Butsev I.V.
[chránené e-mailom]
Vlastnosti systémov napájania pomocou dieselových dynamických neprerušiteľných zdrojov energie (DDIUPS)
V nasledujúcej prezentácii sa autor pokúsi vyhnúť marketingovým klišé a bude sa spoliehať výlučne na praktické skúsenosti. DDIBP od HITEC Power Protection budú opísané ako testované subjekty.
Inštalačné zariadenie DDIBP
Zariadenie DDIBP z elektromechanického hľadiska vyzerá celkom jednoducho a predvídateľne.
Hlavným zdrojom energie je Diesel Engine (DE), s dostatočným výkonom, berúc do úvahy účinnosť inštalácie, pre dlhodobé nepretržité napájanie záťaže. To preto kladie pomerne prísne požiadavky na jeho spoľahlivosť, pripravenosť na spustenie a stabilitu prevádzky. Preto je úplne logické použiť lodné DD, ktoré predajca prefarbí zo žltej na vlastnú farbu.
Ako reverzibilný menič mechanickej energie na elektrickú energiu a späť je súčasťou inštalácie motorgenerátor s výkonom presahujúcim menovitý výkon zariadenia na zlepšenie predovšetkým dynamických charakteristík zdroja energie pri prechodových procesoch.
Keďže výrobca deklaruje neprerušiteľné napájanie, inštalácia obsahuje prvok, ktorý udržiava napájanie záťaže pri prechodoch z jedného prevádzkového režimu do druhého. Na tento účel slúži inerciálny akumulátor alebo indukčná spojka. Ide o masívne teleso, ktoré sa otáča vysokou rýchlosťou a akumuluje mechanickú energiu. Výrobca popisuje svoje zariadenie ako asynchrónny motor vo vnútri asynchrónneho motora. Tie. Existuje stator, vonkajší rotor a vnútorný rotor. Okrem toho je vonkajší rotor pevne spojený so spoločným hriadeľom zariadenia a otáča sa synchrónne s hriadeľom motorgenerátora. Vnútorný rotor sa navyše oproti vonkajšiemu otáča a je vlastne úložným zariadením. Na zabezpečenie sily a interakcie medzi jednotlivými časťami sa používajú kefové jednotky so zbernými krúžkami.
Na zabezpečenie prenosu mechanickej energie z motora na zvyšné časti inštalácie sa používa jednosmerná spojka.
Najdôležitejšou súčasťou inštalácie je automatický riadiaci systém, ktorý analýzou prevádzkových parametrov jednotlivých častí ovplyvňuje riadenie inštalácie ako celku.
Najdôležitejším prvkom inštalácie je tiež tlmivka, trojfázová tlmivka s navíjacou odbočkou, navrhnutá tak, aby integrovala inštaláciu do systému napájania a umožnila relatívne bezpečné prepínanie medzi režimami, obmedzujúce vyrovnávacie prúdy.
A nakoniec pomocné, ale v žiadnom prípade nie sekundárne subsystémy - vetranie, prívod paliva, chladenie a odvod plynov.
Prevádzkové režimy inštalácie DDIBP
Myslím, že by bolo užitočné opísať rôzne stavy inštalácie DDIBP:
- prevádzkový režim VYP
Mechanická časť inštalácie je nehybná. Napájanie je dodávané do riadiaceho systému, predhrievacieho systému motorového vozidla, systému plávajúceho nabíjania štartovacích batérií a recirkulačnej ventilačnej jednotky. Po predhriatí je inštalácia pripravená na spustenie.
- prevádzkový režim ŠTART
Po zadaní povelu ŠTART sa spustí DD, ktoré roztočí vonkajší rotor pohonu a motorgenerátor cez jednosmernú spojku. Keď sa motor zahreje, aktivuje sa jeho chladiaci systém. Po dosiahnutí prevádzkových otáčok sa vnútorný rotor pohonu začne roztáčať (nabíjať). Proces nabíjania úložného zariadenia sa nepriamo posudzuje podľa prúdu, ktorý spotrebuje. Tento proces trvá 5-7 minút.
