• +7 (988) 363-26-28
  • sale@upsware.ru

ИБП и резервный генератор

ИБП и резервный генератор

Если мне не изменяет память, оригиналом этой статьи поделился со мной в конце 90-х мой товарищ и была эта статья на английском языке. Авторство принадлежит компании IMV (Invertomatic Victron Energy Systems), швейцарскую часть которой (Invertomatic) впоследствии купила GE (сейчас это одно из подразделений GE Digital Energy), а голландская часть успешно работает и по сей день как Victron Energy. Целью статьи является стремление показать в общих чертах проблемы совместимости между такими агрегатами, как источник бесперебойного питания (ИБП) и резервный электрогенератор, выбор его мощности и действие на него различных гармонических составляющих тока, генерируемых выпрямителем ИБП.

Сразу оговорюсь – с момента написания статьи прошло более 20 лет. Технологии производства ИБП и двигатель-генераторных установок всё это время не стояли на месте, поэтому воспринимайте материал критически. Разумеется, его нельзя прямо использовать как руководство к действию или как помощь в выборе составляющих для ваших систем (много других нюансов), однако понять природу многих процессов и проблем, возникающих при совместной эксплуатации бесперебойника и генератора, эта статья несомненно помогает.

Во многих случаях двигатель-генераторная установка (ДГУ) используется для питания либо критичной нагрузки, либо системы бесперебойного питания (СБП). Во втором случае требуемое время автономии СБП  в отсутствие питания в основной сети равняется всего нескольким минутам. Здесь нет единого правила, но судя по многолетнему опыту множества инсталляций подобных систем, время поддержки СБП должно быть больше 10 минут, хотя бы для того, чтобы вручную привести в действие ДГУ.

Решение о приобретении резервной двигатель-генераторной установки приносит ощутимую экономию, связанную с отсутствием необходимости вложения денег в батареи большой ёмкости, однако, в этом случае настоятельно рекомендуется тщательно проанализировать специфические особенности и характеристики подобной системы, для того чтобы достигнуть наилучшего компромисса между ценой и возможностями системы, а также заблаговременного устранения возможных проблем, которые могу возникнуть когда ИБП и ДГУ работают в одной системе.

Генератор

ДГУ может быть рассмотрена в качестве отдельного (дополнительного) источника электроэнергии, который не соответствует стандартным правилам EN \ IEC 61000–2–4. Более того, мы оказываемся поставленными перед случаем, когда «Сеть» имеет высокий импеданс (полное электрическое сопротивление) и соответственно низкую мощность короткого замыкания.

Выходное напряжение ДГ зависит от системы регулирования напряжения генератора, которая получает входное напряжение и сравнивает его с требуемым значением. Если нагрузка ДГ создаёт определённые искажения, то это должно вызвать действие этой системы.

Гармоники тока, генерируемые нелинейными нагрузками протекая через входное полное сопротивление генерируют гармоники напряжения, которые накладываясь на основную волну, создают искажения напряжения.

Принимая это во внимание, очевидно, что все нелинейные нагрузки, такие как выпрямитель ИБП или SMPS (switched-mode power supply – импульсный источник электропитания), которые вызывают значительные гармонические нелинейные искажения, могут способствовать появлению серьёзных неполадок в работе ДГУ, таких, как нестабильная работа систем регулирования выходных параметров, а также перегрев обмоток генератора.

Внимание следует обратить на сверхпереходное реактивное сопротивление X”d  ДГУ; его значение варьируется в пределах от 10% до 30% в зависимости от типа ДГУ. Очень хорошо использовать ДГУ, который имеет самое низкое значение  X”d, поскольку искажения напряжения, вызванные нелинейными токами напрямую зависят от него.

Следовательно, чтобы получить наиболее низкие искажения напряжения, необходимо следующее:

  • THD (Total Harmonics Distortion) – суммарный коэффициент гармоник тока, генерируемого нелинейной нагрузкой должен быть как можно меньше.
  • сверхпереходное реактивное сопротивление X”d  ДГУ должно быть менее 15% (Для хороших ДГУ это 8 – 12%).

