Помогаем ДГУ выдерживать нагрузки

Рейтинг
Оценка: 5Голосов: 1Комментарии: 2

“СЕТИ И БИЗНЕС” • №4 (53) 2010

Как правило, заказчик, который хочет обеспечить свой офис или производство качественным и гарантированным электропитанием, комплектует систему резервного электропитания не только ИБП, но и дизельным генератором. При этом возникают вопросы взаимодействия дизель-генераторной электростанции и источника бесперебойного питания. Необходимо обеспечить стабильную работу дизельного генератора при переключении на него нагрузки с аккумуляторных батарей ИБП во время отключения основных источников электроэнергии.

Для стабильной работы системы гарантированного электропитания необходимо либо комплектовать ее дизельным генератором заведомо большей, чем ИБП, мощности, либо совершенствовать конструкции альтернатора и двигателя дополнительными устройствами.

 

Балласт отбросить

Поскольку КПД источника бесперебойного питания всегда меньше единицы, то даже в идеальном гипотетическом случае (если предположить, что запас не нужен) мощность дизельного генератора должна будет превышать соответствующий параметр ИБП примерно на 10%. Естественно, исключением могут стать лишь системы гарантированного электропитания, в которых ИБП изначально «загружен» на90% и меньше своего номинала. Однако это гипотеза равноудаленная как от теории, так и от практики. В любом случае мощность генератора должна быть выше мощности, потребляемой нагрузкой.

Одной из мер, позволяющих уменьшить аппетиты ИБП, может стать, например, отключение заряда батарей во время работы дизельного генератора. В различных ИБП токи заряда батарей могут отличаться, но в среднем они дополнительно нагружают ДГУ еще на 10% номинальной мощности. Поэтому полное отключение или программируемая задержка включения тока заряда батарей — вполне обоснованный шаг, поскольку дизельный генератор может обеспечивать питанием нагрузку довольно длительное время (все зависит от емкости топливного бака). Аккумуляторы же требуются для работы инвертора ИБП, пока не выйдет на рабочую частоту генератор. Зарядить же их можно, когда появится напряжение в сети.

 

Нагрузку следует включать постепенно

Как правило, при «резком» подключении нагрузки к ДГУ, обороты двигателя падают, что обусловлено торможением ротора генератора переменного тока в поле обмоток статора. При этом величина падения напряжения составляет 10–25% от его номинального значения, а частоты — до 15%. Таким образом, эти параметры выходят за границы рабочих значений («диапазон напряжения без перехода на батареи» и «диапазон частот без перехода на батареи»), выставленных в ИБП. В результате источник возвращает питание нагрузки обратно на аккумуляторные источники питания. После выхода двигателя на рабочие обороты процесс может повториться снова и снова. И так до полного разряда батарей. Эта ситуация недопустима.

 

 

Рис.1. Зависимость просадки напряжения ΔU (в процентах от номинального напряжения Uном.) от величины мощности подключаемой нагрузки для различных модификаций генератора Leroy Somer LSA 47.2.

 

На рис. 1 представлен график зависимости падения напряжения от подключаемой нагрузки для различных модификаций генератора Leroy Somer LSA 47.2. Генераторами данного производителя комплектуются ДГУ многих торговых марок, представленных в Украине.

Как можно увидеть из данного рисунка, падение напряжения практически линейно зависит от приложенной нагрузки, и чем она выше, тем больше «просадка» по напряжению.

ИБП может воспринять снижение напряжения и уменьшение частоты как пропадание сети и перейти на питание от батарей. Такое зачастую случается в моделях дизельных генераторов, оборудованных двигателями с механической регулировкой впрыска топлива. В подобных агрегатах время реакции составляет около семи периодов колебания напряжения (0,14 с).

Естественным преимуществом в данной ситуации обладают турбированные двигатели с полностью электронным управлением. В этом случае каждая форсунка впрыска топлива управляется электроникой отдельно, что значительно сокращает время реакции на снижение оборотов. Соответственно уменьшается в разы и время восстановления рабочих параметров (около 0,04 с). Стоит отметить, что у всех ведущих производителей линейки ДГУ средней и большой мощности оборудованы полностью электронными двигателями.

