Последний рубеж защиты питания

Не рассчитанные на продолжительное поддержание нагрузки, ИБП не способны обеспечить защиту критичного оборудования в случае длительных нарушений электроснабжения. Решением проблемы может стать их совместное использование с ДГУ, однако такие системы требуют точного расчета параметров с учетом многих факторов.

«Пусть он в связке в одной с тобой, — там поймешь, кто такой».

По сравнению с динамично развивающимися телекоммуникационными или сетевыми технологиями, в такой сложившейся отрасли, как обеспечение гарантированной защиты электропитания, перемены происходят нечасто. Однако бурный прогресс в сфере электроники и массовое производство электронного оборудования способствовали движению научной и инженерной мысли и в области энергоснабжения.

За последние годы заметно изменилась пропорция между объемами подключаемой к электрической сети линейной и нелинейной нагрузки (к последней относится нагрузка, в которой ток и напряжение связаны между собой нелинейным законом: чувствительная электронная техника со встроенными импульсными источниками питания, механическая нагрузка с регуляторами скорости вращения приводов и др.). С одной стороны, увеличение доли нелинейной нагрузки привело к изменению характера ее воздействия на саму электрическую сеть, с другой — значительно повысилась ответственность решаемых задач и ужесточились требования к качеству электропитания. В результате у проблемы обеспечения бесперебойной работы питающегося от электрической сети оборудования появились дополнительные аспекты, и, как следствие, новые подходы к ее решению.

ЦИФРЫ И ФАКТЫ

В нашей стране существуют стандартные требования к характеристикам электрической сети. Так, в соответствии с ГОСТом 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», в Российской Федерации должны соблюдаться определенные параметры электропитания. Нормальное значение отклонения действующего напряжения от номинала 220 В должно составлять 5%, а предельно допустимое — 10%; стандартное значение частоты не должно выходить из диапазона 50?0,2 Гц, при этом допустимый предел отклонения равен 0,4 Гц. Коэффициент отклонения от синусоидальной формы сигнала не может превышать 8% за длительный период и 12% за короткий. К сожалению, в настоящее время установленные нормы соблюдаются далеко не всегда, и даже в стабильных в отношении электроснабжения регионах с большим количеством источников электроэнергии зачастую на качество электрической сети неблагоприятно влияют внешние факторы (расположенные поблизости крупные предприятия, разряды молнии и т. д.).

Низкое качество параметров электрической сети ведет к прямым и очень серьезным убыткам в таких секторах экономики, как промышленность, телекоммуникации, банковская сфера, где минута простоя влетает в копеечку. О медицинской сфере и вовсе говорить не приходится — здесь нарушения в системе электроснабжения представляют собой прямую угрозу для жизни людей. К тому же утрата данных по причине перебоев в напряжении порою оборачивается потерей немалых средств, а плохое качество электропитания негативно сказывается на работоспособности самого оборудования и ведет к его преждевременному износу и даже порче.

Однако какие бы ГОСТы и регулирующие акты ни издавались, проблема эта существует и по тем или иным причинам будет существовать всегда, о чем красноречиво свидетельствует статистика продаж оборудования для защиты электропитания. Так, по данным аналитической компании ITResearch, общий объем ИБП, реализованных на российском рынке в III квартале 2002 г., оценивается в сумму 42 млн долларов (без учета сетевых фильтров, дополнительных батарей и аксессуаров). Если приведенные показатели сравнить с результатами аналогичного периода предыдущего года, то рост рынка ИБП в количественном выражении составил 43%. В денежном исчислении рынок вырос лишь на 16%, в первую очередь из-за того, что в 2002 г. системы бесперебойного питания многих производителей существенно подешевели.

ПОСЛЕДНИЙ БАСТИОН

Сколь бы ни была продуманной и надежной система защиты электрической сети от сбоев, все же источник бесперебойного питания по своей сути предназначен, в первую очередь, для того, чтобы защищаемой нагрузке хватило времени для нормального завершения выполняемого задания. Это устройство не генерирует электроэнергию, не рассчитано на длительное поддержание нагрузки (время работы от ИБП определяется емкостью батарей), а потому не может служить средством защиты электрооборудования от продолжительных капризов электросети.

