ИБП (системы бесперебойного питания) и генераторные комплекты

«Бриз Моторс» поставляет источники бесперебойного питания Eaton 9355 (8 - 40 кВА), Eaton 93E (80 - 400 кВА), Eaton 93PM (30-200 кВт), а также иные модели и продукцию других производителей ИБП.

Задача построения стабильной системы электроснабжения существенно шире задачи простого выбора по каталогу систем, отвечающих за взаимодействие генерирующего оборудования и ИБП.

Системы поддержания постоянной температуры и нестабильность генераторов

Импульсные системы обогрева, применяемые для поддержания постоянной температуры воздуха в помещениях, предназначенных для установки ЭВМ, могут создать эффект, в ряде случаев диагностируемый как нестабильность генераторного комплекта, что связано с принципом их работы. Вообще, системы такого рода обеспечивают очень точное регулирование температуры, но создают на генераторе импульсные колебания нагрузки с частотой единицы герц, связанные со включением и отключением нагревательных элементов. Подобные колебания нагрузки приводят к быстрым изменениям частоты, которые двигатель и регуляторы не успевают отработать. Это может помешать ИБП войти в соединение с генераторным комплектом, либо привести к выдаче предупредительных сигналов (когда у ИБП не получается синхронизовать обходной тракт).

Тем не менее, в распоряжении проектировщика есть несколько методов устранения данного эффекта. Бороться с импульсными колебаниями нагрузки можно, заложив в систему генератор с заведомо избыточной мощностью. Кроме того, с эффектом можно бороться, перенося нагрузки от нагревательных устройство в конец циклограммы. Можно также расстроить генератор, уменьшив, таким образом, его чувствительность к колебаниям нагрузки, что замедлит пульсации частоты.

Однако, надо иметь в виду, что перестройка переходных режимов генераторного комплекта может неблагоприятно сказаться на его способности оперативно запитать других потребителей, что особенно касается двигателей, отличающихся большой энергоемкостью.

 Eaton Powerware 9390 100 кВА (90 кВт), 120 кВА (108 кВт)  Eaton Powerware 9390 100 кВА (90 кВт), 120 кВА (108 кВт), 160 кВА (144 кВт)

Коррекция коэффициента мощности и нестабильность генераторных комплектов

Для обеспечения устойчивости генераторного оборудования к пропаданию напряжения можно использовать цифровое регулирование напряжения, отдельные системы возбуждения и системы управления на основе широтно-импульсной модуляции. Однако, для борьбы с искажением синусоидального тока в системах электроснабжения производители предпочитают использование фильтров. Применение таких фильтров благоприятно сказывается на системе в целом, но может крайне негативно отразиться на работе генератора.

Регулятор, отвечающий за поддержание выходного напряжения на постоянном уровне, контролирует напряжение на клеммах генераторного комплекта и регулирует напряженность поля в генераторе переменного тока. Вполне очевидно, что при регулировании выходного напряжения в режиме холостого хода уровень управляющего сигнала на выходе регулятора достаточно низок.

При этом изготовители ИБП оптимизируют параметры фильтров для работы на предельных нагрузках. При низкой нагрузке величина емкости может оказаться избыточной. При этом коэффициент мощности становится положительным (относительно генераторного комплекта). Как следствие, при подаче напряжения на выпрямитель ИБП происходит повышение напряжения в системе электроснабжения. Поскольку выпрямители в силу своей конструкции отрабатывают, начиная с нулевой нагрузки (это необходимо для минимизации нагрузки при переходных режимах), они практически всегда характеризуются опережающим коэффициентом мощности относительно источника питания.

Бытовая система электроснабжения просто поглощает реактивную мощность, поскольку обладает большой (по сравнению с системой фильтров) реактивностью и большим числом потребителей, которые способны утилизировать эту энергию. Однако, при наличии генераторного комплекта, повышение напряжения ввиду появления опережающего коэффициента мощности заставляет регулятор напряжения срабатывать вниз и уменьшать напряженность поля генератора переменного тока. При этом, если рабочая точка регулятора напряжения уйдет слишком далеко вниз, регулятор утратит контроль над напряжением в системе, которое может, в свою очередь, резко повыситься.

Для ИБП повышенное напряжение является аварийным и нежелательным режимом, а потому при обнаружении такого состояния он может отключить свой выпрямитель. После этого повышенное напряжение снимается, система возвращается к номинальным значениям. Сторонний наблюдатель же видит происходящее как неспособность генератора воспринять нагрузку.

Решение данной проблемы лежит в плоскости характеристик собственно генератора. Генераторы физически неспособны поглотить значительную активную (кВт) или реактивную (кВА) мощность. Тут можно вспомнить старые проблемы с двигателями лифтов и генераторами, уходившими на высокие обороты. Тут мы имеем дело с тем же самым явлением, только здесь оно затрагивает не столько двигатель, сколько систему возбуждения генератора переменного тока.

Способность генератора переменного тока поглощать мощность описывается реактивной кривой, или эксплуатационной . По ней можно судить о способности машины вырабатывать или поглощать энергию. На графике по оси «х» отложена генерируемая или поглощаемая реактивная мощность в кВА (положительная область отложена вправо). По оси «у» отложена активная мощность в кВт (положительная область отложена вверх). В обоих случаях указаны значения в расчете на один агрегат, основанные на номинальной мощности генератора переменного тока, не обязательно мощности генераторного комплекта, номиналы которых могут отличаться ввиду различия номиналов двигателя и генератора переменного тока.

Нормальный эксплуатационный режим генераторного комплекта лежит между 0 и 100 процентами номинальной мощности генератора переменного тока (положит.) при коэффициенте мощности от 0.8 до 1.0, показанного на графике закрашенной областью зеленого цвета. Толстыми черными линиями на графике показан рабочий диапазон конкретного генератора переменного тока при его функционировании вне номинального диапазона. При этом следует отметить, что во избежание его перегрева при понижении коэффициента мощности необходимо пересчитывать номинал агрегата. В левом квадранте желтым цветом показана область, близкая к нормальному рабочему режиму, соответствующая незначительному опережению по коэффициенту мощности нагрузки, в данном случае – около 0.97. В этой точке способность поглощать дополнительную реактивную мощность падает практически до нуля. Этому соответствует красный цвет. В указанной области любая реверсивная реактивная мощность, превышающая по уровню предельное значение, приводит к отказу регулятора напряжения и, соответственно, к выходу напряжения из-под контроля.

Другими словами, если агрегат рассчитан на 1 000 кВА при коэффициенте мощности 0.8 (600 кВА номинальной реактивной мощности), поступление реверсивной реактивной мощности на 0.2 номинала на агрегат превысит возможности системы. Таким образом, реверсивная реактивная мощность свыше 120 кВА приведет к осложнениям. А ведь для большинства специалистов этот уровень покажется весьма низким. Предотвратить появление избыточной реактивной мощности можно грамотным проектированием систем, равно как путем применения следующих технических решений:

  • Изменить последовательности включения потребителей на объекте таким образом, чтобы в момент подключения ИБП к генератору на шине уже были потребители, способнее поглотить реактивную мощность и предотвратить выход напряжения из-под контроля. В ряде случаев это потребует пересмотра последовательности включения нагрузок. Например, можно стачала подключить к генератору не ИБП, а механические потребители. Либо распределить нагрузки по менее мощным отдельным секциям ИБП и механических нагрузок, а не организовывать изолированные шины большой мощности для нагрузок каждого типа.
  • Отключать фильтры ИБП при работе от генераторного комплекта, либо снизить глубину фильтрации. В случае, если генератор оснащен современной цифровой системой возбуждения, для работы генератора фильтры не потребуются. Однако, для обслуживания других потребителей они могут все же понадобиться.

Специфические осложнения при параллельной работе агрегатов

Синхронность генераторов при их параллельной работе обеспечивается за счет магнитного поля, действующим между ротором и статором генератора переменного тока. В случае исчезновения поля в результате отказа регулятора напряжения возможно «смещение полюса». В этом случае агрегат попадет в ту же ситуацию, что и при параллельной работе с потерей синфазности. Такой ситуации, очевидно, необходимо избегать.

В большинстве случаев изготовители генераторных комплектов, предназначенных для работы в параллельном режиме, оснащают их защитой от реверсивной реактивной мощности (срыва поля). Такая защита, при условии грамотной настройки, эффективна против смещения полюса в конкретных условиях эксплуатации генератора. Для параллельных режимов работы изготовитель генератора переменного тока должен предоставить кривые допустимой реактивной мощности, которые нужны проектировщику для определения уставок защитных систем. Излишне консервативные уставки могут привести к неоправданным остановкам генератора, а то и системы в целом, в то время как излишне смелые уставки не обеспечат должного уровня защиты.

Актуальные вопросы проектирования

Несмотря на то, что новые технологии, равно как совместная работа изготовителей оборудования и проектировщиков, во многом решили проблему совместимости ИБП и генераторных комплектов, ряд сложностей, способных поставить под вопрос надежность систем электроснабжения, еще остаются.

