Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

Взаимодействие ИБП и дизель-генератора

Алан Кац

О совместимости некоторых типов источников бесперебойного питания (ИБП) с дизель-генераторными установками уже сказано немало. Чтобы выяснить, насколько правдивы многие из этих высказываний, нужно в первую очередь разобраться в том, как функционируют разные типы ИБП и какие характеристики этих устройств являются определяющими при работе с дизель-генераторами. Это позволит точно определить технические решения, которые более всего подходят для обеспечения наилучшего взаимодействия ИБП с дизель-генератором с точки зрения не только их совместимости, но и надежности всей системы в целом.

Причины несовместимости нагрузки с дизель-генератором

На рабочие характеристики дизель-генератора в первую очередь влияют нелинейные искажения, вносимые нагрузкой (в нашем случае ИБП). Они определяются суммарным коэффициентом нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion — THD). Если говорить точнее, то нагрузкой для дизель-генератора является выпрямитель ИБП, в большинстве случаев выполненный на тиристорах. При использовании 6- и 12-пульсных выпрямителей коэффициент THD может достигать 40 и 14% соответственно. Поскольку ИБП зачастую комплектуются входными фильтрами, снижающими коэффициент THD до 5%, вышеприведенные данные не играют большой роли — для работы дизель-генератора прежде всего важен конечный уровень нелинейных искажений. Влияние данного параметра на параметры дизель-генератора выражается в следующем: чем больше его значение, тем выше должна быть мощность дизель-генератора по сравнению с ситуацией, когда нелинейные искажения минимальны. Даже при больших значениях коэффициента THD (больше 50%) нет никаких особых проблем с совместимостью ИБП и дизель-генератора, просто в этом случае от последнего требуется боўльшая выходная мощность, в результате чего происходит завышение его эксплуатационных параметров. При малых значениях коэффициента THD (не больше 10%) предпосылок к этому практически не возникает.

При определении требуемой выходной мощности дизель-генератора уровень нелинейных искажений на входе ИБП по большому счету не имеет значения, необходимо учитывать возможные последствия перехода ИБП на байпас, когда нагрузка получает электропитание непосредственно с выхода дизель-генератора.

Поскольку наиболее критичная нагрузка (а она, как правило, представляет собой импульсные источники питания серверов, персональных компьютеров, компрессоров холодильных установок, электроприводов) обычно носит нелинейный характер, суммарное значение коэффициента THD для оборудования, размещенного, например, в центре обработки данных, может колебаться от 40 до 90%. Это означает, что при выборе дизель-генератора по такому параметру, как мощность, нужно принимать во внимание именно эти данные, поскольку значение коэффициента THD у ИБП зачастую намного ниже. Превышение коэффициентом THD уровня в 50% (а это приводит к искусственному завышению мощности дизель-генератора всего лишь на 20%) является уже более чем достаточным поводом для борьбы с нелинейными искажениями.

Для мощных ИБП считается приемлемым значение коэффициента THD в пределах 7—10% при номинальной мощности, в то же время большинство производителей предлагают решения, позволяющие снизить его до 5—7% посредством установки гармонических фильтров. Важно понимать, что нелинейные искажения на уровне 5, 7 и даже 10% практически не оказывают никакого влияния на нагрузку, подключенную вместе с ИБП к одной и той же электросети. Если рассматривать ИБП в качестве источника искажений в сети электропитания, нужно обязательно учитывать уровень его нагрузки. Так, при коэффициенте THD, равном 25%, и нагрузке 10 кВт искажения в электросети нисколько не сравнимы с теми, какие дает нагрузка 100 кВт при коэффициенте THD, равном 15%.

Реактивный ток

Второй и более существенный фактор, определяющий совместимость ИБП с дизель-генератором, — величина реактивного (или обратного) тока, генерируемого ИБП или нагрузкой (выражается в kVAR — киловольт-амперах реактивных). Это свойственно нагрузке, имеющей емкостный характер; например, ею могут быть конденсаторные батареи на выходе выпрямителя ИБП. Когда дизель-генератор работает с такой нелинейной нагрузкой (в режиме опережающих токов), то в определенные моменты времени накопленная в конденсаторах энергия возвращается в источник (в нашем случае на выход дизель-генератора), т. е. образуется обратный ток. При этом на выходе дизель-генератора создается повышенное напряжение, воспринимаемое системой его управления как ошибка, и дизель-генератор отключается.