Конечно же, многие проблемы снимаются, если можно использовать два (и более) ввода от различных подстанций, как это делается при строительстве крупных деловых центров в соответствии с современными требованиями к зданиям высшей категории. В общем случае уровень энергообеспечения объектов диктуется разумной необходимостью и определяется действующим на территории РФ регламентирующим актом «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ). Этот документ выделяет категории нагрузки (объекты II, I категории и объекты особой группы I категории) и описывает соответствующие им требования к электропитанию, хотя ничто не мешает обеспечить электроснабжение с избытком. Например, в строящемся офисно-гостиничном комплексе Country-Park в районе Химкинского водохранилища (место выбиралось с учетом сложившейся инфраструктуры; завершение проекта, генеральным подрядчиком которого является компания Race Communications, намечено на III квартал 2003 г.) используется с запасом шесть фидеров от трех подстанций.

Проблема защиты электропитания особенно остро встает в офисных зданиях, сосредоточенных в центре Москвы, где плотность застройки высока, а старые подстанции зачастую работают на пределе своих возможностей. Выходом из трудного положения может стать применение дизель-генераторных установок, или ДГУ, выполняющих роль электростанций самой различной мощности (впрочем, и эти агрегаты имеют ограниченную мощность по отношению к питаемой ими нагрузке). При защите офисной компьютерной электрической сети ДГУ редко устанавливают без ИБП. В случае краткосрочных нарушений в подаче напряжения ИБП поддерживает нагрузку с помощью аккумуляторных батарей, а при длительных — нагрузка переключается на дизель-генератор.

ВОЗМОЖНО ЛЬ ВПРЯЧЬ В ОДНУ ТЕЛЕГУ?

Организация совместной работы ДГУ и ИБП не так проста, как может показаться на первый взгляд, и вопрос о том, каким образом согласовать уникальные рабочие характеристики таких устройств, требует специального рассмотрения и учета множества факторов в каждом конкретном случае отдельно. Производимые за рубежом и в России серийные ДГУ предназначены для питания преимущественно активно-индуктивной нагрузки, которая потребляет ток синусоидальной формы с небольшим коэффициентом нелинейных искажений. Между тем в связке ДГУ и ИБП последний выступает в роли нагрузки на генератор, причем эта нагрузка имеет существенно нелинейный характер из-за наличия импульсных схем выпрямителя. Поэтому выполнение проектов, где предусматривается совместное использование ДГУ и ИБП, — это не просто покупка и установка двух агрегатов, но, прежде всего, большая предварительная работа по расчету параметров с изучением всех аспектов. Следует оговориться также, что в подобных проектах применяются, как правило, трехфазные источники бесперебойного питания с двойным преобразованием напряжения мощностью более 20 кВА.

Публикации о применении ДГУ для защиты компьютерных и телекоммуникационных сетей в нашем журнале уже были (см. статьи А. Авдуевского «Заводи мотор» и «Интеграл от синуса» в январском и апрельском номерах «Журнала сетевых решений/LAN» за 2000 г.). Поэтому на вопросах конструктивного исполнения ДГУ, требованиях к установке и способах размещения, которые подробно описаны в упомянутых статьях, мы останавливаться не будем. Отметим лишь, что российские системные интеграторы, специализирующиеся в области систем бесперебойного питания на основе ДГУ и ИБП в диапазоне от 40 кВА до 1 МВА, используют преимущественно марки дизель-генераторных установок FG Wilson Engineering Ltd и SDMO.