Но даже электроника не выручит при подключении нагрузки, равной номинальной мощности генератора. Как правило, производители рекомендуют одномоментно нагружать обычные не турбированные двигатели на 50% мощности, а двигатели с электронным управлением на 65%. В этом случае амплитуда напряжения и частота не выйдут из рабочих диапазонов, и вышеописанных «качелей» не будет. Это значит, что мощность дизельных генераторов должна превышать мощность ИБП более чем в полтора раза.

Чтобы уменьшить это соотношение, в источниках бесперебойного питания используются устройства, которые плавно, за определенный промежуток времени (как правило, программируемый) переводят нагрузку с аккумуляторных батарей на дизельный генератор. В спецификации ИБП их присутствие обозначается как наличие «мягкого старта». Такой опцией обладают лишь ИБП с выпрямителями на IGBT-транзисторах, а также в 6- и 12-импульсных выпрямителях, поскольку транзисторы и тиристоры являются управляемыми элементами. За счет этого, в момент подключения к ДГУ обеспечивается плавный заряд конденсаторов внутреннего бустера ИБП, позволяющий избежать резкого броска тока на выходе ДГУ. В источниках с диодными выпрямителями такой опции нет. В настоящее время практически во всех ИБП средней и большой мощности присутствует опция плавного заряда конденсаторов бустера, по сути выполняющая функцию «мягкого старта».

Системы возбуждения генераторов

Но если за частоту выходного напряжения косвенно отвечает двигатель, то за его величину полностью в ответе генератор, нагрузкой которого в нашем случае служит ИБП. За счет выпрямителей, размещенных на входе, ИБП является нелинейной нагрузкой и вызывает искажение формы тока на выходе генератора, что негативно сказывается на стабильности его работы, а также приводит к искажениям выходного напряжения на его клеммах.

Существующие технологии (6- и 12-импульсные выпрямители, входные фильтры высших гармоник, а также выпрямители на IGBT-транзисторах) позволяют убрать значительную часть искажений. Но полностью их ликвидировать не удается. Доля дополнительных гармоник может достигать 30-40% для 6-импульсных выпрямителей и 10% для выпрямителей на IGBT-транзисторах. Таким образом, они составляют значительную угрозу работе альтернатора и стабильности выдаваемого им напряжения. Поэтому именно в этом устройстве предусмотрены дополнительные конструктивные изменения, за счет которых становится возможным стабилизировать параметры выходного напряжения.

Напряжение в генераторе снимается с обмоток статора, а его величина напрямую зависит от намагниченности ротора. Изменяя эту величину, можно регулировать уровень выходного напряжения альтернатора. Для этих целей в генераторах предусмотрены так называемые системы возбуждения.

В зависимости от конструктивных особенностей различают три типа подобных систем — SHUNT, AREP, и PMG. Их названия расположены по порядку возрастания сложности, эффективности и стоимости.

 

Рис.2. Конструкция генератора, в котором применена система SHUNT (рисунок предоставлен компанией “Цеппелин Украина”).

Самая простая система стандартного самовозбуждения SHUNT, или SE (рис. 2), в которой ток намагничивания ротора регулируется автоматическим регулятором напряжения (Automatic Voltage Regulator, AVR). Данные устройство запитывается от обмоток статора. Таким образом, ток возбуждения в таком альтернаторе напрямую зависит от выходного напряжения генератора.

Эта система стандартно устанавливается на все дизельные генераторы малой и средней мощности. В зависимости от производителя граница, после которой данная опция уже не применяется, может составлять от 500 до 700 кВА.

Но простота системы в данном случае не является залогом ее надежности. Генератор, оснащенный SHUNT, не обладает высокой устойчивостью напряжения при подключении больших нагрузок, а также не способен выдерживать короткие замыкания.

Рис.3. Система возбуждения AREP ( рисунок предоставлен компанией “Цеппелин Украина”)

Более надежной в этом плане является система AREP (рис. 3). Главное ее отличие от SHUNT состоит в том, что регулятор напряжения запитан от двух дополнительных обмоток альтернатора, которые не зависят от автоматического регулятора напряжения, и, таким образом, отсутствует прямая связь между напряжением на клеммах генератора и напряжением питания AVR.