Подобная ситуация наиболее вероятна в том случае, когда нагрузка на ИБП значительно ниже его номинальной мощности и коэффициент мощности ИБП имеет минимальное значение. По мере увеличения нагрузки на выходе ИБП на выходе его выпрямителя происходит постепенный заряд конденсаторов до предельного уровня, в результате чего улучшается коэффициент мощности, а сдвиг между напряжением и током на входе ИБП уменьшается. Чем больше нагрузка, тем меньше ИБП влияет на систему регулирования выходного напряжения дизель-генератора.

Данная проблема может возникнуть и при запуске дизель-генератора, когда выходную мощность выпрямителя ИБП специально ограничивают, что делается для того, чтобы пуск дизель-генератора производился на малую нагрузку. В результате ток вновь начинает опережать напряжение по фазе и опять-таки создаются условия для возникновения сбоя в системе управления дизель-генератора.

Если нагрузка на выходе ИБП превышает 40% от его номинальной мощности, коэффициент мощности системы бесперебойного питания будет иметь значение, приемлемое для нормальной работы большинства дизель-генераторов. Даже в самом худшем варианте развития событий вышеописанную проблему можно решить путем завышения мощности дизель-генератора, однако в мощных системах такой выход из положения является непрактичным, поэтому следует искать другие варианты.

Так же как и для коэффициента THD, обеспечивая совместимость ИБП с дизель-генератором, нужно принимать во внимание коэффициент мощности не только самого ИБП, но и подключенной к нему нагрузки, чтобы учесть возможность перехода ИБП в режим байпаса, когда нагрузка питается непосредственно от дизель-генератора.

Должно браться в расчет и оборудование, не защищаемое ИБП, но подключенное к той же системе энергоснабжения, так как при пропадании напряжения в сети оно будет питаться напрямую от дизель-генератора. Довольно часто это оборудование представляет собой индуктивную нагрузку (например, электромоторы) и как следствие, потребляемый им ток отстает от напряжения по фазе. За счет этого происходит компенсация реактивной мощности, потребляемой ИБП при небольших уровнях нагрузки.

Сопоставляя нагрузочные диаграммы для ИБП и прочего оборудования, можно определить суммарный коэффициент мощности всей подключенной к системе энергоснабжения нагрузки. Как правило, он выше значений коэффициента мощности ИБП, рассматриваемых по отдельности (фазовые сдвиги намного меньше). Это означает, что для нормальной работы всей системы в целом не нужно завышать мощность дизель-генератора сверх разумных пределов.

Даже если система бесперебойного питания имеет приемлемый коэффициент мощности во всех режимах работы, то определенное завышение мощности дизель-генератора все равно может потребоваться. С одной стороны, это обусловлено наличием другого оборудования, подключенного к той же сети электропитания, а с другой — при подключении нагрузки к выходу дизель-генератора напрямую (ИБП переходит в режим байпаса) завышение мощности дизель-генератора позволяет избежать нежелательных последствий, вызываемых противотоками, которые генерируются трансформаторами или источниками электропитания оборудования. Эта мера может потребоваться и в случае, если к дизель-генератору будет постоянно подключено большое число потребителей. Совокупный коэффициент мощности всех устройств, получающих электропитание от дизель-генератора, как раз и определяет требуемую от него мощность.

Как достичь лучшей совместимости?

После того как мы разобрались с факторами, влияющими на совместную работу всей системы бесперебойного питания с дизель-генератором, можно оценить эффективность разных решений, улучшающих параметры взаимодействия комплекта ИБП/дизель-генератор в целом.

Одно из таких решений заключается в использовании коммутируемого емкостного фильтра, который перед запуском дизель-генератора и при низкой нагрузке на ИБП отсоединяется от выхода выпрямителя специальным переключателем. Таким образом уменьшается реактивная составляющая, создаваемая емкостным фильтром. Когда дизель-генератор запущен, переключатель еще какое-то время остается разомкнутым, и подключение емкостного фильтра к выходу выпрямителя ИБП происходит только после того, как нагрузка на его выходе превысит определенный уровень. Чем эта нагрузка выше, тем меньше реактивной мощности будет потреблять ИБП.