Внешнее исполнение ДГУ остается традиционным: для наружного применения — в контейнерах, шумопоглощающих кожухах и, в мобильном варианте, в виде прицепа, а также для внутреннего применения в открытом виде. Последние должны устанавливаться в предусмотренном для таких целей специальном помещении, оборудованном системой вентиляции, пожарной сигнализации и пожаротушения. К сожалению, при проектировании здания старый дедовский завет «семь раз отмерь» часто забывают: где расположить дизель-генератор и как соотносятся его габариты с размерами дверных проемов помещения, ответственные лица вспоминают, когда уже трудно что-либо исправить. При реконструкции деловых центров во всем мире часто практикуют размещение дизель-генераторных установок на плоских крышах офисов, поскольку сами строения, как правило, специально не приспособлены для таких целей, свободного места нет ни внутри здания, ни на прилегающей территории, проемы окон и дверей узкие, лифты не всегда имеются. При этом приходится проводить расчет балок кровли на прочность, соблюдать требования к подавлению шума и к содержанию выхлопов. Подобным мероприятиям предшествует кропотливая работа специалистов конструкторского и расчетного отдела подрядчика, а также большой объем бумаготворчества, ввиду необходимости согласования множества деталей с различными инстанциями, включая организации, ведающие надзором за соблюдением противопожарных правил и экологических норм. В нашей стране подобные проекты выполняют такие компании, как NeuHaus, ИНЭЛТ, технический холдинг «Электросистемы», АБИТЕХ, MAS Electronik, ALAS Trest, «Техносерв», ELTECO и другие.

Дизель-генераторная установка и источник бесперебойного питания рассчитаны на работу в различных эксплуатационных режимах, поэтому их нежелательно устанавливать рядом в одном помещении. Впрочем, бывает и так, что ДГУ и ИБП находятся слишком далеко друг от друга, что также ведет к ряду сложностей — при прокладке кабелей требуются непростые кабельные разводки, которые не должны мешать прочей инфраструктуре, особенно в центре города.

ПРИНЦИП МАЯТНИКА

Каким должно быть соотношение мощностей ДГУ и ИБП при расчете комплексной системы защиты электропитания? Для ответа на этот вопрос следует принять во внимание множество факторов. При подборе мощности компонентов системы ДГУ-ИБП особое внимание уделяют нестабильным процессам, протекающим в пусковом режиме (хотя и в установившемся режиме могут возникнуть проблемы, о чем будет сказано ниже). Резкий наброс нагрузки (100%) провоцирует значительное изменение выходного напряжения генератора и частоты вращения двигателя. Практически все современные ДГУ снабжены регуляторами для контроля уровня данных параметров, однако при большом броске избежать просадки выходного напряжения и частоты невозможно. При выходе параметров напряжения и частоты ДГУ за пределы входных параметров ИБП, происходит следующее: источник, «оценив» такую ситуацию, как исчезновение напряжения, перестает потреблять мощность от генератора и переходит на питание от батареи; оказавшись в холостом режиме, ДГУ увеличивает напряжение и обороты до номинала, после чего ИБП опять переключает нагрузку на генератор, — таким образом, система попадает в режим «автоколебаний». Для борьбы с описываемым явлением все современные ИБП, используемые в связке с ДГУ, снабжены системой плавного переключения нагрузки — так называемого «мягкого» старта. Кроме того, избежать «качелей» помогает завышение мощности ДГУ над мощностью ИБП, но это влечет за собой дополнительные расходы.

ГАРМОНИКИ ПОРОЖДАЮТ ХАОС

Как уже говорилось выше, за последнее десятилетие резко возрос объем нелинейной нагрузки, подключаемой к электросети, исторически предназначавшейся для поддержания линейной нагрузки. Кривая потребляемого нелинейной нагрузкой тока имеет отклонения от идеальной синусоиды из-за наличия гармонических составляющих высшего порядка. Серьезные гармонические искажения в электросеть вносят компьютеры, сетевые устройства, ИБП, газоразрядные и люминесцентные осветительные приборы, сложное медицинское оборудование, а также электродуговые печи постоянного и переменного тока, электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения, сварочные аппараты, широкий спектр бытовой техники и многое другое.

