🥇Особливості систем електропостачання із застосуванням ДДІБП

Буцев І.В.
[захищено електронною поштою]

Особливості систем електропостачання із застосуванням Дизельних Динамічних Джерел Безперебійного Живлення (ДДІБП)

У наведеному нижче викладі автор постарається уникнути маркетингових кліше і спиратиметься виключно на практичний досвід. Як піддослідні будуть описані ДДІБП компанії HITEC Power Protection.

Пристрій встановлення ДДІБП

Пристрій ДДІБП, з погляду електромеханіка, виглядає досить просто та передбачувано.
Основним джерелом енергії є Дизельний Двигун (ДД), з достатньою потужністю, з урахуванням ККД установки, для тривалого безперервного живлення навантаження. Це відповідно накладає досить жорсткі вимоги до його надійності, готовності до запуску та стабільності роботи. Тому цілком логічним є застосування суднових ДД, які вендор перефарбовує із жовтого у свій колір.

В якості оборотного перетворювача механічної енергії в електричну і назад до складу установки входить мотор-генератор з потужністю перевищує паспортну потужність установки для поліпшення, перш за все, динамічних характеристик джерела живлення при перехідних процесах.

Так як виробник заявляє про безперебійність живлення, то в установці присутній елемент, що підтримує живлення навантаження при переходах з одного режиму роботи до іншого. Цій меті є інерційний накопичувач або індукційна муфта. Він є масивним тілом, що обертається на високій швидкості і накопичує механічну енергію. Виробник описує його пристрій як асинхронний двигун усередині асинхронного двигуна. Тобто. є статор, зовнішній ротор та внутрішній ротор. При чому зовнішній ротор жорстко пов'язаний із загальним валом установки та обертається синхронно із валом мотор-генератора. Внутрішній ротор додатково розкручується щодо зовнішнього та є власне накопичувачем. Для забезпечення живленням та взаємодії між окремими частинами служать щіткові вузли з струмознімальними кільцями.

Для забезпечення передачі механічної енергії від ДД до інших частин установки служить обгінна муфта.

Найважливішою частиною установки є система автоматичного управління, яка, аналізуючи параметри роботи окремих частин, впливає на управління установкою загалом.
Також найважливіший елемент установки - реактор, трифазний дросель з відведенням обмотки, призначений для інтеграції установки в систему енергопостачання і що дозволяє безпечно перемикатися між режимами, обмежуючи вирівнюючі струми.
І нарешті, допоміжні, але аж ніяк не другорядні підсистеми – вентиляції, паливопостачання, охолодження та газових лопа.

Режими роботи установки ДДІБП

Вважаю, було б корисним описати різні стани установки ДДІБП:

режим роботи ВИМКНЕНО

Механічна частина установки знаходиться без руху. Живлення подано на систему управління, систему попереднього прогріву ДД, систему заряду стартерних батарей, рециркуляційну вентиляційну установку. Після попереднього прогрівання установка готова до запуску.

режим роботи ЗАПУСК

Під час подачі команди СТАРТ відбувається запуск ДД, який через обгінну муфту розкручує зовнішній ротор накопичувача та мотор-генератор. У міру прогріву ДД активується система охолодження. Після виходу робочі обороти починає розкручуватися (заряджатися) внутрішній ротор накопичувача. Про процес зарядки накопичувача побічно судять по споживаному ним струму. Цей процес займає 5-7 хвилин.

За наявності зовнішнього живлення якийсь час йде на остаточну синхронізацію із зовнішньою мережею і при досягненні достатнього ступеня синфазності установка підключається до неї.

ДД знижує частоту обертання і переходить у цикл охолодження, який займає близько 10 хвилин, з наступною зупинкою. Обгінна муфта розчеплюється і подальше обертання установки підтримується мотор-генератором з одночасною компенсацією втрат накопичувача. Установка готова запитати навантаження та переходить у режим ДБЖ.

За відсутності зовнішнього електропостачання установка готова запитати навантаження та власні потреби від мотор-генератора та продовжує роботу в режимі ДИЗЕЛЬ.

режим роботи ДИЗЕЛЬ

У цьому вся режимі джерелом енергії є ДД. Мотор-генератор, що обертається ним, живить навантаження. Мотор-генератор як джерело напруги має яскраво виражену частотну характеристику і має помітну інерцію, із затримкою реагуючи на різкі зміни величини навантаження. Т.к. виробник комплектує установки судновими ДД робота у цьому режимі обмежена лише запасами палива та можливістю підтримки теплового режиму установки. У цьому режимі рівень звукового тиску поблизу установки перевищує 105 дБА.

режим роботи ДБЖ

У цьому режимі джерелом енергії є зовнішня мережа. Мотор-генератор, підключений через реактор як до зовнішньої мережі, так і навантаження, працює в режимі синхронного компенсатора, в певних межах компенсуючи реактивну складову потужності навантаження. В цілому, установка ДДІБП, включена послідовно із зовнішньою мережею, за визначенням погіршує її характеристики як джерела напруги, збільшуючи еквівалентний внутрішній імпеданс. У цьому режимі рівень звукового тиску поблизу установки близько 100 дБА.

У разі проблем із зовнішньою мережею установка відключається від неї, подається команда на запуск ДД і установка переходить в режим ДИЗЕЛЬ. Слід зазначити, що запуск постійно прогрітого ДД відбувається без навантаження досі перевищення частоти обертання валу ДД інших елементів установки із замиканням обгінної муфти. Типовий час запуску та виходу робочі обороти ДД становить 3-5 секунд.

режим роботи БАЙПАС

При необхідності, наприклад, на час обслуговування, живлення навантаження можна перевести на байпасну лінію безпосередньо від зовнішньої мережі. Перемикання на байпасну лінію і назад відбувається з перекриттям за часом спрацьовування комутувальних апаратів, що дозволяє уникнути навіть короткочасного зникнення навантаження живлення т.к. система управління прагне підтримувати синфазність вихідної напруги установки ДДІБП та зовнішньої мережі. У цьому режим роботи установки не змінюється тобто. якщо працював ДД, він продовжить роботу чи харчування самої установки здійснювалося від зовнішньої мережі, воно буде продовжено.

режим роботи Зупинка

При подачі команди СТОП живлення навантаження перемикається на байпасну лінію, переривається живлення мотор-генератора та накопичувача. Установка продовжує обертатися за інерцією ще якийсь час і після зупинки переходить у режим ВИМКНЕНО.

Схеми підключення ДДІБП та їх особливості

Поодинока установка

Це найпростіший варіант використання незалежного ДДІБП. Установка може мати два виходи – NB (no break, безперебійне живлення) без переривання електроживлення та SB (short break, гарантоване живлення) з короткочасним перериванням живлення. Кожен із виходів може мати власний байпас (див. рис 1).

Ріс.1

До виходу NB зазвичай підключається критичне навантаження (ІТ, циркуляційні насоси системи холодопостачання, прецизійні кондиціонери), а до виходу SB – навантаження, для якого короткочасне переривання електроживлення не є критичним (чилери системи холодопостачання). З метою виключення повного зникнення електропостачання критичного навантаження комутація виходу установки та байпасного ланцюга здійснюється з перекриттям за часом, а струми замикання зменшуються до безпечних значень рахунок комплексного опору частини обмотки реактора.

Особливо слід звернути увагу до харчування від ДДІБП нелінійного навантаження, тобто. навантаження, яке характеризується наявністю в спектральному складі споживаного струму помітної кількості гармонік. Через особливості роботи синхронного генератора та схеми підключення це призводить до спотворення форми напруги на виході установки, а також наявності гармонійних складових споживаного струму при живленні установки від зовнішньої мережі змінної напруги.

Нижче наведено зображення форми (див. рис.2) та гармонійний аналіз вихідної напруги (див. рис. 3) при живленні від зовнішньої мережі. Коефіцієнт гармонійних спотворень перевищив 10 % при скромному нелінійному навантаженні як частотного перетворювача. При цьому установка не переключилася в дизельний режим, що підтверджує, що система керування не відслідковує такий важливий параметр, як коефіцієнт гармонічних спотворень вихідної напруги. За спостереженнями рівень гармонічних спотворень залежить не від потужності навантаження, а від співвідношення потужностей нелінійного та лінійного навантаження і при випробуваннях на чисте активне, теплове, навантаження форма напруги на виході установки дійсно близька до синусоїдальної. Але ця ситуація дуже далека від реальності, особливо щодо живлення інженерного обладнання, що має у своєму складі частотні перетворювачі, та ІТ-навантаження, що має імпульсні блоки живлення, не завжди обладнані коректором коефіцієнта потужності (PFC).

Ріс.2

Ріс.3

У цій та наступних схемах звертають на себе три обставини:

Гальванічний зв'язок між входом та виходом установки.
Перекіс фазного навантаження з виходу потрапляє на вхід.
Необхідність додаткових заходів зменшення гармонік струму навантаження.
Гармонічні складові струму навантаження та спотворення, спричинені перехідними процесами, проникають з виходу на вхід.

паралельна схема

З метою умощення системи електроживлення установки ДДІБП можна включати паралельно, з'єднуючи вхідні та вихідні ланцюги окремих установок. При цьому треба розуміти, що установка втрачає незалежність і стає частиною системи при виконанні умов синхронізму та синфазності, у фізиці це позначають одним словом когерентність. З практичної точки зору це означає, що всі установки, що входять до системи, повинні працювати в однаковому режимі, тобто, наприклад, варіант з частковою роботою від ДД, а часткової від зовнішньої мережі не допустимий. Байпасна лінія у разі створюється спільної всієї системи (див. рис.4).