При реализации подобного решения опасность заключается в том, что если по какой-то причине переключатель не сработает и фильтр не отсоединится от выхода выпрямителя, то в силу вышеописанных причин система регулирования выходного напряжения дизель-генератора отключит его. Если же после запуска дизель-генератора фильтр останется отключенным, то уровень нелинейных искажений на входе ИБП увеличится, а значение коэффициента THD может достичь 45%. Еще одним отрицательным моментом при реализации этого решения является тот факт, что при коммутации фильтра большой емкости в сети электропитания вполне вероятно возникновение кратковременных провалов напряжения, которые отнюдь не лучшим образом влияют на нагрузку, подключенную к той же шине питания, что и ИБП. Более того, эти искажения напряжения способны передаваться и на другие шины питания.

IGBT — хорошо, но...

В современных ИБП подавляющее большинство инверторов строятся на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), однако они пока так и не нашли широкого применения в выпрямителях. Возникает вполне логичный вопрос: почему? Ответ на него зависит не столько от реализации технического решения выпрямителя, сколько от функциональных особенностей его компонентов. Выпрямление переменного тока с помощью IGBT-транзисторов снижает уровень нелинейных искажений, устраняя, таким образом, потребность в дополнительных фильтрах и конденсаторных батареях. Кроме того, выпрямители на базе IGBT-транзисторов обеспечивают стабильный коэффициент мощности.

Главным препятствием на пути их использования является относительно низкий КПД. Дело в том, что IGBT-транзисторы работают в области гораздо более высоких частот, чем тиристоры, поэтому коммутационные потери в выпрямителях тоже будут намного больше. При рассмотрении зависимости КПД выпрямителя на IGBT-транзисторах от величины нагрузки, можно отметить,что при низкой нагрузке он ухудшается. Это означает, что такие выпрямители весьма требовательны к условиям эксплуатации, особенно это касается выпрямителей в мощных ИБП.

Современные тиристорные выпрямители, различные гармонические фильтры и прочие дополнительные устройства типа индуктивных фильтров для цепи байпаса обеспечивают практически аналогичные входные характеристики (коэффициент THD — 5%, коэффициент мощности — 0,95), являясь при этом более эффективными. Поэтому применение в мощных устройствах выпрямителей с коррекцией коэффициента мощности на IGBT-транзисторах имеет минимальные преимущества перед ними.

По заверениям некоторых специалистов линейно-интерактивные ИБП (иногда их выдают за ИБП типа он-лайн) весьма “дружественны” по отношению к дизель-генераторам, однако имеют ряд серьезных недостатков. Из теории известно, что при работе таких устройств в обычном режиме (напряжение сети изменяется в пределах 10—15% его номинального значения) электропитание поступает в нагрузку напрямую от сети. В определенных пределах отклонения напряжения от номинального значения и гармонические искажения корректируются инвертором ИБП, подключенным параллельно основному источнику электропитания. При таком режиме работы действительно создаются довольно благоприятные условия для совместной работы ИБП и дизель-генератора.

Ахиллесовой пятой линейно-интерактивных ИБП остается невозможность регулировать частоту напряжения (это не относится к режиму работы от батарей, нагрузка полностью питается от инвертора ИБП). Неприятности начинаются, когда подключенный к ИБП дизель-генератор резко увеличивает выходную мощность (например, при включении мощного электромотора или когда трансформатор создает противоток). При этом частота выходного напряжения дизель-генератора, как правило, падает и ИБП ничего не остается, как пропустить напряжение пониженной частоты в нагрузку или перейти на питание от батарей.

Если ИБП работает на большой относительно дизель-генератора мощности, данное событие приведет к тому, что нагрузка будет переведена на питание от инвертора ИБП. После стабилизации частоты выходного напряжения дизель-генератора ИБП опять переключится на питание от дизель-генератора, вынуждая его скачком увеличить выходную мощность. ИБП при этом вновь переведет нагрузку на питание от батарей и т. д. Этот неуправляемый циклический процесс будет продолжаться до тех пор, пока заряд батарей не израсходуется, в результате защищаемое оборудование останется без электропитания.