Как уже упоминалось, в системе ИБП-ДГУ мощным источником нелинейных искажений является выпрямитель ИБП. Присутствие высших по отношению к промышленной частоте 50 Гц гармоник оказывает негативное влияние на саму электрическую сеть. Наиболее опасно влияние третьей и в несколько меньшей степени кратных ей гармоник, токи которых в проводниках нулевой фазы вызывают перегрев кабелей и, как следствие, старение изоляции, разрушение самих проводников и порчу оборудования. Кроме того, более плоская форма синусоиды, вследствие нелинейных искажений, становится причиной снижения уровня выпрямленного напряжения; высшие гармоники тока вызывают дополнительные потери мощности и перегрев в трансформаторах, способствуют нагреву ДГУ (а стало быть, и уменьшению его полезной мощности) и отрицательно сказываются на работе автоматического регулятора напряжения дизель-генератора (АРН). Нелинейные искажения провоцируют наводки в соседних кабелях и неадекватное срабатывание автоматических переключателей из-за увеличения температуры их внутренних компонентов, в результате чего происходит нарушение работы цепей синхронизации. Таким образом, импульсный характер потребляемого нелинейной нагрузкой тока обуславливает снижение устойчивости результирующей системы ДГУ-ИБП (при этом ДГУ на поддержание линейной нагрузки работает стабильно).

Порождаемые нелинейной нагрузкой искажения характеризуются суммарным коэффициентом нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion, THD), который есть не что иное, как степень отклонения формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы. Нулевое значение этого показателя свидетельствует об идеальной синусоидальной форме сигнала, 3—5% — форма, близкая к синусоиде, до 21% — сигнал трапециевидной формы, 43% — сигнал прямоугольной формы.

Рисунок 1. Трехфазный мост.

В рассматриваемой системе ДГУ-ИБП нагрузкой на генератор является источник бесперебойного питания, выпрямитель (или зарядное устройство) которого обычно выполняется с применением тиристоров и, как следствие, потребляет ток импульсного характера. Традиционно в трехфазных ИБП применяются 6-импульсные (или 6-полупериодные) выпрямители. Принципиальная схема такого выпрямителя представлена трехфазным мостом (см. Рисунок 1). Как следует из названия, за один период в трехфазной сети на выходе 6-полупериодного выпрямителя возникает шесть импульсов тока. Для снижения уровня нелинейных искажений применяют 12-импульсные выпрямители, в состав схемы которых входит два трехфазных моста.

Как правило, значение THD по входу ИБП с 12-импульсным выпрямителем составляет приблизительно 8% при доминирующей 11-й гармонике, а для 6-импульсного выпрямителя — 29% при доминирующей 5-й гармонике. По сравнению с 6-импульсными выпрямителями, которые вносят большие искажения во входную сеть, ИБП с 12-импульсными выпрямителями имеет достаточно хорошие показатели формы потребляемого тока и напряжения. При их использовании уровень искажений заметно снижается.

При низких значениях коэффициента THD (<10%) особых проблем в согласовании работы ДГУ и ИБП не возникает — превышение мощности ДГУ по отношению к мощности ИБП не выходит за пределы значений, установленных соответствующим ГОСТом, но при высоких значениях THD выходную мощность ДГУ приходится дополнительно увеличивать. Сложность заключается в правильном подборе этих параметров, ведь чрезмерное завышение мощности генератора неразумно не только из соображений экономии, но и может пагубно отразиться на общей работе всей системы, о чем речь пойдет ниже.

КЛАССИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ БОРЬБЫ

Стратегия борьбы с негативными воздействиями нелинейных искажений для обеспечения слаженной работы всех компонентов связки ДГУ-ИБП включает два основных направления: укрепление защиты тех звеньев, на которые направлено это воздействие, и предотвращение самого воздействия.

Пагубное влияние высших гармоник на работу системы автоматического регулирования напряжения (АРН) генератора можно снизить путем некоторой ее модернизации: применения чувствительного элемента для измерения трехфазного, а не однофазного напряжения, подключения на выходе АРН полевого МОП-транзистора и использования транзисторных АРН вместо автоматов тиристорного типа.

