Особенности систем электроснабжения с применением ДДИБП

Буцев И.В.
drups2019@mail.ru

Особенности систем электроснабжения с применением Дизельных Динамических Источников Бесперебойного Питания (ДДИБП)

В нижеследующем изложении автор постарается избежать маркетинговых клише и будет опираться исключительно на практический опыт. В качестве подопытных будут описаны ДДИБП компании HITEC Power Protection.

Устройство установки ДДИБП

Устройство ДДИБП, с точки зрения электромеханика, выглядит достаточно просто и предсказуемо.
Основным источником энергии является Дизельный Двигатель (ДД), с мощностью достаточной, с учетом КПД установки, для длительного непрерывного питания нагрузки. Это соответственно накладывает достаточно жесткие требования к его надежности, готовности к запуску и стабильности работы. Поэтому совершенно логичным является применение судовых ДД, которые вендор перекрашивает из жёлтого в свой цвет.

В качестве обратимого преобразователя механической энергии в электрическую и обратно в состав установки входит мотор-генератор с мощностью превышающую паспортную мощность установки для улучшения, прежде всего, динамических характеристик источника питания при переходных процессах.

Так как производитель заявляет о бесперебойности питания то в установке присутствует элемент, поддерживающий питание нагрузки при переходах из одного режима работы к другому. Этой цели служит инерционный накопитель или индукционная муфта. Он представляет собой массивное тело, вращающееся на высокой скорости и накапливающее механическую энергию. Производитель описывает его устройство как асинхронный двигатель внутри асинхронного двигателя. Т.е. имеются статор, внешний ротор и внутренний ротор. При чем внешний ротор жестко связан с общим валом установки и вращается синхронно с валом мотор-генератора. Внутренний ротор дополнительно раскручивается относительно внешнего и является собственно накопителем. Для обеспечения питанием и взаимодействия между отдельными частями служат щеточные узлы с токосъемными кольцами.

Для обеспечения передачи механической энергии от ДД к остальным частям установки служит обгонная муфта.

Важнейшей частью установки является система автоматического управления, которая, анализируя параметры работы отдельных частей, оказывает воздействия для управления установкой в целом.
Также важнейший элемент установки – реактор, трёхфазный дроссель с отводом обмотки, предназначенный для интеграции установки в систему энергоснабжения и позволяющий относительно безопасно переключаться между режимами, ограничивая выравнивающие токи.
И наконец, вспомогательные, но отнюдь не второстепенные подсистемы – вентиляции, топливоснабжения, охлаждения и газовыхлопа.

Режимы работы установки ДДИБП

Полагаю, было бы полезным описать различные состояния установки ДДИБП:

• режим работы ВЫКЛЮЧЕНО

Механическая часть установки находиться без движения. Питание подано на систему управления, систему предварительного прогрева ДД, систему плавающего заряда стартерных батарей, рециркуляционную вентиляционную установку. После предварительного прогрева установка готова к запуску.

• режим работы ЗАПУСК

При подаче команды СТАРТ происходит запуск ДД, который через обгонную муфту раскручивает внешний ротор накопителя и мотор-генератор. По мере прогрева ДД активируется его система охлаждения. После выхода на рабочие обороты начинает раскручиваться (заряжаться) внутренний ротор накопителя. О процессе зарядки накопителя косвенным образом судят по потребляемому им току. Этот процесс занимает 5-7 минут.

При наличии внешнего питания какое-то время уходит на окончательную синхронизацию с внешней сетью и при достижении достаточной степени синфазности установка подключается к ней.

ДД снижает частоту вращения и переходит в цикл охлаждения, который занимает около 10-ти минут, с последующей остановкой. Обгонная муфта расцепляется и дальнейшее вращение установки поддерживается мотор-генератором с одновременной компенсацией потерь в накопителе. Установка готова запитать нагрузку и переходит в режим ИБП.

При отсутствии внешнего электроснабжения установка готова запитать нагрузку и собственные нужды от мотор-генератора и продолжает работу в режиме ДИЗЕЛЬ.