Ak je k dispozícii externé napájanie, trvá nejaký čas na konečnú synchronizáciu s externou sieťou a keď sa dosiahne dostatočný stupeň zapojenia, inštalácia sa k nej pripojí.
DD zníži rýchlosť otáčania a prejde do chladiaceho cyklu, ktorý trvá asi 10 minút, po ktorom nasleduje zastavenie. Jednosmerná spojka sa rozpojí a ďalšie otáčanie zariadenia je podporované motorgenerátorom pri kompenzácii strát v akumulátore. Inštalácia je pripravená na napájanie záťaže a prepne sa do režimu UPS.
Pri absencii externého napájania je inštalácia pripravená na napájanie záťaže a vlastných potrieb z motorgenerátora a pokračuje v prevádzke v režime DIESEL.
- prevádzkový režim DIESEL
V tomto režime je zdrojom energie DD. Motor-generátor ním otáčaný poháňa záťaž. Motor-generátor ako zdroj napätia má výraznú frekvenčnú odozvu a má výraznú zotrvačnosť, reaguje s oneskorením na náhle zmeny veľkosti zaťaženia. Pretože Výrobca dopĺňa inštalácie s námornou prevádzkou DD v tomto režime je obmedzená iba zásobami paliva a schopnosťou udržiavať tepelné podmienky inštalácie. V tomto prevádzkovom režime hladina akustického tlaku v blízkosti inštalácie presahuje 105 dBA.
- Prevádzkový režim UPS
V tomto režime je zdrojom energie externá sieť. Motor-generátor, pripojený cez tlmivku k vonkajšej sieti aj k záťaži, pracuje v režime synchrónneho kompenzátora, ktorý v určitých medziach kompenzuje jalovú zložku výkonu záťaže. Vo všeobecnosti inštalácia DDIBP zapojená do série s externou sieťou podľa definície zhoršuje jej charakteristiky ako zdroja napätia, čím sa zvyšuje ekvivalentná interná impedancia. V tomto prevádzkovom režime je hladina akustického tlaku v blízkosti inštalácie približne 100 dBA.
V prípade problémov s externou sieťou je jednotka od nej odpojená, je zadaný príkaz na spustenie naftového motora a jednotka sa prepne do režimu DIESEL. Treba poznamenať, že spustenie neustále zahrievaného motora nastáva bez zaťaženia, kým rýchlosť otáčania hriadeľa motora neprekročí zostávajúce časti inštalácie so zatvorením presuvnej spojky. Typický čas na spustenie a dosiahnutie prevádzkovej rýchlosti DD je 3-5 sekúnd.
- Prevádzkový režim BYPASS
V prípade potreby, napríklad pri údržbe, možno výkon záťaže preniesť na obtokovú linku priamo z vonkajšej siete. Prepnutie na obtokovú linku a späť nastáva s prekrytím doby odozvy spínacích zariadení, čo umožňuje vyhnúť sa aj krátkodobej strate napájania záťaže, pretože Riadiaci systém sa snaží udržiavať fázu medzi výstupným napätím inštalácie DDIBP a externou sieťou. V tomto prípade sa nemení prevádzkový režim samotnej inštalácie, t.j. ak DD fungoval, tak bude fungovať ďalej, alebo samotná inštalácia bola napájaná z externej siete, tak bude pokračovať.
- prevádzkový režim STOP
Po zadaní príkazu STOP sa napájanie záťaže prepne na obtokové vedenie a preruší sa napájanie motorgenerátora a zásobníka. Inštalácia ešte nejaký čas rotuje zotrvačnosťou a po zastavení prejde do režimu OFF.
Schémy zapojenia DDIBP a ich vlastnosti
Jednoduchá inštalácia
Toto je najjednoduchšia možnosť použitia nezávislého DDIBP. Inštalácia môže mať dva výstupy - NB (bez prerušenia, neprerušiteľné napájanie) bez prerušenia napájania a SB (krátka prestávka, garantovaný výkon) s krátkodobým prerušením napájania. Každý z výstupov môže mať vlastný bypass (viď obr. 1.).