Одним из способов снижения уровня генерируемых во внешнюю сеть гармоник высшего порядка является применение линейных дросселей, имеющих небольшое индуктивное сопротивление на частоте 50 Гц и значительное сопротивление на частотах высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Однако даже с помощью дросселей значение THD не всегда удается снизить до желаемой величины.

Для борьбы с генерируемыми ИБП нелинейными искажениями применяются входные пассивные LC-фильтры. Как правило, пассивный фильтр для стандартного 6-полупериодного выпрямителя при 100-процентной нагрузке снижает уровень искажений THD до 8-9% (для отдельных серийно выпускаемых систем это значение может быть уменьшено до 5%), что вполне приемлемо с точки зрения существующих норм по уровню искажений. Входные фильтры включают емкостные и индуктивные компоненты (конденсаторы и дроссели) в различной конфигурации и настроены на подавление определенных гармоник высшего порядка на входе ИБП. Однако установка любого фильтра в системах ИБП-ДГУ означает появление дополнительного промежуточного звена, которое в схемы «мягкого» старта ИБП не входит, из-за чего снижается общая надежность системы и уменьшается ее эффективность вследствие потребляемой фильтром мощности. Пассивные фильтры имеют несколько разновидностей: некомпенсированные LC-фильтры, компенсированные LC-фильтры, некомпенсированные LC-фильтры с коммутаторами (см. Рисунок 2 и врезку «Применение пассивных фильтров»).

Для подавления гармоник, кратных третьей, применяют специальный разделительный трансформатор с зигзагообразной системой обмоток: вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода конденсатора. Особая конструкция такого трансформатора позволяет свести к минимуму потери на вихревые токи и потери из-за паразитной емкости, к тому же благодаря наличию дополнительной теплоемкости они выдерживают нагревание, вызванное высшими гармониками.

К применению входных пассивных фильтров для борьбы с нелинейными искажениями в системе ДГУ-ИБП следует относиться с осторожностью. Обычно основные эксплуатационные характеристики ИБП, включая характеристики входных фильтров, специфицируются при нагрузке в 100% или близкой к этому показателю. А между тем в случае небольшой или отсутствующей нагрузки влияние высших гармоник тока сказывается на совместной работе ИБП и ДГУ в большей мере. Современные входные фильтры (большинство ИБП комплектуется некомпенсированными фильтрами), хорошо справляясь с подавлением вредных гармоник тока, способствуют улучшению коэффициента мощности при полной нагрузке, а когда нагрузка падает ниже 50%, фильтр вообще отключается.

Некоторые производители серийно выпускают ИБП, оснащенные выпрямителями на биполярных транзисторах с изолированным затвором (Isolated Gate Bipolar Transistor, IGBT). Оказалось, что такие выпрямители хорошо гасят высшие гармоники тока, обеспечивая приемлемый и стабильный коэффициент мощности. В выпрямителях IGBT количество индуктивных и емкостных элементов сбалансировано, благодаря чему увеличилась эффективность. Однако подобные системы более дороги, не слишком устойчивы к броскам напряжения на входе и в целом менее надежны, что препятствует их массовому применению, особенно в регионах с нестабильным напряжением.

Особого внимания с точки зрения борьбы с нелинейными искажениями заслуживает не имеющий аналогов магнитный синтезатор, выпускаемый компанией Liebert-Hiross. Этот агрегат обеспечивает защиту нагрузки от различных видов нарушения электроснабжения: от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, влияния гармоник высшего порядка, а также выполняет функцию стабилизатора напряжения. Однако ввиду сложностей с его поставкой российские потребители с данным устройством практически незнакомы.

