Журнал «Сети и телекоммуникации. Телеком» №10/11

 

       Учет взаимного влияния характеристик источника бесперебойного питания, дизель-генераторной установки и нагрузки – задача, решение которой определяет работоспособность системы гарантированного электроснабжения.

       В последнее десятилетие все больше ответственных потребителей электроэнергии (телекоммуникационное и компьютерное оборудование диспетчерских служб промышленных предприятий, средства автоматизации и электроустановки, обеспечивающие выполнение различных технологических процессов) оснащаются системами гарантированного электроснабжения (СГЭ). При этом наиболее широко используются СГЭ централизованной и многоуровневой структуры, в составе которых имеются мощный источник бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторными батареями (АБ) и дизель-генераторная установка (ДГУ).

      При питании нагрузки от основной сети или генератора ИБП повышает качество потребляемой электроэнергии, то есть устраняются нестабильности напряжения, отклонения частоты, высокочастотные помехи и другие искажения, а при кратковременном отключении питания ИБП снабжает нагрузку электроэнергией, запасенной в АБ. При длительных пропаданиях напряжения нагрузка переключается с батареи на ДГУ, во время пуска которой нагрузка остается подключенной к АБ.      

       СГЭ, состоящая из работающей ДГУ и ИБП с АБ, представляет собой автономную энергетическую систему. Ее элементы взаимно влияют друг на друга, что усложняет анализ и выбор как всей системы, так и отдельных ее звеньев. При этом самой сложной задачей в проектах СГЭ является оптимальный выбор мощности ДГУ при известной мощности источника бесперебойного питания.

 

«Наброс» нагрузки

       Задача согласования мощностей ИБП и ДГУ состоит из двух составляющих: первая проявляется в момент подключения ИБП к генератору, вторая – в установившемся режиме работы ИБП от генератора. Напомним, что наиболее важными характеристиками источников бесперебойного питания являются диапазоны напряжения без перехода на АБ и частоты без перехода на АБ, то есть условия, при которых ИБП работает в режиме онлайн, не переходя на батарею. Эти диапазоны у большинства производителей ИБП определены как Uном (+10/-15) % и fном(±5) %, хотя некоторые компании выпускают источники питания, работающие в более широком диапазоне входных напряжений и частоты.

        Указанные характеристики могут сыграть определяющую роль при переключении ИБП от сети на ДГУ вследствие того, что при «набросе» нагрузки наблюдаются значительные динамические изменения выходного напряжения генератора и частоты приводного двигателя. При этом, несмотря на то что ДГУ комплектуются автоматическими регуляторами напряжения, обеспечивающими стабилизацию напряжения в установившемся режиме ±0,5 или ±1,5 %, при подключении нагрузки неизбежны «просадки», которые составляют 15-20 % от номинального напряжения.

       Это означает, что при «набросе» нагрузки напряжение и/или частота генератора может выйти за допустимые пределы. ИБП воспримет это как пропадание сети, и перейдет на АБ. Генератор окажется в режиме электрического холостого хода и через некоторое время восстановит номинальное напряжение и частоту. ИБП воспримет это как появление сети, и вновь перейдет с батареи на генератор. Подключение нагрузки вновь вызовет «просадку» напряжения и частоты генератора и цикл повторится. Известны случаи, когда совместная работа ДГУ и ИБП ограничивалась только такими непрерывными подключениями и отключениями, вследствие чего батареи были полностью разряжены и критическая нагрузка потеряна. Решить эту задачу можно двумя путями: завысить мощность ДГУ или использовать ИБП с плавным переключением нагрузки с батареи на сеть.

 

Недогрузка ИБП и его КПД

        В документации на ИБП многих производителей указывается значение КПД при номинальной нагрузке (когда он высок практически у всех моделей, предлагаемых сегодня на рынке). Реально же ИБП редко бывает нагружен более чем на 70 %, а в таких условиях КПД может быть значительно ниже, чем при стопроцентной нагрузке, вследствие чего потери в ИБП резко возрастают. Поэтому потребителю важно знать поведение КПД в широком диапазоне нагрузок. Следствия отклонений от синусоидальности Допустим, что удалось обеспечить подключение ДГУ к ИБП. При их совместной работе на первый план выступает задача, вызванная наличием в ИБП выпрямителя, поскольку его импульсная схема служит причиной искажения входных токов. При этом несинусоидальные токи, замыкаясь по обмоткам резервного генератора, вызывают дополнительные потери мощности в «стали» и «меди» генератора, а, значит, снижают величину мощности, отдаваемой в нагрузку.