• режим работы ДИЗЕЛЬ

В этом режиме источником энергии является ДД. Мотор-генератор, вращаемый им, питает нагрузку. Мотор-генератор как источник напряжения имеет ярко выраженную частотную характеристику и обладает заметной инерцией, с задержкой реагируя на резкие изменения величины нагрузки. Т.к. производитель комплектует установки судовыми ДД работа в этом режиме ограничена только запасами топлива и возможностью поддержания теплового режима установки. В этом режиме работы уровень звукового давления вблизи установки превышает 105 дБА.

• режим работы ИБП

В этом режиме источником энергии является внешняя сеть. Мотор-генератор, подключенный через реактор как к внешней сети, так и к нагрузке, работает в режиме синхронного компенсатора, в определенных пределах компенсируя реактивную составляющую мощности нагрузки. В целом, установка ДДИБП, включенная последовательно с внешней сетью, по определению ухудшает её характеристики как источника напряжения, увеличивая эквивалентный внутренний импеданс. В этом режиме работы уровень звукового давления вблизи установки около 100 дБА.

В случае проблем с внешней сетью, установка отключается от неё, подается команда на запуск ДД и установка переходит в режим ДИЗЕЛЬ. Необходимо отметить, что запуск постоянно прогретого ДД происходит без нагрузки до момента превышения частоты вращения вала ДД остальных частей установки с замыканием обгонной муфты. Типичное время запуска и выхода рабочие обороты ДД составляет 3-5 секунд.

• режим работы БАЙПАС

При необходимости, например, на время обслуживания, питание нагрузки можно перевести на байпасную линию непосредственно от внешней сети. Переключение на байпасную линию и обратно происходит с перекрытием по времени срабатывания коммутирующих аппаратов, что позволяет избежать даже кратковременного пропадания питания нагрузки т.к. система управления стремиться поддерживать синфазность выходного напряжения установки ДДИБП и внешней сети. При этом режим работы самой установки не изменяется т.е. если работал ДД, то он продолжит работу или питание самой установки осуществлялось от внешней сети, то оно будет продолжено.

• режим работы ОСТАНОВКА

При подаче команды СТОП питание нагрузки переключается на байпасную линию, прерывается питание мотор-генератора и накопителя. Установка продолжает вращаться по инерции еще какое-то время и после остановки переходит в режим ВЫКЛЮЧЕНО.

Схемы подключения ДДИБП и их особенности

Одиночная установка

Это самый простой вариант использования независимого ДДИБП. Установка может иметь два выхода – NB (no break, бесперебойное питание) без прерывания электропитания и SB (short break, гарантированное питание) с кратковременным прерыванием питания. Каждый из выходов может иметь собственный байпас (см. рис 1.).

Рис.1

К выходу NB обычно подключается критичная нагрузка (ИТ, циркуляционные насосы системы холодоснабжения, прецизионные кондиционеры), а к выходу SB – нагрузка, для которой кратковременное прерывание электропитания не критично (чиллеры системы холодоснабжения). С целью исключения полного пропадания электроснабжения критической нагрузки коммутация выхода установки и байпасной цепи осуществляется с перекрытием по времени, а токи замыкания уменьшаются до безопасных значений за счёт комплексного сопротивления части обмотки реактора.

Особо надо обратить внимание на питание от ДДИБП нелинейной нагрузки, т.е. нагрузки, которая характеризуется наличием в спектральном составе потребляемого тока заметного количества гармоник. Из-за особенностей работы синхронного генератора и схемы подключения это приводит к искажению формы напряжения на выходе установки, а также наличию гармонических составляющих потребляемого тока при питании установки от внешней сети переменного напряжения.

Ниже приведены изображения формы (см. рис.2) и гармонический анализ выходного напряжения (см. рис. 3) при питании от внешней сети. Коэффициент гармонических искажений превысил 10 % при скромной нелинейной нагрузке в виде частотного преобразователя. При этом установка не переключилась в дизельный режим, что подтверждает, что система управления не отслеживает такой важный параметр как коэффициент гармонических искажений выходного напряжения. По наблюдениям уровень гармонических искажений зависит не от мощности нагрузки, а от соотношения мощностей нелинейной и линейной нагрузки и при испытаниях на чистую активную, тепловую, нагрузку форма напряжения на выходе установки действительно близка к синусоидальной. Но эта ситуация очень далека от реальности, особенно что касается питания инженерного оборудования, имеющего в своем составе частотные преобразователи, и ИТ-нагрузки, имеющей импульсные блоки питания, не всегда оборудованные корректором коэффициента мощности (PFC).

Рис.2

Рис.3

В этой и последующих схемах обращают на себя три обстоятельства:

• Гальваническая связь между входом и выходом установки.
• Перекос фазной нагрузки с выхода попадает на вход.
• Необходимость дополнительных мер для уменьшения гармоник тока нагрузки.
• Гармонические составляющие тока нагрузки и искажения, вызванные переходными процессами, проникают с выхода на вход.

Параллельная схема

С целью умощнения системы электропитания установки ДДИБП можно включать параллельно, соединяя входные и выходные цепи отдельных установок. При этом надо понимать, что установка теряет независимость и становиться частью системы при выполнении условий синхронизма и синфазности, в физике это обозначают одним словом — когерентность. С практической точки зрения это означает, что все установки, входящие в систему должны работать в одинаковом режиме, т.е., например, вариант с частичной работой от ДД, а частичной от внешней сети не допустим. Байпасная линия в таком случае создается общей для всей системы (см. рис.4).

При такой схеме подключения существуют два потенциально опасных режима:

• Подключение второй и последующих установок к выходной шине системы с соблюдением условий когерентности.
• Отключение единичной установки от выходной шины с соблюдением условий когерентности до момента размыкания выходных выключателей.

Рис.4

Аварийное отключение единичной установки может привести к ситуации, когда она начнёт замедляться, а выходной коммутационный аппарат еще не разомкнулся. При этом за короткое время разница фаз между установкой и остальной системой может достигать аварийных значений, вызывая режим короткого замыкания.

Также надо обратить внимание на балансировку нагрузки между отдельными установками. В рассматриваемом здесь оборудовании балансировка осуществляется за счёт падающей нагрузочной характеристики генератора. В силу её неидеальности и неидентичности характеристик экземпляров установок между установками распределение также неравномерно. Кроме того, при приближении к максимальным значениям нагрузки на распределение начинают оказывать влияние такие, казалось бы, незначительные факторы как длина подключаемых линий, точки подключения к распределительной сети установок и нагрузки, а также качество (переходное сопротивление) самих соединений.

Надо всегда помнить, что ДДИБП и коммутационные аппараты – это электромеханические устройства с значительным моментом инерции и ощутимыми значениями времени задержки реакции на управляющие воздействия со стороны системы автоматического управления.

Параллельная схема с подключением по «среднему» напряжению

В этом случае, генератор подключается к реактору через трансформатор с соответствующим коэффициентом трансформации. Таким образом, реактор и коммутационные автоматы работают при «среднем» уровне напряжения, а генератор работает на уровне 0.4 кВ (см. рис.5).

Рис.5

При этом варианте использования надо обратить внимание на характер конечной нагрузки и схему её подключения. Т.е. если конечная нагрузка подключена через понижающие трансформаторы надо иметь в виду, что подключение трансформатора к питающей сети с высокой степенью вероятности сопровождается процессом перемагничивания сердечника, который в свою очередь вызывает бросок тока потребления и, следовательно, провал напряжения (см. рис.6).

Чувствительное оборудование в такой ситуации может работать некорректно.

По крайней мере, малоинерционное освещение моргает, а настроенные по умолчанию частотные преобразователя электродвигателей перезапускаются.

Рис.6

Схема с «расщепленной» выходной шиной

С целью оптимизации количества установок в системе электропитания производитель предлагает применять схему с «расщепленной» выходной шиной, в которой установки параллельны как по входу, так и по выходу, причем каждая установка индивидуально подключена к более чем одной выходной шине. В этом случае количество байпасных линий должно быть равно количеству выходных шин (см. рис.7).

Надо понимать, что выходные шины не являются независимыми и гальванически связаны между собой через коммутационные аппараты каждой из установок.

Таким образом, несмотря на заверения производителя, эта схема представляет собой один источник питания с внутренним резервированием, в случае параллельной схемы, имеющий несколько гальванически связанных между собой выходов.