УПРАВЛЕНИЕ ОРКЕСТРОМ

В целом стратегия защиты должна быть адекватна степени риска и критичности защищаемой нагрузки. Управление автоматическим запуском ДГУ и переключением на него нагрузки с ИБП осуществляется с помощью блока управления коммутацией нагрузки ДГУ (часто его называют устройством автоматического ввода резерва, АВР), оснащенного электронной панелью управления. Подключение ИБП к ДГУ может быть произведено через АВР не только на основной ввод, но и на резервный (байпас). Недостаток второго способа состоит в том, что при переключении нагрузки на ДГУ по байпасной линии батареи не заряжаются (они будут заряжаться, как только восстановится напряжение в основной сети). А вот дополнительный запас мощности ДГУ над мощностью ИБП при таком способе предусматривать практически не требуется, что является несомненным достоинством. В ситуации, когда при длительных нарушениях в электроснабжении подключенная к ИБП нагрузка коммутируется на ДГУ по байпасу напрямую, влияние нелинейных искажений нужно учитывать уже не со стороны выпрямителя, а от защищаемой нагрузки и, рассчитывая мощность ДГУ, учитывать коэффициент нелинейных искажений именно этой нагрузки.

Немаловажный аспект, часто остающийся вне поля зрения, связан с переключением АВР в системах, где помимо ИБП имеются другие типы нагрузки. Ведь в большинстве случаев от ДГУ в аварийном режиме питается не только ответственное электронное оборудование, но также дополнительная менее критичная нагрузка, не защищенная ИБП, — освещение, моторная нагрузка (лифты, системы охлаждения, вентиляции, холодильные установки, циркуляционные насосы), и ее влияние также следует принимать во внимание. В таком случае мощность ДГУ рассчитывают исходя не из номинальной мощности нагрузки, а с учетом величины пусковых токов. Чтобы избежать влияния значительных пусковых токов и сгладить пики потребления, иногда применяют поэтапную стратегию включения нагрузки. При мощных индивидуальных нагрузках общую стоимость решения позволяют снизить специальные устройства «мягкого» пуска (soft start device).

При длительном пропадании напряжения на подстанции происходит запуск ДГУ: нагрузка, не подключенная к ИБП, на несколько минут обесточивается, в это время ДГУ прогревается, запускается и выходит на рабочий режим. После включения ДГУ через определенный момент времени АВР коммутирует нагрузку ИБП на ДГУ. Причем, как уже говорилось, ИБП переключает питание нагрузки (как правило, электронного оборудования, представляющего собой нагрузку с выраженным емкостным характером) от батареи на ДГУ постепенно — практически все современные ИБП оснащены режимом «мягкого» старта. В некоторых агрегатах он может быть растянут на несколько десятков минут (режимы настраиваются программно). Чтобы перевод нагрузки на байпас и обратно осуществлялся без прерывания, выходное напряжение ИБП необходимо синхронизовать по частоте и фазе с напряжением ДГУ.

Проблемы возникают в том случае, если после пропадания напряжения в сети на ДГУ помимо ИБП переключается еще и моторная нагрузка с сильно выраженным индуктивным характером. В процессе работы двигатель накапливает энергию, частично преобразующуюся при его отключении в электромагнитное поле, которое проявляет себя в виде возникающего на клеммах двигателя напряжения и рассеивается в процессе его вращения по инерции. Это обратное электромагнитное поле следует учитывать при восстановлении нормального электроснабжения. При возобновлении электропитания моторная нагрузка переключается с ДГУ на внешнюю сеть, причем, как правило, еще до того, как электромагнитное поле будет рассеяно. Поэтому, чтобы избежать повреждения электродвигателя, обратное переключение моторной нагрузки в ряде случаев рекомендуется производить синфазно, т. е. при наличии минимального фазового сдвига между шиной питания нагрузки и основным вводом. Решение данной проблемы осуществляется с помощью синфазных мониторов (ими могут быть оснащены контроллеры некоторых АВР).

Кроме того, полезно учитывать, что параллельное подключение ИБП с фильтром THD и незащищенной ИБП моторной нагрузки способно компенсировать емкостную и индуктивную составляющие, что может негативно отразиться на работе ДГУ.