       Однако влияние нелинейных токов на ДГУ этими процессами не исчерпывается. Несинусоидальные токи якоря участвуют в создании магнитного поля электрогенератора и приводят к искажению синусоидальности выходного напряжения ДГУ. Хотя несинусоидальное напряжение и не окажет влияния на ответственную нагрузку, защищенную ИБП, оно часто приводит к повреждению или отказу других потребителей, подключенных непосредственно к ДГУ. Кроме того, сильно несинусоидальное напряжение иногда служит причиной некорректной работы автоматического регулятора напряжения и вызывает аварийные остановы ДГУ. Практикой эксплуатации таких систем определено, что коэффициент несинусоидальности выходного напряжения резервного синхронного генератора не должен быть выше 8-10 %. Предотвратить дефицит мощности, отводимой в нагрузку, перегрев генератора и искажение синусоидальности выходного напряжения ДГУ можно путем использования ДГУ большей номинальной мощности.

 

Выбор дизель-электростанции

       Известно, что мощность источника бесперебойного питания, предназначаемого для работы в СГЭ определяется как:

Sибп = Sген * (Х//d,сх/X//dген),

где Sибп – номинальная мощность ИБП;

Sген – номинальная мощность генератора;

X//dген – сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси ротора при синусоидальной нагрузке, обычно X//dген = 0,11-0,15 относительных единиц (о.е.) и указывается в паспортных данных генератора);

Х//d,сх = сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси ротора при нелинейной нагрузке, Х//d,сх при 6-пульсной нагрузке составляет около 0,04 о. е., при 12-пульсной – около 0,09 о. е.

То есть при 6-пульсной схеме выпрямления Sген = Sибп * (2,75 ... 3,75), а при 12-пульсной схеме выпрямления

Sген = Sибп * (1,22 ... 1,66). Следовательно, уменьшая нелинейность нагрузки, можно выбрать генератор меньшей мощности.

 

К методам снижения нелинейности нагрузки ДГУ относятся:

• применение 12-пульсной схемы выпрямления вместо 6-пульсной;

• применение выпрямителей на IGBT-транзисторах;

• применение входных фильтров высших гармоник.

 

Выбор компонентов СГЭ

        Опыт разработки и внедрения проектов систем гарантированного электроснабжения позволяет сформулировать ряд рекомендаций, которыми следует руководствоваться при выборе ИБП и ДГУ при построении системы электроснабжения ответственной нагрузки.

Класс ИБП. Только источники бесперебойного питания с технологией онлайн надежно защищают нагрузку от всех существующих неполадок в электросети: высоковольтных выбросов, всплесков напряжения, электромагнитных и радиочастотных помех, кратковременного повышения или понижения напряжения, искажения его формы и, что особенно важно при питании ИБП от ДГУ, от нестабильности частоты.

Мощность ИБП. Эта характеристика должна соответствовать мощности, потребляемой нагрузкой.

Аккумуляторные батареи. По статистике, около 90 % сбоев электроснабжения длятся не более 1-3 минут, поэтому совсем отказаться от использования АБ и использовать при каждом пропадании напряжения ДГУ неправильно. Во-первых, частые пуски и остановы значительно снижают срок службы генератора, в частности, до 36 % от общего износа дизельного двигателя приходится на износ при запусках. Во-вторых, резервная ДГУ обладает инерцией как механической, так и электромагнитной. Время выхода дизельного двигателя на номинальную частоту вращения занимает 5-10 с (при низких температурах – больше), время установления номинального выходного напряжения на зажимах генератора при подаче возбуждения – до 6 с. Вследствие такой инерции работы ДГУ нагрузка, допускающая перерывы в питании не более 10 мс (либо вообще не допускающая бестоковых пауз), может оказаться обесточенной на несколько секунд. Поэтому, как правило, время резервирования АБ выбирается в диапазоне 5-10 минут.

Нелинейные искажения. Для снижения нелинейных искажений тока, вносимых источником бесперебойного питания во внешнюю электросеть, применяются ИБП с выпрямителями на IGBT-транзисторах, с 12-пульсными тиристорными или с активными выпрямителями. Вместе с тем еще совсем недавно рекомендации по использованию входных фильтров высших гармоник давались весьма осторожно. И вот почему: ИБП с гармоническим фильтром представляет собой емкостную нагрузку для генератора, которая при подключении к ДГУ может вызвать резкое увеличение выходного напряжения ДГУ и срабатывание аварийной защиты. Для исключения этого явления каждый случай совместной работы дизель-генераторнойустановки и ИБП с гармоническим фильтром должен рассматриваться индивидуально.

Плавное переключение. При выборе ИБП необходимо отдавать предпочтение источникам бесперебойного питания с системой плавного перевода на питание с батареи на сеть.

 

Мощность дизель-электростанции.

        При выборе мощности ДГУ учитываются:

• мощность ИБП;

• степень создаваемых им искажений входного тока;

• внутренние параметры ДГУ, в частности, X//d;

• диапазон напряжений и частоты сети, при которых ИБП не переходит в автономный режим работы;

• изменения напряжения и частоты ДГУ при 100 % «набросе» нагрузки;

• ДГУ комплектуются автоматическим регулятором выходного напряжения и электронным регулятором скорости приводного двигателя.

       Как показывает опыт, выбор звеньев СГЭ с учетом приведенных выше требований обеспечивает согласованную и устойчивую совместную работу ИБП и ДГУ.

 

Логика организации СГЭ

       При построении системы гарантированного электроснабжения учитываются следующие факторы:

• мощность и тип нагрузки в кВА (кВт);

• прогноз энергопотребления на будущее;

• характер возможных сбоев сетевого электропитания;

• наличие пусковых нагрузок (двигателей, кондиционеров) для расчета запаса мощности ИБП;

• архитектурно-строительные особенности зданий и помещений;

• состояние коммутационных разводок.

 

       Для инсталляции СГЭ необходима разработка детального инженерного проекта и получение разрешений от санкционирующих учреждений, отвечающих за соблюдение норм безопасности. Поэтому логично обращаться в компании, профиль которых – построение и инсталляция систем гарантированного и автономного электропитания. Специалисты этих компаний могут правильно проанализировать состояние объекта и разработать оптимальное техническое решение, выполнить инженерный проект, предложить качественное и надежное оборудование, выполнить строительно-монтажные и пусконаладочные работы, обеспечить сервис гарантийного и послегарантийного обслуживания, а также провести инструктаж со специалистом заказчика по правилам эксплуатации агрегатов и системы в целом. Немаловажным преимуществом такого подхода является то, что такие профильно ориентированные компании готовы самостоятельно подготовить и согласовать  необходимую документацию и разрешения на инсталляцию и проведение всего комплекса работ.

 

Ноу-хау от Hitec Power Protection

А б л а е в  Э д е м ,  г е н е р а л ь н ы й  д и р е к т о р  «ФЛ Е К С - И н т е г р а ц и я»

        Компании Hitec PP принадлежит патент на решение, которое позволяет совмещать функцию источника бесперебойного питания и дизель-генератора в системе ДР ИБГП Hitec. Благодаря синергии дизель-генераторной установки и электромагнитного накопителя кинетической энергии ДР ИБГП Hitec обеспечивают бесперебойное и гарантированное электроснабжение в одном устройстве. Эта высоконадежная и испытанная конструкция упрощает инфраструктуру и повышает надежность системы бесперебойного и гарантированного питания критически важных процессов и является самым экономичным и энергоэффективным решением для обеспечения бесперебойного и гарантированного электроснабжения объектов мощностью выше 1 МВА.

 

Преимущества ДP ИБГП Hitec:

• самая надежная ИБП-система,

• самая экономичная система,

• самая экологически чистая система,

• самая компактная система.