Рис.7

Здесь, так же, как и в предыдущем случае, надо обратить внимание не только балансировку нагрузки между установками, но между выходными шинами.

Также некоторые заказчики категорически возражают против подачи «грязного» питания, т.е. использования байпаса, к нагрузке в любых режимах работы. При подобном подходе, например, в центрах обработки данных, проблема (перегрузка) на одном из лучей приводит к системной аварии с полным отключение полезной нагрузки.

Жизненный цикл ДДИБП и его влияние на систему электроснабжения в целом

Не надо забывать, что установки ДДИБП являются электромеханическими устройствами, требующими к себе внимательного, если не сказать больше, трепетного отношения и периодического технического обслуживания.

Регламент обслуживания подразумевает вывод из эксплуатации, остановку, чистку, смазку (раз в полгода), а также прогрузку генератора на тестовую нагрузку (раз в год). Обычно на обслуживание одной установки требуется два рабочих дня. А отсутствие специально спроектированной схемы для подключения генератора к тестовой нагрузки приводит к необходимости обесточивания полезной нагрузки.

Для примера, возьмем избыточную систему из 15-ти параллельно работающих ДДИБП, подключенных по «среднему» напряжению на двойную «расщеплённую» шину при отсутствии выделенной цепи для подключения тестовой нагрузки.

При таких исходных данных, для обслуживания системы в течении 30(!)-ти календарных дней в режиме через день будет необходимо обесточивать одну из выходных шин для подключения тестовой нагрузки. Таким образом, доступность электропитания полезной нагрузки одной из выходных шин составляет – 0,959, а на самом деле даже 0,92.

Кроме того, возвращение к штатной схеме электроснабжения полезной нагрузки потребует включения необходимого количества понижающих трансформаторов, что, в свою очередь, вызовет многократные провалы напряжения во всей(!) системе, связанные с перемагничиванием трансформаторов.

Рекомендации применения ДДИБП

Из вышесказанного напрашивается не утешительный вывод – на выходе системы электроснабжения с применением ДДИБП качественное (!) бесперебойное напряжение присутствует при выполнении всех следующих условий:

• Внешнее электроснабжение не имеет существенных недостатков;
• Нагрузка системы постоянная во времени, активная и линейная по своему характеру (последние две характеристики не относятся к оборудованию центров обработки данных);
• В системе отсутствуют искажения, вызванные коммутацией реактивных элементов.

Резюмируя можно сформулировать следующие рекомендации:

• Разделяйте системы электроснабжения инженерного и ИТ-оборудования, а последние разделяйте на подсистемы, для минимизации взаимного влияния.
• Выделяйте отдельную сеть для обеспечения возможность обслуживания единичной установки с возможностью подключения уличной тестовой нагрузки, мощностью равной единичной установки. Подготавливайте для этих целей площадку и кабельное хозяйство для подключения.
• Постоянно следите за балансом нагрузки между силовыми шинами, отдельными установками и фазами.
• Избегайте применения понижающих трансформаторов, подключаемых к выходу ДДИБП.
• Тщательно тестируйте и протоколируйте работу автоматики и силовых коммутационных аппаратов с целью сбора статистики.
• Для проверки качества электроснабжения нагрузки тестируйте установки и системы с использованием нелинейной нагрузки.
• При обслуживании разбирайте стартерные батареи и тестируйте их индивидуально, т.к. несмотря на наличие так называемых эквалайзеров и панели резервного запуска (RSP), из-за одной неисправной батарей ДД может не запуститься.
• Принимайте дополнительные меры к минимизации гармоник тока нагрузки.
• Документируйте звуковые и тепловые поля установок, результаты вибротестов для оперативной реакции на первые проявления разного рода механических проблем.
• Избегайте длительного простоя установок, принимайте меры к равномерному распределению моторесурса.
• Комплектуй установки вибродатчиками для предотвращения аварийный ситуации.
• При изменении звуковых и тепловых полей, появлении вибрации, посторонних запахов немедленно выводите установки из эксплуатации для дальнейшей диагностики.

P.S. Автор будет признателен за обратную связь по тематике статьи.

Автор: Илья Владимирович Буцев

Источник