НА ХОЛОСТОМ ХОДУ

В установившемся режиме могут возникнуть свои сложности: например, недогрузка ДГУ весьма неблагоприятно сказывается на эксплуатационных характеристиках агрегата и вызывает его быстрый износ. По этой же причине чрезмерное завышение мощности ДГУ над мощностью ИБП может иметь неприятные последствия. В режиме холостого хода дизель-генератора наблюдаются следующие процессы. Переход ДГУ в режим малого хода сопровождается резким уменьшением подачи топлива. Для работы на более низкой частоте, система автоматически меняет пропорции газовой смеси — резко снижает количество подаваемой в камеру газовой смеси и нагнетает соответствующее количество воздуха. Понижение частоты вращения двигателя приводит к уменьшению давления впрыскивания, в результате чего распределение смеси происходит неравномерно.

При нагревании легкие фракции испаряются и сгорают, а более тяжелые, состоящие в основном из ароматических углеводов, окисляются и осаждаются на металлических поверхностях в виде липких стойких отложений. Таким образом, говоря на языке специалистов, появляется «нога» — несгоревшие фракции топлива (особенно при использовании низкосортного тяжелого топлива) осаждаются на стенках цилиндров, попадают в подпоршневую полость, налипают в выхлопном тракте, где их слой достигает порой 10—20 мм. При очередном увеличении нагрузки вследствие повышения температуры выпускных газов может произойти воспламенение отложений в подпоршневых областях, продувочном и выпускном ресивере, что угрожает серьезными авариями двигателя. Поэтому следует избегать длительной работы ДГУ в режиме малых нагрузок. Чтобы не падал ресурс агрегата и не возникала потребность в срочной замене поршневых колец, не росло потребление масла и не ухудшался состав выхлопа, необходимо периодически проводить «прожиг» — подключать машину к определенной нагрузке и эксплуатировать в течение установленного времени.

КОЭФФИЦИЕНТ СПРОСА

Проводя расчет мощности компонентов системы ДГУ-ИБП, нельзя сбрасывать со счетов и такой фактор, как коэффициент спроса, или уровень использования нагрузки. Как обеспечить нормальный режим эксплуатации ДГУ в праздничные и выходные дни, когда потребление поддерживается на уровне 20%? Самый распространенный способ состоит в использовании дополнительной шунтирующей нагрузки, подключаемой с помощью систем автоматики. В качестве шунта может служить система электрического отопления, внешнего освещения здания либо какая-то искусственная нагрузка. Впрочем, последний способ представляется неэкономичным, и во избежание излишних расходов надо корректно, с учетом коэффициента спроса, рассчитать реальную нагрузку, которую будет поддерживать связка ИБП-ДГУ, а это задача непростая. Если суммировать нагрузку по номиналу, то неизбежно возникновение проблемы недогрузки. Наиболее точно можно рассчитать нагрузку для офисов телекоммуникационных центров, где оборудование стандартизовано, режимы эксплуатации жестко соблюдаются, и отклонения незначительны.

Запуск и отключение современных ДГУ может осуществляться автоматически по таймеру — эта функция заложена в некоторые системы АВР. Один из важнейших параметров ИБП — время автономной работы от аккумуляторов — рассчитывается при 100-процентной нагрузке, тогда как реальная нагрузка может составлять лишь 5%. Однако стандартная дизельная автоматика в таком случае все равно запустит дизель и переключит на него ИБП. Во избежание подобных ситуаций применяются специальные алгоритмы: когда нагрузка мала и можно прогнозировать время автономной работы от аккумуляторных батарей, дизель просто не запускается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важным фактором при выборе подрядчика на выполнение проектов совместного использования ДГУ и ИБП является предоставление заказчику гарантии безотказной работы, которую, как правило, обеспечивают выполняющие проект системные интеграторы. Преимущества российских поставщиков подобных решений очевидны — оплата труда наших специалистов значительно ниже стоимости работ их западных коллег, что благотворно сказывается на сумме проекта в целом, к тому же многие отечественные компании создали развитую сеть технической поддержки.