Obr
Výstup NB je zvyčajne pripojený na kritickú záťaž (IT, obehové čerpadlá chladenia, presné klimatizácie) a výstup SB je záťaž, pre ktorú nie je kritické krátkodobé prerušenie napájania (chladiace jednotky). Aby sa predišlo úplnej strate napájania kritickej záťaže, prepínanie inštalačného výstupu a bypassového obvodu sa vykonáva s časovým prekrytím a obvodové prúdy sú znížené na bezpečné hodnoty v dôsledku zložitého odporu časti. vinutia reaktora.
Osobitnú pozornosť treba venovať napájaniu z DDIBP do nelineárnej záťaže, t.j. zaťaženie, ktoré sa vyznačuje prítomnosťou značného množstva harmonických v spektrálnom zložení spotrebovaného prúdu. Vzhľadom na zvláštnosti činnosti synchrónneho generátora a schémy zapojenia to vedie k skresleniu priebehu napätia na výstupe zariadenia, ako aj k prítomnosti harmonických zložiek spotrebovaného prúdu, keď je zariadenie napájané z externá sieť striedavého napätia.
Nižšie sú obrázky tvaru (pozri obr. 2) a harmonická analýza výstupného napätia (pozri obr. 3) pri napájaní z externej siete. Koeficient harmonického skreslenia presiahol 10 % pri miernom nelineárnom zaťažení vo forme frekvenčného meniča. Inštalácia zároveň neprešla do dieselového režimu, čo potvrdzuje, že riadiaci systém nesleduje taký dôležitý parameter, akým je koeficient harmonického skreslenia výstupného napätia. Podľa pozorovaní nezávisí úroveň harmonického skreslenia od výkonu záťaže, ale od pomeru výkonov nelineárnej a lineárnej záťaže a pri testovaní na čisto aktívnej tepelnej záťaži tvar napätia na výstupe záťaže. inštalácia je skutočne blízka sínusoide. Táto situácia je však veľmi vzdialená realite, najmä pokiaľ ide o napájanie technických zariadení, ktoré zahŕňajú frekvenčné meniče, a IT záťaže, ktoré majú spínané zdroje, ktoré nie sú vždy vybavené korekciou účinníka (PFC).
Obr
Obr
V tomto a nasledujúcich diagramoch sú pozoruhodné tri okolnosti:
- Galvanické prepojenie medzi vstupom a výstupom inštalácie.
- Nevyváženosť fázovej záťaže z výstupu dosiahne vstup.
- Potreba dodatočných opatrení na zníženie harmonických prúdov záťaže.
- Harmonické zložky prúdu záťaže a skreslenie spôsobené prechodnými javmi prúdia z výstupu na vstup.
Paralelný obvod
Pre vylepšenie napájacieho systému je možné jednotky DDIBP zapájať paralelne, pričom prepájajú vstupné a výstupné obvody jednotlivých jednotiek. Zároveň je potrebné pochopiť, že inštalácia stráca svoju nezávislosť a stáva sa súčasťou systému, keď sú splnené podmienky synchronizácie a fázy, vo fyzike sa to hovorí jedným slovom - koherencia. Z praktického hľadiska to znamená, že všetky inštalácie zahrnuté v systéme musia fungovať v rovnakom režime, teda napríklad variant s čiastočnou prevádzkou z DD a čiastočná prevádzka z vonkajšej siete nie je prijateľná. V tomto prípade je obtokové vedenie vytvorené spoločné pre celý systém (pozri obr. 4).
S touto schémou pripojenia existujú dva potenciálne nebezpečné režimy:
- Pripojenie druhej a ďalšej inštalácie k výstupnej zbernici systému pri zachovaní podmienok koherencie.
- Odpojenie jedinej inštalácie od výstupnej zbernice pri zachovaní podmienok koherencie, kým sa výstupné spínače neotvoria.
Obr
Núdzové vypnutie jedinej inštalácie môže viesť k situácii, že sa začne spomaľovať, ale výstupné spínacie zariadenie sa ešte neotvorilo. V tomto prípade môže v krátkom čase fázový rozdiel medzi inštaláciou a zvyškom systému dosiahnuť núdzové hodnoty, čo spôsobí skrat.
Pozor si treba dať aj na rozloženie záťaže medzi jednotlivými inštaláciami. V zariadení, ktoré je tu uvažované, sa vyváženie vykonáva v dôsledku charakteristiky klesajúceho zaťaženia generátora. V dôsledku neideálnosti a neidentických charakteristík inštancií inštalácie medzi inštaláciami je aj rozloženie nerovnomerné. Navyše, pri približovaní sa k maximálnym hodnotám zaťaženia rozvody začínajú ovplyvňovať také zdanlivo nepodstatné faktory, akými sú dĺžka pripojených vedení, miesta napojenia na rozvodnú sieť inštalácií a záťaží, ako aj kvalita (prechodový odpor ) samotných spojení.
Vždy musíme pamätať na to, že DDIBP a spínacie zariadenia sú elektromechanické zariadenia s významným momentom zotrvačnosti a výraznými časmi oneskorenia v reakcii na riadiace činnosti z automatického riadiaceho systému.
Paralelný obvod so „stredným“ napätím
V tomto prípade je generátor pripojený k reaktoru cez transformátor s vhodným transformačným pomerom. Reaktor a spínacie stroje teda pracujú na „priemernej“ úrovni napätia a generátor pracuje na úrovni 0.4 kV (pozri obr. 5).
Obr
V tomto prípade použitia musíte venovať pozornosť povahe konečného zaťaženia a jeho schéme zapojenia. Tie. ak je koncová záťaž pripojená cez znižovacie transformátory, treba mať na pamäti, že pripojenie transformátora k napájacej sieti je s vysokou pravdepodobnosťou sprevádzané procesom obrátenia magnetizácie jadra, čo následne spôsobí nárast spotreby prúdu a následne pokles napätia (pozri obr. 6).
Citlivé zariadenie nemusí v tejto situácii fungovať správne.
Aspoň zabliká kontrolka s nízkou zotrvačnosťou a reštartujú sa predvolené frekvenčné meniče motora.
Obr
Obvod s „delenou“ výstupnou zbernicou
Aby sa optimalizoval počet inštalácií v napájacom systéme, výrobca navrhuje použiť schému s „delenou“ výstupnou zbernicou, v ktorej sú inštalácie paralelné na vstupe aj výstupe, pričom každá inštalácia je individuálne pripojená k viac ako jednej výstupná zbernica. V tomto prípade musí byť počet bypassových liniek rovný počtu výstupných zberníc (pozri obr. 7).
Je potrebné si uvedomiť, že výstupné zbernice nie sú nezávislé a sú navzájom galvanicky spojené cez spínacie zariadenia každej inštalácie.
Tento obvod teda napriek ubezpečeniam výrobcu predstavuje jeden napájací zdroj s vnútornou redundanciou, v prípade paralelného obvodu s niekoľkými galvanicky prepojenými výstupmi.
Obr
Tu, rovnako ako v predchádzajúcom prípade, je potrebné dbať nielen na vyrovnávanie záťaže medzi inštaláciami, ale medzi výstupnými zbernicami.
Niektorí zákazníci tiež kategoricky namietajú proti dodávke “špinavých” potravín, t.j. pomocou bypassu k záťaži v akomkoľvek prevádzkovom režime. Pri tomto prístupe, napríklad v dátových centrách, vedie problém (preťaženie) na jednom z lúčov k zrúteniu systému s úplným vypnutím užitočného zaťaženia.
Životný cyklus DDIBP a jeho vplyv na napájací systém ako celok
Nesmieme zabúdať, že inštalácie DDIBP sú elektromechanické zariadenia, ktoré si vyžadujú prinajmenšom pozorný prístup a pravidelnú údržbu.