Если хотя бы одно из этих требований не выполняется, то уменьшения искажения напряжения можно достичь увеличением мощности ДГУ, что будет означать резкое снижение коэффициента его использования.

ИБП и ДГУ

Если электрическая система использует ДГУ для питания ИБП, и они используются вместе, возникают проблемы, которых может не быть, в случае, если бы они использовались отдельно. Когда эти проблемы существуют, то очень трудно корректно обозначить ответственного за их выявление и исправление. Производитель ИБП может сказать, что его аппарат работает превосходно, и дело в ДГУ. В свою очередь, производитель ДГУ может сказать, что всё дело в нагрузке и нет ничего, что может быть сделано, чтобы отрегулировать работу ДГУ.

Способность ДГУ и ИБП корректно работать вместе требует специального рассмотрения касательно их совместимости. Длительный опыт IMV позволил обозначить следующие совместные проблемы и решения, связанные с совместной работой ИБП и ДГУ. Как упоминалось раннее, выпрямитель ИБП генерирует нелинейные токи, которые текут через полные сопротивления входных линий ИБП и генератора, вызывая искажение напряжения. Что-бы уменьшить суммарный коэффициент гармоник тока, IMV предлагает различные решения, либо увеличивая количество импульсов выпрямителя, либо используя фильтры.

Фильтр

С целью обеспечения минимального риска нестабильной работы системы при использовании ИБП вместе с ДГУ, особое внимание должно быть уделено использованию в ИБП входных фильтров.

Фильтры разработаны для уменьшения влияния токовых гармоник и для того, чтобы улучшить (увеличить) входной коэффициент мощности при работе с ИБП на полную нагрузку. Некоторые производители ИБП, включая IMV, заинтересованы в возможностях конфигурирования ИБП в условиях отсутствия или малой нагрузки, снабжая ее питанием, частично или полностью отключая фильтры.

В условиях частичной нагрузки, около 30%, или ее полного отсутствия наблюдается ситуация, когда не отключенные входные фильтры являются причиной очень низкого входного коэффициента мощности. Эта ситуация может возникнуть в особенности тогда, когда напряжение в питающей сети отсутствовало, выпрямитель был включен и обмотки ДГУ фактически питают одни только входные фильтры, которые обладают большой емкостью. Однако ДГУ может питать только небольшой емкостной ток (рис. 2).

Рис. 1. Использование ДГУ для питания индуктивной нагрузки.

Использование ДГУ для питания индуктивной нагрузки

 

Рис. 2. Использование ДГУ для питания емкостной нагрузки.

 

ДГУ, питая исключительно цепи входных фильтров, может отключаться, благодаря наличию сверхвысокого напряжения (до 500 В) или избытков энергии возбуждения, которые должны привести в действие системы регулирования ДГУ. Эти отключения, происходящие в отсутствие питания в основной сети, могут вызвать в конечном счете обесточивание критичной нагрузки.

Изменения нагрузки  (наброс нагрузки)

Когда ДГУ находится в работе, мгновенный наброс нагрузки на него вызывает внезапное возникновение высоких токов, что, в свою очередь, вызывает колебания напряжения и частоты.

Для того чтобы избежать этой проблемы, производители современных ИБП предусматривают в своих аппаратах мягкий старт, который производит постепенную загрузку ДГУ от нулевой до полной своей мощности. Этот процесс может длится до 30 сек.

Частотная синхронизация

ДГУ имеет соответствующие ограничения на то, насколько точно и быстро они смогут регулировать изменяющуюся частоту вследствие внезапных изменений нагрузки. С другой стороны, допускаемые пределы изменения частоты могут быть очень узкими для обеспечения синхронизации ИБП с ДГУ. Результатом может быть постоянное состояние тревоги: «ИБП не синхронизирован с сетью». Поэтому ИБП должен иметь возможность блокировать синхронизацию, изменять скорость слежения за частотой и/или увеличивать окно синхронизации если критичная нагрузка допускает работу в более широком диапазоне частоты.

