação continua a rodar por inércia durante algum tempo e após parar entra em modo OFF.

Diagramas de conexão DDIBP e seus recursos

Instalação única

Esta é a opção mais simples para utilizar um DDIBP independente. A instalação pode ter duas saídas - NB (no break, alimentação ininterrupta) sem interrupção da alimentação e SB (short break, alimentação garantida) com interrupção de alimentação de curta duração. Cada uma das saídas pode ter seu próprio bypass (ver Fig. 1.).

Figura.1

A saída NB é geralmente conectada a uma carga crítica (TI, bombas de circulação de refrigeração, condicionadores de ar de precisão), e a saída SB é uma carga para a qual uma interrupção de curto prazo no fornecimento de energia não é crítica (resfriadores de refrigeração). Para evitar uma perda total de alimentação da carga crítica, a comutação da saída da instalação e do circuito bypass é realizada com sobreposição de tempo, e as correntes do circuito são reduzidas a valores seguros devido à complexa resistência da parte do enrolamento do reator.

Atenção especial deve ser dada à fonte de alimentação do DDIBP para a carga não linear, ou seja, carga, que se caracteriza pela presença de uma quantidade perceptível de harmônicos na composição espectral da corrente consumida. Devido às peculiaridades de funcionamento do gerador síncrono e ao diagrama de ligação, isso leva a uma distorção da forma de onda da tensão na saída da instalação, bem como à presença de componentes harmônicos da corrente consumida quando a instalação é alimentada por uma rede externa de tensão alternada.

Abaixo estão imagens do formato (ver Fig. 2) e análise harmônica da tensão de saída (ver Fig. 3) quando alimentado por uma rede externa. O coeficiente de distorção harmônica excedeu 10% com uma carga não linear modesta na forma de um conversor de frequência. Ao mesmo tempo, a instalação não passou para o modo diesel, o que confirma que o sistema de controle não monitora um parâmetro tão importante como o coeficiente de distorção harmônica da tensão de saída. De acordo com as observações, o nível de distorção harmônica não depende da potência da carga, mas da relação entre as potências da carga não linear e linear, e quando testado em uma carga térmica ativa pura, a forma da tensão na saída do a instalação é muito próxima da sinusoidal. Mas esta situação está muito longe da realidade, especialmente quando se trata de alimentar equipamentos de engenharia que incluem conversores de frequência e cargas de TI que possuem fontes chaveadas que nem sempre estão equipadas com correção de fator de potência (PFC).

Figura.2

Figura.3

Neste e nos diagramas subsequentes, três circunstâncias são dignas de nota:

Ligação galvânica entre a entrada e a saída da instalação.
O desequilíbrio da carga de fase da saída atinge a entrada.
A necessidade de medidas adicionais para reduzir os harmônicos da corrente de carga.
Componentes harmônicos da corrente de carga e distorção causada por transientes fluem da saída para a entrada.

Circuito paralelo

Para melhorar o sistema de alimentação, as unidades DDIBP podem ser conectadas em paralelo, conectando os circuitos de entrada e saída de unidades individuais. Ao mesmo tempo, é necessário compreender que a instalação perde a sua independência e passa a fazer parte do sistema quando as condições de sincronismo e de fase são satisfeitas; em física isto é referido numa palavra - coerência. Do ponto de vista prático, isto significa que todas as instalações incluídas no sistema devem funcionar no mesmo modo, ou seja, por exemplo, não é aceitável uma opção com funcionamento parcial a partir do DD e funcionamento parcial a partir da rede externa. Neste caso, é criada uma linha de bypass comum a todo o sistema (ver Fig. 4).

Com este esquema de conexão, existem dois modos potencialmente perigosos:

Conectar a segunda instalação e as subseqüentes ao barramento de saída do sistema, mantendo as condições de coerência.
Desconectar uma única instalação do barramento de saída mantendo as condições de coerência até que as chaves de saída sejam abertas.

Figura.4

Um desligamento de emergência de uma única instalação pode levar a uma situação em que ela começa a desacelerar, mas o dispositivo de comutação de saída ainda não foi aberto. Neste caso, em pouco tempo, a diferença de fase entre a instalação e o resto do sistema pode atingir valores de emergência, provocando um curto-circuito.

Você também precisa prestar atenção ao balanceamento de carga entre instalações individuais. Nos equipamentos aqui considerados, o balanceamento é realizado devido à característica de queda de carga do gerador. Devido à sua não idealidade e características não idênticas de instâncias de instalação entre instalações, a distribuição também é desigual. Além disso, ao se aproximar dos valores máximos de carga, a distribuição passa a ser influenciada por fatores aparentemente insignificantes como o comprimento das linhas conectadas, os pontos de ligação à rede de distribuição das instalações e cargas, bem como a qualidade (resistência de transição ) das próprias conexões.

Devemos sempre lembrar que os DDIBPs e os dispositivos de comutação são dispositivos eletromecânicos com um momento de inércia significativo e tempos de atraso perceptíveis em resposta às ações de controle do sistema de controle automático.

Circuito paralelo com conexão de “média” tensão

Neste caso, o gerador é conectado ao reator através de um transformador com relação de transformação adequada. Assim, o reator e as máquinas de comutação operam em um nível de tensão “médio” e o gerador opera em um nível de 0.4 kV (ver Fig. 5).