Экономические преимущества:

• высокий КПД (97 %),

• малые габариты, 40-60 % экономия площади (в сравнении со статическими системами ИБП),

• низкая стоимость полного решения,

• срок службы системы более 25 лет.

 

        Прогрессивная концепция компании Hitec Power Protection позволяет на основе четырех базовых принципов обеспечить бесперебойное и постоянное электропитание, удовлетворяющее заданным параметрам.

 

Выбор мощности

        Все решения Hitec PP могут быть настроены в соответствии с потребностями клиентов. В зависимости от необходимой выходной мощности и уровня резервирования компания Hitec Power Protection предлагает оптимальную концепцию, разработанную с учетом потребностей заказчика и конкретной ситуации.

Единичная мощность: 500–3000 кВА при U = 0,4–20 кВ.

Доступные стандартные конфигурации:

• Одиночная дизельная роторная ИБП-система

• Дизельная роторная ИБП-система с двойным выходом

• Системы среднего напряжения

• Параллельные (резервные) конфигурации

• Иерархическая конфигурация

• Поперечная конфигурация

• Изолированная резервная конфигурация

• Распределенная резервная конфигурация

 

Динамические ИБП vs статические ИБП

       Когда мы сопоставляем динамические и статические ИБП, корректно сравнивать законченные решения по энергоснабжению конкретного объекта. Если это решение на базе статических ИБП, то в сравнение необходимо включить дизель-генератор, аккумуляторные батареи и другие элементы – электротехническое щитовое оборудование, вспомогательные системы охлаждения и пр. Иначе сравнение будет неверным, ведь один из эффектов от внедрения динамических ИБП – снижение эксплуатационных затрат.

       Преимуществом использования динамических ИБП является возможность их применения также для нагрузки, не критичной относительно основного технологического процесса. В частности, в Центрах Обработки Данных динамические ИБП обеспечивают бесперебойное электроснабжение систем кондиционирования. После запуска дизельного агрегата питание некритичной нагрузки восстанавливается за несколько секунд.

        Надежность системы динамических ИБП компании Hitec Power Protection увеличивает то, что в них используется только принцип электрических машин, что устраняет риски, связанные с работой электроники.

         Проекты решений от Hitec включают техническую проработку и установку ИБП-систем, обучение операторов, поддержку и обслуживание, полный ремонт, профилактическое и внеплановое техническое обслуживание, поставку запасных частей, аренду ИБП-контейнеров и круглосуточную справочную службу. Решение проектируетсяс учетом индивидуальных задач клиентов, касающихся выходной мощности, резервирования и совокупной стоимости владения.

 

Добиться качественного и стабильного электроснабжения? ЛЕГКО!

Е в г е н и й  Я н и н ,

р у к о в о д и т е л ь о т д е л а  Д Г У О О О 
«Д а л г а к и р а н к о м п р е с с о р У к р а и н а»

        Все мы пользуемся электрической энергией, стандартно поставляемой энергетическими компаниями, но рано или поздно возникает необходимость покупки генератора для автономного аварийного электроснабжения. Систематическое отключение электроснабжения в Украине сегодня, когда в каждом доме, офисе, предприятии имеются чувствительные к изменениям напряжения и частоты тока дорогостоящие электроприборы, приводят к серьезным неприятностям. Компьютеры и сложная бытовая техника, на которую негативно влияют скачки напряжения в сети из-за климатических катаклизмов (гроза, порывы ветра), неудовлетворительной работы трансформаторов, чаще всего просто выходят из строя.

        Избавить себя от проблем, причинами которых являются скачки напряжения и неожиданное отключение электроснабжения, довольно просто. Нужно лишь организовать автономное аварийное электроснабжение при помощи специальной системы, включающей в себя дизельный или бензиновый генератор Dalgakiran и источник бесперебойного питания (ИПБ) Makelsan.