Заряд батарей

Электрическая энергия производимая ДГУ – дорога. В системе ИБП с большой батареей будет намного более интересным заряжать ее электрической энергией из основной питающей сети. Поэтому, ИБП должен иметь возможность блокировать заряд батарей при питании выпрямителя от ДГУ.

Выводы:

в системе, включающей ИБП и ДГУ должен быть сделан тщательный анализ, принимая во внимание вопросы совместимости оборудования.

1 – ИБП должен иметь:

  • мягкий старт;
  • средства уменьшения гармоник;
  • фильтры с автоматическим вкл./окл. в зависимости от нагрузки;
  • возможность блокировать синхронизацию с ДГУ;
  • возможность изменять скорость слежения за частотой;
  • возможность блокировки заряда батарей.

2 – ДГУ должен иметь:

  • Мощность, достаточную для питания ИБП, другой нагрузки и определенный запас.
  • Малое сверхпереходное реактивное сопротивление (<12%) для обеспечения малых искажений напряжения и для отсутствия необходимости значительного превышения мощности ДГУ.

3 – Сечение кабелей должно быть выбрано с учетом гармонических токов и если длина кабелей системы значительна, то 5-10%-е падение напряжения должно быть также учтено.

4 – Для больших установок также необходимо рассмотреть вопрос наличия конденсаторов, корректирующих входной фактор мощности. Эти конденсаторы создают резонансный контур с сетью и могут образовывать резонансные контуры с одной и более гармоническими составляющими тока, которые вызывают искажения напряжения.

Выбор ДГУ

Следующая информация может оказаться полезной для определения мощности ДГУ на основе его сверхпереходного реактивного сопротивления X”d,  приемлемого уровня искажения напряжения и входной мощности выпрямителя ИБП. (Входная мощность выпрямителя примерно на 10% больше номинальной мощности ИБП)

Примечание: Требования норм TC / IEC 61000-2-2 допускают максимальный суммарный коэффициент гармонических искажений напряжения – 8%.

Однако, рекомендуется при совместном использовании ИБП и ДГУ, для соблюдения их совместимости обеспечивать как минимум 1,5-кратный запас по мощности.

Ниже приведена упрощенная показательная формула для расчета мощности ДГУ.

Pg = Pr * C * X”d / D, где

  • Pg – мощность генератора;
  • Pr – входная мощность выпрямителя;
  • X”d – сверхпереходное реактивное сопротивление ДГУ;
  • D – допустимый уровень THD напряжения;
  • C – константа, значение которой зависит от количества импульсов выпрямителя и полного входного сопротивления электрической системы.

Значения, полученные для С методом экстраполяции:

  • для 6и импульсного выпрямителя  С = 1,3 – 1,6
  • для 12и импульсного выпрямителя  С = 0,8 – 1

Пример: ИБП 100кVA; D=6%; X”d=12%;

c 6-и импульсным выпрямителем Pg=(110*1.3*0.12)/0.06=260

c 12-и импульсным выпрямителем Pg=(110*0,8*0.12)/0.06=176кVA

В системе, где ДГУ и ИБП уже выбраны, приведенная выше формула может быть использована для вычисления предполагаемого уровня искажения напряжения и решить вопрос о необходимости фильтров для уменьшения значения THD напряжения.

D = (Pr * C * X”d)/Pg

Пример: ИБП 300кVA; ДГУ 450 кVA; X”d=12%;

  • c 6-и импульсным выпрямителем D =(330*1.3*0.12)/450=11%
  • c 12-и импульсным выпрямителем D =(330*0,8*0.12)/450=7%

Если необходим более низкий уровень THD, то необходимо рассмотреть возможность установки фильтров.

Примерное соотношение мощности ДГУ и мощности ИБП

  • для 6-и импульсного выпрямителя Pg=2,5 ~ 3 Pr
  • для 12-и импульсного выпрямителя Pg=1,5 ~ 2 Pr
  • для 12-и импульсного выпрямителя с фильтрами Pg < 1.5 в зависимости от THD

 

---
Application Engineering
UPS and Emergency Generator
INVERTOMATIC VICTRON ENERGY SYSTEMS

Перевод мой (Киселев А. К.), год не помню ))