За такої схеми підключення існують два потенційно небезпечні режими:

Підключення другої та наступних установок до вихідної шини системи з дотриманням умов когерентності.
Вимкнення одиничної установки від вихідної шини з дотриманням умов когерентності до моменту розмикання вихідних вимикачів.

Ріс.4

Аварійне вимкнення одиничної установки може призвести до ситуації, коли вона почне сповільнюватися, а вихідний комутаційний апарат ще не розімкнувся. При цьому за короткий час різниця фаз між установкою та рештою системи може досягати аварійних значень, викликаючи режим короткого замикання.

Також треба звернути увагу на балансування навантаження між окремими установками. У обладнанні, що розглядається тут, балансування здійснюється за рахунок падаючої навантажувальної характеристики генератора. В силу її неідеальності та неідентичності характеристик екземплярів установок між установками розподіл також нерівномірний. Крім того, при наближенні до максимальних значень навантаження на розподіл починають впливати такі, здавалося б, незначні фактори як довжина ліній, точки підключення до розподільної мережі установок і навантаження, а також якість (перехідний опір) самих з'єднань.

Треба завжди пам'ятати, що ДДІБП та комутаційні апарати – це електромеханічні пристрої з значним моментом інерції та відчутними значеннями часу затримки реакції на керуючі дії з боку системи автоматичного керування.

Паралельна схема з підключенням за «середньою» напругою

У цьому випадку генератор підключається до реактора через трансформатор з відповідним коефіцієнтом трансформації. Таким чином, реактор та комутаційні автомати працюють при «середньому» рівні напруги, а генератор працює на рівні 0.4 кВ (див. рис.5).

Ріс.5

При цьому варіанті використання треба звернути увагу на характер кінцевого навантаження та схему її підключення. Тобто. якщо кінцеве навантаження підключене через понижуючі трансформатори треба мати на увазі, що підключення трансформатора до мережі живлення з високим ступенем ймовірності супроводжується процесом перемагнічування сердечника, який у свою чергу викликає кидок струму споживання і, отже, провал напруги (див. рис.6).

Чутливе обладнання у такій ситуації може працювати некоректно.

Принаймні малоінерційне освітлення моргає, а налаштовані за замовчуванням частотні перетворювачі електродвигунів перезапускаються.

Ріс.6

Схема з «розщепленою» вихідною шиною

З метою оптимізації кількості установок в системі електроживлення виробник пропонує застосовувати схему з «розщепленою» вихідною шиною, в якій установки паралельні як по входу, так і по виходу, причому кожна установка індивідуально підключена до більш ніж однієї вихідної шини. У цьому випадку кількість байпасних ліній повинна дорівнювати кількості вихідних шин (див. рис.7).

Треба розуміти, що вихідні шини є незалежними і гальванічно пов'язані між собою через комутаційні апарати кожної з установок.

Таким чином, незважаючи на запевнення виробника, ця схема є одним джерелом живлення з внутрішнім резервуванням, у випадку паралельної схеми, що має кілька гальванічно пов'язаних між собою виходів.

Ріс.7

Тут, так само, як і в попередньому випадку, треба звернути увагу не лише на балансування навантаження між установками, але між вихідними шинами.

Також деякі замовники категорично заперечують подачу «брудного» харчування, тобто. використання байпасу, до навантаження у будь-яких режимах роботи. При такому підході, наприклад, у центрах обробки даних, проблема (перевантаження) на одному з променів призводить до системної аварії з повним відключенням корисного навантаження.

Життєвий цикл ДДІБП та його вплив на систему електропостачання в цілому

Не треба забувати, що установки ДДІБП є електромеханічними пристроями, що вимагають до себе уважного, якщо не сказати більше, трепетного відношення та періодичного технічного обслуговування.

Регламент обслуговування передбачає виведення з експлуатації, зупинку, чищення, мастило (раз на півроку), а також провантаження генератора на тестове навантаження (раз на рік). Зазвичай на обслуговування однієї установки потрібно два робочі дні. А відсутність спеціально спроектованої схеми для підключення генератора до тестового навантаження призводить до необхідності знеструмлення корисного навантаження.

Для прикладу, візьмемо надмірну систему з 15-ти паралельно працюючих ДДІБП, підключених за «середньою» напругою на подвійну «розщеплену» шину за відсутності виділеного ланцюга для підключення тестового навантаження.

За таких вихідних даних, для обслуговування системи протягом 30(!)-ти календарних днів у режимі через день необхідно знеструмлювати одну з вихідних шин для підключення тестового навантаження. Таким чином, доступність електроживлення корисного навантаження однієї з вихідних шин становить – 0,959, а насправді навіть 0,92.

Крім того, повернення до штатної схеми електропостачання корисного навантаження вимагатиме включення необхідної кількості понижуючих трансформаторів, що, у свою чергу, викличе багаторазові провали напруги у всій(!) системі, пов'язані з перемагнічуванням трансформаторів.

Особливості систем електропостачання із застосуванням ДДІБП