       Рассмотрим схематично, как осуществляется автономное аварийное электроснабжение с использованием мобильной электростанции и источника бесперебойного питания с технологией двойного онлайн-преобразования серии «Челенджер». На входы к ИПБ подключается основная сеть и через переключатель – источник аварийного питания – бензиновая/дизельная электростанция. Таким образом, изначально на входе мы имеем переменный ток, получаемый из сети центрального электроснабжения, и соответственно на выходе ИПБ выдает также переменный ток, от которого запитываются все электроприборы, такие как системы отопления, охраны, вентиляции и т. д. К ИПБ подключены аккумуляторные батареи, которые в случае скачков напряжения или прекращения подачи электроэнергии из центральной сети, продолжают «питать» электроприборы.

       Тот факт, что все энергоснабжение взяли на себя аккумуляторы, фиксирует автоматика и передает сигнал на реле включения автономной электростанции. Генератор автоматически запускается и начинает подавать электрический ток через ИБП к потребляющим электричество приборам и оборудованию. При снижении заряда аккумуляторов до 20 %, что фиксируется датчиком зарядки, включается генератор. При включении генератора, происходит подзарядка батарей. Серия «Челенджер» гарантирует более продолжительный срок службы батареи и максимизирует ее производительность, срок службы и надежность за счет точной интеллектуальной зарядки.     
        Температурная компенсация заряда батареи контролирует внутренние и внешние изменения состояния батареи и соответственно регулирует заряд тока. ИБП настраивает параметры заряда автоматически, когда емкость и количество батареи вводиться через ЖК-дисплей. С усовершенствованным управлением батареей в ИБП серии «Челенджер» вы можете быть уверены, что ваши батареи работают с максимальной производительностью и сроком службы и всегда готовы к важной роли, которую они играют в вашей системе защиты электропитания.

 

Преимущества использования серии «Челенджер» с генератором:

• плавный переход нагрузки с ИБП серии «Челенджер» на генератор;

• низкий уровень гармоник тока – нет дополнительной нагрузки на генератор;

• очень высокий коэффициент входящей мощности (0,99);

• коэффициент нелинейных искажений входящего тока (THDi) меньше 3 %, что позволяет избежать повреждений.

Именно такая схема аварийного электроснабжения (генератор+ИБП) позволяет добиться устойчивого, стабильного и качественного электроснабжения всех без исключения электропотребителей, не только при плохом качестве электропитания, но и при полном отсутствии напряжения в центральной сети.

 

Повышенное внимание

П а в е л  Г в о з д е ц к и й , и н ж е н е р  п о с и с т е м а м э л е к т р о п и т а н и я

       Компанией Alpha Grissin – официальным дистрибьютором компании Emerson Network Power – в Украину поставляются ИБП Liebert и Chloride. Разработчики данного оборудования повышенное внимание уделяют вопросу совместимости ИБП и дизель-генераторов. Это, в частности, подтвердил недавний опыт испытания в рабочих условиях ИБП серии Liebert NX мощностью 200 кВА, подключенных в систему электропитания крупного ЦОДа.

       Отличительной особенностью серии ИБП Liebert NX является их полностью бестрансформаторная архитектура, т. е. входные цепи ИБП построены полностью на полупроводниковых элементах и IGBT-транзисторах. С одной стороны, это позволяет снизить до 3 % нелинейные искажения формы входного тока и получить высокое значение Cos ϕ – более 0,99, с другой стороны, это обеспечивает плавное «взятие» дизель-генератором такой нагрузки, как ИБП.

       Основным критерием для выбора резервных генераторов для совместной работы с ИБП является соотношение

мощности ДГУ и ИБП. Для различных комбинаций используемых ДГУ и ИБП это соотношение может иметь значения от 1,5 до 2,0. Современные ИБП могут иметь и меньший коэффициент отношения мощностей. На практике специалистами Alpha Grissin был реализован проект, в котором мощность ДГУ принята больше мощности ИБП всего лишь в 1,2 раза. ИБП Liebert NX имеет полностью цифровое управление входными цепями и возможность настройки продолжительности плавного запуска ИБП в интервале от 5 до 30 секунд; в процессе подключения ИБП к генератору ДГУ часть энергии для инвертора обеспечивается аккумуляторными батареями.

       Вышеперечисленные факторы позволяют не увеличивать дополнительно мощность дизель-генераторов и обуславливают стабильную работу ДГУ в связке с источниками бесперебойного питания Emerson Network Power.