Некоторые производители пытаются решить данную проблему путем расширения диапазона рабочих частот ИБП до 4—6 Гц от номинального значения, т. е. при отклонениях частоты входного напряжения в этих пределах ИБП не будет переключаться на работу от батарей. Недостатки данного решения очевидны: во-первых, в нагрузку будет поступать напряжение с частотой, отличной от номинальной, а во-вторых, вполне вероятно, что при скачкообразном увеличении выходной мощности отклонения частоты выходного напряжения дизель-генератора превысят рамки указанного диапазона — следовательно, проблема останется. Из всего сказанного следует, что при совместном использовании линейно-интерактивных ИБП и дизель-генераторов необходимость в завышении мощности последних отнюдь не исчезает.

Гармонические входные фильтры

Более эффективным решением для улучшения совместимости дизель-генератора и ИБП является использование гармонического фильтра. Подобные устройства разрабатываются специально для снижения реактивной составляющей потребляемой мощности и ограничения ее в контролируемых пределах. Их применение позволяет уменьшить уровень нелинейных искажений до 6—7%, что никак не сказывается на нормальной работе дизель-генератора и не требует завышения мощности последнего. Кроме того, столь низкий уровень нелинейных искажений не мешает работе оборудования, подключенного к той же сети электропитания, что и ИБП с гармоническим фильтром на входе. Еще один плюс данного решения — использование только пассивных компонентов, поэтому никаких коммутационных потерь, как при активной коррекции коэффициента мощности, не происходит.

Для тех случаев, когда требуется обеспечить крайне низкий коэффициент THD и снизить реактивную составляющую потребляемой мощности до минимума в любых режимах работы ИБП, компания MGE UPS Systems разработала шунтирующий индуктивный фильтр. Его функционирование основано на принципе компенсации реактивной мощности, создаваемой емкостной нагрузкой. Исходя из этих соображений и выбирается индуктивность фильтра. Таким образом, независимо от величины нагрузки на выходе ИБП или от момента запуска дизель-генератора будет предотвращаться возникновение реактивных токов на входе ИБП. Высокая надежность фильтра обусловлена использованием в нем только пассивных компонентов.

Благодаря снижению реактивной составляющей потребляемой мощности и низкому коэффициенту THD применение подобного фильтра теоретически позволяет обеспечить соотношение мощностей дизель-генератора и ИБП 1:1 (с учетом тока заряда батарей и при работе ИБП в режиме байпаса).

Правильно рассчитанный фильтр успешно фильтрует гармоники тока и минимально влияет на эффективность работы системы в целом, потребляя всего около 0,5% ее мощности. При сравнении данного решения с решением, основанным на технологии активной коррекции коэффициента мощности, видны определенные преимущества использования шунтирующего индуктивного фильтра.

Об авторе
Кац Алан,
менеджер компании MGE UPS Systems
Телефон представительства в Москве: 937-6762


Вам будет интересно - горящие туры - сайт.




  
13 '2001
СОДЕРЖАНИЕ

колонка редактора

• Спутниковая отрасль возвращается к истокам

бизнес

• Катастрофоустойчивые корпоративные информационные системы

• Hewlett-Packard всерьез обосновывается на рынке ПО

• Профессиональная сертификация - уравнение со многими неизвестными

локальные сети

• Экранирование кабелей: практичное решение защищенной передачи сигналов

• Взаимодействие ИБП и дизель-генератора

• Еще раз о совместимости ИБП с дизель-генератором

• Руководство для покупателя серверов NAS

• Linux как рабочая платформа

корпоративные сети

• Коммутаторы Web: руководство для покупателя

• Резервирование данных для мобильных и удаленных пользователей

• Тестируем 2-Гбит/с адаптеры Fibre Channell

• Закон и ПО с открытым исходным кодом

услуги сетей связи

• VoDSL. Что над чем и зачем

• Сначала сеть - потом приложения?

• MMDS: от телевещания к высокоскоростному доступу в Интернет

• Технологическое оборудование для прокладки волоконно-оптических линий связи на ЛЭП

системы учрежденческой связи

• Call-центры в России и за рубежом

• Телефонные "лего" из Москвы и Петербурга

защита данных

• Урок функциональности

новые продукты

• Знакомьтесь: ViewStation; Очередная "пятерка" Invensys Powerware Division


• Калейдоскоп



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх