Funktioner hos strömförsörjningssystem som använder DDIBP

Butsev I.V.
[e-postskyddad]

Funktioner hos strömförsörjningssystem som använder Diesel Dynamic Uninterruptible Power Sources (DDIUPS)

I följande presentation kommer författaren att försöka undvika marknadsföringsklyschor och kommer enbart att förlita sig på praktisk erfarenhet. DDIBP från HITEC Power Protection kommer att beskrivas som testpersoner.

DDIBP installationsenhet

DDIBP-anordningen, ur en elektromekanisk synvinkel, ser ganska enkel och förutsägbar ut.
Den huvudsakliga energikällan är en dieselmotor (DE), med tillräcklig effekt, med hänsyn till installationens effektivitet, för långvarig kontinuerlig strömförsörjning till lasten. Detta ställer följaktligen ganska stränga krav på dess tillförlitlighet, beredskap att starta och driftstabilitet. Därför är det helt logiskt att använda fartygs-DD:er, som säljaren målar om från gul till sin egen färg.

Som en reversibel omvandlare av mekanisk energi till elektrisk energi och tillbaka, inkluderar installationen en motorgenerator med en effekt som överstiger installationens märkeffekt för att först och främst förbättra kraftkällans dynamiska egenskaper under transienta processer.

Eftersom tillverkaren hävdar avbrottsfri strömförsörjning, innehåller installationen ett element som upprätthåller ström till lasten under övergångar från ett driftläge till ett annat. En tröghetsackumulator eller induktionskoppling tjänar detta syfte. Det är en massiv kropp som roterar i hög hastighet och ackumulerar mekanisk energi. Tillverkaren beskriver sin enhet som en asynkronmotor inuti en asynkronmotor. De där. Det finns en stator, en yttre rotor och en inre rotor. Dessutom är den yttre rotorn fast ansluten till installationens gemensamma axel och roterar synkront med motorgeneratorns axel. Den interna rotorn snurrar dessutom i förhållande till den externa och är faktiskt en lagringsenhet. För att ge kraft och samverkan mellan de enskilda delarna används borstenheter med släpringar.

För att säkerställa överföringen av mekanisk energi från motorn till de återstående delarna av installationen används en frikörningskoppling.

Den viktigaste delen av installationen är det automatiska styrsystemet, som, genom att analysera driftsparametrarna för enskilda delar, påverkar kontrollen av installationen som helhet.
Det viktigaste elementet i installationen är också en reaktor, en trefasdrossel med en lindningskran, utformad för att integrera installationen i strömförsörjningssystemet och möjliggöra relativt säker växling mellan lägen, vilket begränsar utjämningsströmmar.
Och slutligen, extra, men inte på något sätt sekundära delsystem - ventilation, bränsleförsörjning, kylning och gasavgaser.

Driftlägen för DDIBP-installationen

Jag tror att det skulle vara användbart att beskriva de olika tillstånden för en DDIBP-installation:

• driftläge AV

Den mekaniska delen av installationen är orörlig. Ström tillförs styrsystemet, motorfordonets förvärmningssystem, flytladdningssystemet för startbatterier och recirkulationsventilationsaggregatet. Efter förvärmning är installationen redo att starta.

• driftläge START

När START-kommandot ges startar DD, som snurrar den yttre rotorn på drivenheten och motorgeneratorn genom friloppskopplingen. När motorn värms upp aktiveras dess kylsystem. Efter att ha uppnått driftshastighet börjar drivenhetens inre rotor snurra upp (laddas). Processen att ladda en lagringsenhet bedöms indirekt av strömmen den förbrukar. Denna process tar 5-7 minuter.

Om extern ström är tillgänglig tar det lite tid för den slutliga synkroniseringen med det externa nätverket och, när en tillräcklig grad av infas uppnåtts, ansluts installationen till det.

DD minskar rotationshastigheten och går in i en kylcykel, som tar cirka 10 minuter, följt av ett stopp. Friloppskopplingen kopplas ur och ytterligare rotation av installationen stöds av motorgeneratorn samtidigt som den kompenserar för förluster i ackumulatorn. Installationen är redo att driva lasten och växlar till UPS-läge.

I avsaknad av extern strömförsörjning är installationen redo att driva lasten och sina egna behov från motorgeneratorn och fortsätter att arbeta i DIESEL-läge.

• driftläge DIESEL

I detta läge är energikällan DD. Motorgeneratorn som roteras av den driver lasten. Motorgeneratorn som spänningskälla har ett uttalat frekvenssvar och har märkbar tröghet, som svarar med en fördröjning på plötsliga förändringar i laststorlek. Därför att Tillverkaren slutför installationerna med marin DD-drift i detta läge begränsas endast av bränslereserver och förmågan att upprätthålla installationens termiska förhållanden. I detta driftläge överstiger ljudtrycksnivån nära installationen 105 dBA.

• UPS driftläge

I detta läge är energikällan det externa nätverket. Motorgeneratorn, ansluten via en reaktor till både det externa nätverket och lasten, arbetar i synkron kompensatorläge och kompenserar inom vissa gränser den reaktiva komponenten av lasteffekten. I allmänhet försämrar en DDIBP-installation ansluten i serie med ett externt nätverk, per definition, dess egenskaper som spänningskälla, vilket ökar den ekvivalenta interna impedansen. I detta driftläge är ljudtrycksnivån nära installationen cirka 100 dBA.

Vid problem med det externa nätverket kopplas enheten från det, ett kommando ges för att starta dieselmotorn och enheten växlar till DIESEL-läge. Det bör noteras att lanseringen av en konstant uppvärmd motor sker utan belastning tills motoraxelns rotationshastighet överstiger de återstående delarna av installationen med stängningen av frikopplingskopplingen. Den typiska tiden för att starta upp och uppnå driftshastigheter för DD är 3-5 sekunder.

• BYPASS driftläge

Vid behov, till exempel vid underhåll, kan lasteffekten överföras till bypassledningen direkt från det externa nätet. Växling till bypass-linjen och tillbaka sker med en överlappning i svarstiden för omkopplingsanordningarna, vilket gör att du kan undvika även en kortvarig effektförlust till lasten eftersom Styrsystemet strävar efter att hålla i fas mellan utspänningen från DDIBP-installationen och det externa nätverket. I det här fallet ändras inte driftläget för själva installationen, d.v.s. om DD:n fungerade, kommer den att fortsätta att fungera, eller om själva installationen strömförs från ett externt nätverk, kommer den att fortsätta.

• driftläge STOPP

När STOPP-kommandot ges, kopplas lasteffekten till bypassledningen och strömförsörjningen till motorgeneratorn och lagringsenheten avbryts. Installationen fortsätter att rotera av tröghet under en tid och efter stopp går den till AV-läge.

DDIBP anslutningsdiagram och deras funktioner

Enkel installation

Detta är det enklaste alternativet för att använda en oberoende DDIBP. Installationen kan ha två utgångar - OBS (inget avbrott, avbrottsfri ström) utan att strömförsörjningen avbryts och SB (kort avbrott, garanterad ström) med ett kortvarigt strömavbrott. Var och en av utgångarna kan ha sin egen bypass (se fig. 1.).

Figur 1

NB-utgången är vanligtvis kopplad till en kritisk belastning (IT, kylcirkulationspumpar, precisionsklimatanläggningar), och SB-utgången är en belastning för vilken ett kortvarigt avbrott i strömförsörjningen inte är kritiskt (kylaggregat). För att undvika en fullständig förlust av strömförsörjningen till den kritiska belastningen utförs omkopplingen av installationsutgången och bypass-kretsen med tidsöverlappning, och kretsströmmarna reduceras till säkra värden på grund av det komplexa motståndet hos en del av reaktorlindningen.

Särskild uppmärksamhet bör ägnas åt strömförsörjningen från DDIBP till den olinjära belastningen, dvs. belastning, som kännetecknas av närvaron av en märkbar mängd övertoner i den spektrala sammansättningen av den förbrukade strömmen. På grund av särdragen i driften av den synkrona generatorn och anslutningsschemat leder detta till en förvrängning av spänningsvågformen vid installationens utgång, såväl som närvaron av harmoniska komponenter i den förbrukade strömmen när installationen drivs från ett externt växelspänningsnät.

Nedan finns bilder av formen (se fig. 2) och harmonisk analys av utspänningen (se fig. 3) när den drivs från ett externt nätverk. Den harmoniska distorsionskoefficienten översteg 10 % med en blygsam olinjär belastning i form av en frekvensomformare. Samtidigt gick inte installationen över till dieselläge, vilket bekräftar att styrsystemet inte övervakar en så viktig parameter som den harmoniska distorsionskoefficienten för utspänningen. Enligt observationer beror nivån på harmonisk distorsion inte på belastningseffekten, utan på förhållandet mellan styrkorna hos den olinjära och linjära belastningen, och när den testas på en ren aktiv, termisk belastning, spänningsformen vid utgången av installationen är verkligen nära sinusformad. Men den här situationen är väldigt långt ifrån verkligheten, särskilt när det gäller att driva teknisk utrustning som inkluderar frekvensomvandlare, och IT-laster som har switchande strömförsörjningar som inte alltid är utrustade med en effektfaktorkorrigering (PFC).

Figur 2

Figur 3

I detta och efterföljande diagram är tre omständigheter anmärkningsvärda:

• Galvanisk anslutning mellan installationens ingång och utgång.
• Fasbelastningens obalans från utgången når ingången.
• Behovet av ytterligare åtgärder för att minska lastströmsövertonerna.
• Harmoniska komponenter i belastningsströmmen och distorsion orsakad av transienter flyter från utgången till ingången.

Parallell krets

För att förbättra strömförsörjningssystemet kan DDIBP-enheter kopplas parallellt och koppla in- och utgångskretsarna för enskilda enheter. Samtidigt är det nödvändigt att förstå att installationen förlorar sitt oberoende och blir en del av systemet när villkoren för synkronism och i-fas är uppfyllda, i fysiken hänvisas detta till med ett ord - koherens. Ur praktisk synvinkel innebär detta att alla installationer som ingår i systemet måste fungera i samma läge, det vill säga till exempel är ett alternativ med deldrift från DD och deldrift från det externa nätverket inte acceptabelt. I detta fall skapas förbikopplingsledningen gemensam för hela systemet (se fig. 4).

Med detta anslutningsschema finns det två potentiellt farliga lägen:

• Anslutning av den andra och efterföljande installationerna till systemets utgångsbussen med bibehållen koherens.
• Koppla bort en enskild installation från utgångsbussen samtidigt som koherensförhållandena bibehålls tills utgångsbrytarna öppnas.

Figur 4

En nödavstängning av en enskild installation kan leda till en situation där den börjar sakta ner, men utgångsomkopplaren har ännu inte öppnats. I det här fallet, på kort tid, kan fasskillnaden mellan installationen och resten av systemet nå nödvärden, vilket orsakar en kortslutning.

Du måste också vara uppmärksam på lastbalansering mellan enskilda installationer. I den utrustning som betraktas här utförs balansering på grund av generatorns fallande lastkarakteristik. På grund av dess icke-idealitet och icke-identiska egenskaper hos installationsinstanser mellan installationer är fördelningen också ojämn. Dessutom, när man närmar sig de maximala belastningsvärdena, börjar fördelningen att påverkas av sådana till synes obetydliga faktorer som längden på de anslutna linjerna, anslutningspunkterna till distributionsnätet för installationer och laster, såväl som kvaliteten (övergångsmotstånd ) av själva anslutningarna.

Vi måste alltid komma ihåg att DDIBP:er och omkopplingsanordningar är elektromekaniska anordningar med ett betydande tröghetsmoment och märkbara fördröjningstider som svar på styråtgärder från det automatiska styrsystemet.

Parallell krets med mellanspänningsanslutning

I detta fall är generatorn ansluten till reaktorn genom en transformator med ett lämpligt omvandlingsförhållande. Således arbetar reaktorn och omkopplingsmaskinerna på en "genomsnittlig" spänningsnivå och generatorn arbetar på en nivå av 0.4 kV (se fig. 5).

Figur 5

Med detta användningsfall måste du vara uppmärksam på den slutliga lastens karaktär och dess anslutningsschema. De där. om den slutliga belastningen är ansluten via nedtrappade transformatorer, måste man komma ihåg att anslutning av transformatorn till matningsnätet med stor sannolikhet åtföljs av en magnetiseringsomkastningsprocess av kärnan, vilket i sin tur orsakar en inströmning av strömförbrukning och, följaktligen ett spänningsfall (se fig. 6).

Känslig utrustning kanske inte fungerar korrekt i denna situation.

Åtminstone blinkar lågtröghetsbelysningen och standardmotorns frekvensomformare startas om.

Figur 6

Krets med en "delad" utgångsbuss

För att optimera antalet installationer i strömförsörjningssystemet, föreslår tillverkaren att använda ett schema med en "delad" utgångsbuss, där installationerna är parallella både i ingång och utgång, med varje installation individuellt ansluten till mer än en utgångsbuss. I detta fall måste antalet förbikopplingsledningar vara lika med antalet utgångsbussar (se fig. 7).

Det måste förstås att utgångsbussarna inte är oberoende och är galvaniskt anslutna till varandra genom omkopplingsanordningarna i varje installation.

Således, trots tillverkarens försäkringar, representerar denna krets en strömförsörjning med intern redundans, i fallet med en parallellkrets, med flera galvaniskt sammankopplade utgångar.

Figur 7

Här, som i det tidigare fallet, är det nödvändigt att vara uppmärksam inte bara på lastbalansering mellan installationer, utan mellan utgångsbussar.

Vissa kunder invänder också kategoriskt mot utbudet av "smutsig" mat, dvs. med hjälp av en bypass till lasten i valfritt driftläge. Med detta tillvägagångssätt, till exempel i datacenter, leder ett problem (överbelastning) på en av ekrarna till en systemkrasch med en fullständig avstängning av nyttolasten.

Livscykeln för DDIBP och dess inverkan på strömförsörjningssystemet som helhet

Vi får inte glömma att DDIBP-installationer är elektromekaniska anordningar som kräver uppmärksam, minst sagt, vördnadsfull attityd och periodiskt underhåll.

Underhållsschemat inkluderar avveckling, avstängning, rengöring, smörjning (en gång var sjätte månad), samt lastning av generatorn till en provbelastning (en gång per år). Det tar vanligtvis två arbetsdagar att serva en installation. Och frånvaron av en specialdesignad krets för att ansluta generatorn till testbelastningen leder till behovet av att avaktivera nyttolasten.

Låt oss till exempel ta ett redundant system med 15 parallellt arbetande DDIUPS anslutna med "medelspänning" till en dubbel "delad" buss i frånvaro av en dedikerad krets för anslutning av testbelastningen.

Med sådana initiala data, för att betjäna systemet under 30(!) kalenderdagar i varannan dagsläge, kommer det att vara nödvändigt att koppla bort en av utgångsbussarna för att ansluta testbelastningen. Således är tillgängligheten av strömförsörjning till nyttolasten för en av utgångsbussarna - 0,959, och faktiskt till och med 0,92.

Dessutom kommer att återgå till den vanliga strömförsörjningskretsen för nyttolast att kräva att det erforderliga antalet nedtrappade transformatorer slås på, vilket i sin tur kommer att orsaka flera spänningsfall genom hela(!) systemet associerat med magnetiseringsomkastning av transformatorerna.

Rekommendationer för användning av DDIBP

Av ovanstående antyder en inte tröstande slutsats sig själv - vid utgången av strömförsörjningssystemet som använder en DDIBP, är högkvalitativ (!) oavbruten spänning närvarande när alla följande villkor är uppfyllda:

• Extern strömförsörjning har inga betydande nackdelar;
• Systembelastningen är konstant över tiden, aktiv och linjär till sin natur (de två sista egenskaperna gäller inte för datacenterutrustning);
• Det finns inga störningar i systemet orsakade av omkoppling av reaktiva element.

För att sammanfatta kan följande rekommendationer formuleras:

• Separera strömförsörjningssystemen för ingenjörs- och IT-utrustning och dela upp de senare i delsystem för att minimera ömsesidig påverkan.
• Dedikera ett separat nätverk för att säkerställa möjligheten att serva en enskild installation med möjligheten att ansluta en utomhustestlast med en kapacitet lika med en enskild installation. Förbered platsen och kabelanläggningar för anslutning för dessa ändamål.
• Övervaka ständigt lastbalansen mellan kraftbussar, enskilda installationer och faser.
• Undvik att använda nedtrappade transformatorer anslutna till utgången på DDIBP.
• Testa och registrera noggrant driften av automations- och strömbrytare för att samla in statistik.
• För att verifiera kvaliteten på strömförsörjningen till lasten, testa installationer och system med en icke-linjär last.
• Vid service, plocka isär startbatterierna och testa dem individuellt, eftersom... Trots närvaron av så kallade utjämnare och en backup-startpanel (RSP) kan det hända att DD inte startar på grund av ett defekt batteri.
• Vidta ytterligare åtgärder för att minimera belastningsströmövertoner.
• Dokumentera ljud- och termiska fält för installationer, resultaten av vibrationstester för ett snabbt svar på de första manifestationerna av olika typer av mekaniska problem.
• Undvik långvariga stillestånd av installationer, vidta åtgärder för att fördela motorresurserna jämnt.
• Komplettera installationen med vibrationssensorer för att förhindra nödsituationer.
• Om ljud och termiska fält förändras, vibrationer eller främmande lukt uppstår, ta omedelbart installationerna ur drift för vidare diagnostik.

PS Författaren skulle vara tacksam för feedback om ämnet för artikeln.

Källa: will.com