Такая схема улучшает характеристики напряжения во время переходных процессов, какими могут быть, к примеру, запуск электродвигателя или подключение нагрузки через ИБП. Но самое главное ее качество — это возможность в течение десяти секунд выдерживать короткие замыкания с трехкратной перегрузкой по току. Схемой AREP оснащаются ДГУ высокой мощности (свыше 700 кВА), к которым предъявляются высокие требования по стабильности выходного напряжения и устойчивости работы. На генераторах меньшей мощности она может быть установлена как дополнительная опция по желанию заказчика. Хотя есть и противоположные случаи, когда в мощных генераторах в целях экономии средств устанавливалась более простая и дешевая система SE.

Третья разновидность систем возбуждения — PMG (Permanent Magnet Generator — генератор с постоянным магнитом) — принципиально отличается от первых двух.

Рис.4. Наглядная схема генератора, оборудованного системой самовозбуждения PMG (рисунок предоставлен компанией “Цеппелин Украина”).

 

Ее название говорит само за себя, ведь главной отличительной чертой является наличие дополнительного генератора, который физически располагается на том же валу, что и основной альтернатор — со стороны, противоположной двигателю (рис. 4).

Данная система у большинства производителей является опцией, устанавливаемой под заказ, поскольку она позволяет преобразовать альтернатор с системой самовозбуждения в генератор с независимой системой возбуждения.

 

Рис.5. Зависимость просадки напряжения ΔU (в процентах от номинального напряжения Uном.) от величины мощности подключаемой нагрузки для различных модификаций генератора Leroy Somer LSA 47.2., оснащённых системой самовозбуждения PMG.

Дополнительный альтернатор осуществляет питание цепи управления возбуждением, а также регулятора напряжения. Таким образом, в системе наличествует независимый источник мощности возбуждения. Так же, как и опция AREP, PMG служит надежной защитой при переходных процессах и временных подключениях нагрузки. Это можно наглядно увидеть на рис. 5, где представлены зависимости «просадки» напряжения от величины мощности подключаемой нагрузки для различных модификаций генератора Leroy Somer LSA 47.2, оснащенных системой AREP или PMG. Данную зависимость можно сравнить с аналогичным графиком, представленным на рис. 1, для тех же моделей генераторов, но оснащенных системой SHUNT.

Главное же преимущество систем PMG состоит в том, что изолированность источника мощности возбуждения позволяет полностью исключить влияние искажений (дополнительных гармоник) токов на входе альтернатора.

Советы напоследок

Большинство компаний, устанавливающих системы гарантированного электроснабжения, дают сходные советы по применению систем возбуждения в различных случаях. В основном эти рекомендации касаются самой надежной системы PMG, которую используют, как правило, там, где требуется высочайшая отказоустойчивость, например, в больницах, центрах обработки данных и т.д.

Напоследок приведем небольшой пример из жизни одного известного интегратора систем СГЭ. У клиента уже было установлено несколько ИБП для питания части нагрузки в 140 кВА из общих 400 кВА. Выбранные модели ИБП не имели опции мягкого старта. Было решено установить ДГУ, который должен был обеспечивать электроэнергией всю нагрузку. При расчете необходимой мощности оказалось, что с учетом падения напряжения при мгновенном подключении нагрузки необходимая мощность генератора оставляет 460 кВА. В модельном же ряду интегратора оказались две модели — на 450 кВА и на 510 кВА. Естественно, заказчику пришлось покупать более мощный ДГУ, который оказался, к тому же, на €20 тыс. дороже. Установи он ИБП с выпрямителем на IGBT-транзисторах, подобного перерасхода средств наверняка удалось бы избежать.

Таким образом, применяя ИБП с возможностью «мягкого старта», а также дизельные генераторы, оснащенные электронными турбированными двигателями и альтернаторами с опцией PMG, можно достичь стабильности работы системы гарантированного электропитания и оптимального соотношения мощностей ДГУ и ИБП, что позволит сэкономить значительные средства.

Автор выражает благодарность специалистам компаний «Мадек», «НТТ Энергия», «Цеппелин Украина», «Энерголайн», а также «Энергосистемы-Луджер» за ценные советы в процессе обсуждения темы.

Виктор ПАНЬКИВ.

Если Вы нашли ошибку в тексте, то выделите ее мышкой и нажмите Ctrl + Enter или нажмите здесь.

Сообщение об ошибке

Ошибка:

Ваш комментарий (не обязательно):

Да Отмена

Об авторе seti_i_biznes

Журнал «Сети и бизнес» - издание для специалистов в области сетевых технологий и рынка телекоммуникаций.