Figura.5

Com este caso de uso, você precisa prestar atenção à natureza da carga final e ao seu diagrama de conexão. Aqueles. se a carga final for conectada através de transformadores abaixadores, deve-se ter em mente que a conexão do transformador à rede de alimentação é muito provavelmente acompanhada por um processo de reversão da magnetização do núcleo, o que por sua vez causa um aumento no consumo de corrente e, conseqüentemente, uma queda de tensão (ver Fig. 6).

Equipamentos sensíveis podem não funcionar corretamente nesta situação.

Pelo menos a iluminação de baixa inércia pisca e os conversores de frequência do motor padrão são reiniciados.

Figura.6

Circuito com barramento de saída “dividido”

Para otimizar o número de instalações no sistema de alimentação, o fabricante propõe a utilização de um esquema com barramento de saída “split”, no qual as instalações são paralelas tanto na entrada quanto na saída, sendo cada instalação conectada individualmente a mais de um barramento de saída. Neste caso, o número de linhas de bypass deve ser igual ao número de barramentos de saída (ver Fig. 7).

Deve-se entender que os barramentos de saída não são independentes e estão conectados galvanicamente entre si através dos dispositivos de comutação de cada instalação.

Assim, apesar das garantias do fabricante, este circuito representa uma fonte de alimentação com redundância interna, no caso de circuito paralelo, possuindo diversas saídas interligadas galvanicamente.

Figura.7

Aqui, como no caso anterior, é necessário prestar atenção não apenas ao balanceamento de carga entre instalações, mas entre barramentos de saída.

Além disso, alguns clientes opõem-se categoricamente ao fornecimento de alimentos “sujos”, ou seja, usando um bypass para a carga em qualquer modo de operação. Com esta abordagem, por exemplo, em data centers, um problema (sobrecarga) em um dos raios leva a uma falha do sistema com o desligamento completo da carga útil.

Ciclo de vida do DDIBP e seu impacto no sistema de fornecimento de energia como um todo

Não devemos esquecer que as instalações DDIBP são dispositivos eletromecânicos que requerem atenção, para dizer o mínimo, atitude reverente e manutenção periódica.

O cronograma de manutenção inclui descomissionamento, desligamento, limpeza, lubrificação (uma vez a cada seis meses), bem como carregamento do gerador para carga de teste (uma vez por ano). Normalmente, leva dois dias úteis para atender uma instalação. E a ausência de um circuito especialmente projetado para conectar o gerador à carga de teste leva à necessidade de desenergizar a carga útil.

Por exemplo, tomemos um sistema redundante de 15 DDIUPS operando em paralelo conectados em tensão “média” a um barramento “split” duplo na ausência de um circuito dedicado para conectar a carga de teste.

Com esses dados iniciais, para atender o sistema por 30(!) dias corridos em modo de dias alternados, será necessário desenergizar um dos barramentos de saída para conectar a carga de teste. Assim, a disponibilidade de alimentação para a carga útil de um dos barramentos de saída é de -0,959, e na verdade até 0,92.

Além disso, retornar ao circuito de alimentação de carga útil padrão exigirá ligar o número necessário de transformadores abaixadores, o que, por sua vez, causará múltiplas quedas de tensão em todo o (!) sistema associado à reversão de magnetização dos transformadores.

Recomendações para usar DDIBP

Do exposto, surge uma conclusão nada reconfortante - na saída do sistema de alimentação usando um DDIBP, uma tensão ininterrupta de alta qualidade (!) está presente quando todas as seguintes condições são atendidas:

A fonte de alimentação externa não apresenta desvantagens significativas;
A carga do sistema é constante ao longo do tempo, de natureza ativa e linear (as duas últimas características não se aplicam a equipamentos de data center);
Não há distorções no sistema causadas pela troca de elementos reativos.

Para resumir, as seguintes recomendações podem ser formuladas:

Separe os sistemas de fornecimento de energia dos equipamentos de engenharia e de TI e divida estes últimos em subsistemas para minimizar a influência mútua.
Dedique uma rede separada para garantir a capacidade de atender uma única instalação com a capacidade de conectar uma carga de teste externa com capacidade igual a uma única instalação. Prepare o local e as instalações de cabos para conexão para esses fins.
Monitore constantemente o equilíbrio de carga entre barramentos de potência, instalações individuais e fases.
Evite usar transformadores abaixadores conectados à saída do DDIBP.
Teste e registre cuidadosamente a operação de dispositivos de automação e comutação de energia para coletar estatísticas.
Para verificar a qualidade do fornecimento de energia à carga, teste instalações e sistemas usando uma carga não linear.
Ao fazer a manutenção, desmonte as baterias de partida e teste-as individualmente, pois... Apesar da presença dos chamados equalizadores e do painel de inicialização de backup (RSP), devido a uma bateria com defeito, o DD pode não iniciar.
Tome medidas adicionais para minimizar os harmônicos da corrente de carga.
Documente os campos sonoros e térmicos das instalações, os resultados dos testes de vibração para uma resposta rápida às primeiras manifestações de vários tipos de problemas mecânicos.
Evite paradas prolongadas das instalações, tome medidas para distribuir uniformemente os recursos do motor.
Complete a instalação com sensores de vibração para evitar situações de emergência.
Se os campos sonoros e térmicos mudarem, surgirem vibrações ou odores estranhos, retire imediatamente as instalações de serviço para diagnósticos adicionais.

PS O autor ficaria grato por comentários sobre o tema do artigo.

Fonte: habr.com

Recursos de sistemas de fonte de alimentação usando DDIBP