В целях минимизации или полного устранения проблем совместимости ИБП и резервных генераторов, при проектировании необходимо следовать следующим рекомендациям:

  • Использовать уже зарекомендовавшие себя технические решения. Например, выбирать генераторные комплекты с генераторами переменного тока, отличающимися медленным нагревом. Эти более мощные генераторы могут обеспечить более эффективный запуск двигателей и большую устойчивость к искажению формы синусоиды.
  • Закладывать низкое сверхпереходное реактивное сопротивление генераторов переменного тока, цифровых систем управления возбуждением и регуляторов силового напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Кроме того, ИБП обычно требуют применения электронных изохронных регуляторов.
  • Всегда используйте проходные выключатели с пропусканием в открытом или закрытом состоянии с задержкой перехода в нейтральное положение.
  • По возможности используйте сложные ИБП. Последние разработки в большинстве случаев отличаются более низкими гармоническими искажениями и более низкой чувствительностью к колебаниям частоты. Кроме того, они, как правило, обладают более широкими возможностями регулировки параметров взаимодействия ИБП и генератора.
  • Всегда имейте представление о способности генератора переменного тока поглощать реактивную мощность и определяйте величину корректирующей реактивности нагрузки. Определяйте, какие конкретно рабочие последовательности могут привести к опасно высокой реактивной мощности и соответствующим образом подбирайте характеристики системы.

В процессе проектирования следуйте изложенным указаниям, проявляйте разумную осторожность – и Вы сможете избежать большинства проблем взаимодействия ИБП и генератора. Если трудности все же возникли, ключом к успешному их устранению является тесное сотрудничество поставщиков генераторов и ИБП.

Гармонические составляющие тока ИБП, вызывающие нагрев генератора переменного тока. С точки зрения генератора ИБП представляет собой нелинейную нагрузку, приводящую к появлению высших гармоник и постепенному нагреву генератора переменного тока. Эта проблема может быть устранена путем использования более мощного генератора переменного тока. Рекомендации изготовителей относительно выбора мощности оборудования отличаются друг от друга, но большинство сходится на том, что при работе на нелинейную нагрузку номинальная мощность должна быть увеличена на 15-20% по сравнению с режимом работы на аналогичную линейную нагрузку. Кроме того, практика продемонстрировала возможность заложения избыточной мощности в генератора переменного тока без заложения дополнительной мощности в двигатель. Это позволяет избежать рада затруднений при работе на небольшую нагрузку, которые характерны для дизельных двигателей.

Искажение синусоиды. Высшие гармоники тока в системе электропитания нарушают и форму напряжения, что более заметно при работе от генераторного комплекта, чем от сети. Это связано с тем, что импеданс генератора выше. Если задаться целью довести импеданс генератора до импеданса сети, придется ставить агрегат с нерационально большим запасом по мощности. А потому проектировщику зачастую приходится решать вопрос об уровне гармонических искажений на основе чисто умозрительных соображений. Наилучший с точки зрения эксплуатации результат получается, если заложить в проект максимально допустимое значение сверхпереходного реактивного сопротивления. При этом важно грамотно оценить предложения, поступающие от разных изготовителей генераторных комплектов.

Неправильная работа регуляторов напряжения генераторного комплекта. Искажения формы синусоиды могут также нарушить работу регуляторов напряжения генераторного комплекта. Этого можно избежать, используя трехфазные сенсорные цифровые регуляторы напряжения, регуляторы напряжения на основе широтно-импульсной модуляции, а также отдельных систем возбуждения (например, генераторов с постоянным магнитом). Такие решения могут практически исключить влияние на генератор сбоев в работе регулятора напряжения, вызванных искажениями.

Нестабильность работы регуляторов. Сбои в работе регуляторов напряжения вследствие искажения формы напряжения часто приводили к сбоям в работе генераторов, когда выпрямитель ложно срабатывал на ИБП. Сейчас, с появлением цифровых систем управления возбуждением, эти проблемы проявляются относительно редко. Некоторые изготовителя предлагают цифровые системы регулирования, обеспечивающие более стабильную работу двигателей за счет наличия датчиков температуры двигателя, исходя из которой изменяются коэффициенты передачи управляющих контуров.

Переходные напряжения и стабильность частоты. Проектировщикам хорошо известно, что частота генератора никогда не будет столь же стабильна, как и частота централизованной сети. При этом колебания величины нагрузки приводят к колебаниям напряжения и частоты, которые, в свою очередь, могут сказаться на ИБП. Уменьшить число ложных срабатываний аварийного сигнала можно путем установки оптимальной скорости изменения выхода, обычно от 3 до 5 Гц/с.

Работа проходных ключей и сбои в работе ИБП. В прежние годы сбои в работе ИБП происходили при переключении проходных ключей. В основном – когда проходной ключ слишком быстро переключался с одного источника под напряжениям на другой, вызывая отказ выпрямителя или сбой в его работе. В наши дни простые и доступные системы с «программируемым переключением» (они имеют некоторую задержку при переключении), а также быстродействующая коммутационная аппаратура, эти затруднения устранили.