Plán údržby zahŕňa vyradenie z prevádzky, odstavenie, čistenie, mazanie (raz za šesť mesiacov), ako aj zaťaženie generátora na skúšobnú záťaž (raz ročne). Servis jednej inštalácie zvyčajne trvá dva pracovné dni. A absencia špeciálne navrhnutého obvodu na pripojenie generátora k testovacej záťaži vedie k potrebe odpojiť užitočné zaťaženie.
Vezmime si napríklad redundantný systém 15 paralelne pracujúcich DDIUPS pripojených pri „priemernom“ napätí k dvojitej „delenej“ zbernici bez vyhradeného obvodu na pripojenie testovacej záťaže.
S takýmito počiatočnými údajmi bude potrebné na obsluhu systému počas 30(!) kalendárnych dní v režime každý druhý deň odpojiť jednu z výstupných zberníc na pripojenie testovacej záťaže. Dostupnosť napájania užitočného zaťaženia jednej z výstupných zberníc je teda - 0,959 av skutočnosti dokonca 0,92.
Navyše, návrat k štandardnému napájaciemu obvodu užitočného zaťaženia bude vyžadovať zapnutie požadovaného počtu znižovacích transformátorov, čo následne spôsobí viacnásobné poklesy napätia v celom (!) systéme spojené s reverzáciou magnetizácie transformátorov.
Odporúčania na používanie DDIBP
Z vyššie uvedeného vyplýva neutešujúci záver - na výstupe napájacieho systému pomocou DDIBP je prítomné kvalitné (!) neprerušované napätie pri splnení všetkých nasledujúcich podmienok:
- Externé napájanie nemá žiadne významné nevýhody;
- Zaťaženie systému je v priebehu času konštantné, aktívne a lineárne (posledné dve charakteristiky sa nevzťahujú na zariadenia dátového centra);
- V systéme nie sú žiadne skreslenia spôsobené spínaním reaktívnych prvkov.
Aby sme to zhrnuli, možno sformulovať nasledujúce odporúčania:
- Oddeľte napájacie systémy inžinierskych a IT zariadení a rozdeľte ich na podsystémy, aby sa minimalizovalo vzájomné ovplyvňovanie.
- Vyhraďte samostatnú sieť, aby ste zaistili schopnosť obsluhy jedinej inštalácie s možnosťou pripojenia vonkajšej testovacej záťaže s kapacitou rovnajúcou sa jednej inštalácii. Na tieto účely pripravte miesto a káblové zariadenia na pripojenie.
- Neustále monitorujte rovnováhu záťaže medzi napájacími zbernicami, jednotlivými inštaláciami a fázami.
- Vyhnite sa používaniu znižovacích transformátorov pripojených k výstupu DDIBP.
- Starostlivo otestujte a zaznamenajte prevádzku automatizačných a spínacích zariadení, aby ste mohli zbierať štatistiky.
- Na overenie kvality napájania záťaže otestujte inštalácie a systémy pomocou nelineárnej záťaže.
- Pri servise demontujte štartovacie batérie a jednotlivo ich vyskúšajte, pretože... Napriek prítomnosti takzvaných ekvalizérov a záložného štartovacieho panelu (RSP) sa kvôli jednej chybnej batérii nemusí DD spustiť.
- Vykonajte dodatočné opatrenia na minimalizáciu harmonických prúdov záťaže.
- Zdokumentujte zvukové a tepelné polia inštalácií, výsledky vibračných testov pre rýchlu reakciu na prvé prejavy rôznych druhov mechanických problémov.
- Vyhnite sa dlhodobým prestojom inštalácií, prijmite opatrenia na rovnomerné rozloženie zdrojov motora.
- Dokončite inštaláciu snímačmi vibrácií, aby ste predišli núdzovým situáciám.
- Ak sa zmenia zvukové a tepelné polia, objavia sa vibrácie alebo cudzie pachy, okamžite vyraďte zariadenia z prevádzky na ďalšiu diagnostiku.
PS Autor by bol vďačný za spätnú väzbu k téme článku.
Zdroj: hab.com