При выборе подрядчика на выполнение подобных проектов не последнюю роль играет деликатное обращение с финансовыми средствами заказчика, для бюджета которого обременительно содержать избыточную мощность альтернативных источников гарантированного электроснабжения. Приблизительные коэффициенты превышения мощности ДГУ над мощностью ИБП приведены в Таблице 1 (при условии, что ИБП выполнен по схеме с двойным преобразованием напряжения, оснащен тиристорным выпрямителем и электронным регулятором частоты или двигателем с электронным управлением впрыска топлива, других нагрузок, кроме ИБП, на ДГУ нет, и при этом нагрузка ИБП составляет 90—100%). Каждый проект по-своему уникален и представляет собой задачу оптимизации ресурсов конкретного предприятия с учетом мощности и характера всей подключаемой нагрузки, коэффициента ее использования, требуемого уровня надежности и прочих pro&contra.

За помощь в подготовке статьи автор благодарит Игоря Андрющенко, руководителя отдела продаж и маркетинга систем бесперебойного питания компании NeuHaus, и Сергея Ермакова, руководителя EP-лаборатории компании ИНЭЛТ.

Применение пассивных фильтров

В схеме некомпенсированного LC-фильтра (см. Рисунок 2a) присутствуют продольная индуктивность Др1 и поперечная цепь, состоящая из последовательно включенных и настроенных на определенную гармонику индуктивности Др2 и емкости С. Для настройки фильтра на конкретную гармонику сопротивление поперечной цепи (близкое к нулю) подбирается таким образом, чтобы ток, потребляемый от источника, не содержал эту гармонику. Между тем ДГУ с ограниченной установочной мощностью может обеспечить ток нагрузки с относительно низким значением емкостной составляющей (10—30%). При переключении ИБП на ДГУ во время «мягкого» старта генератор ДГУ оказывается нагруженным только на емкостное сопротивление фильтра, поскольку активная мощность, потребляемая нагрузкой, равна нулю. Такие действия способны привести к нарушению нормальной работы генераторной системы и отключению ДГУ. Поэтому при использовании некомпенсированных LC-фильтров следует тщательно согласовать характеристики генератора и параметров фильтра.

Благодаря дополнительной поперечной индуктивности Др3 компенсированный LC-фильтр (см. Рисунок 2б) по отношению к генератору имеет индуктивный характер, что снижает емкостную составляющую потребляемого тока и облегчает работу генератора, но ведет к снижению коэффициента мощности системы в целом.

Некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором (см. Рисунок 2в) удобен при выборе ДГУ ограниченной мощности, соизмеримой с мощностью ИБП. Поперечная цепь фильтра подключается автоматически только после выхода ИБП на номинальный режим.

Ресурсы Internet

О природе нелинейных искажений и методах борьбы с высшими гармониками в системах электропитания можно прочесть в статьях В.П. Климова и А.Д. Москалева «Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания» и «Способы подавления гармоник тока в системах электропитания» по адресу: http://tensy.ru/article01 и http://tensy.ru/article01 соответственно.

Совместной работе ДГУ и ИБП посвящена интересная статья «Working in Harmony: Generator and UPS Compatibility» специалиста компании Invensys Powerware Джона Трэйси, размещенная по адресу: http://powerquality.com/ar/power_working_harmony _generator/index.htm.

На сайте компании ASCO по адресу: http://www.asco.com/ascofacts, размещены материалы о работе автоматического переключающего оборудования, являющегося важнейшим звеном системы электропитания.

Словарь терминов

Выпрямитель — устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное. Однофазные ИБП оснащаются двух- или четырехимпульсными выпрямителями, а трехфазные ИБП — шести- или 12-полупериодными выпрямителями.

Дизель-генераторная установка (ДГУ) — агрегат, преобразующий механическую энергию топливных двигателей в электрическую для питания нагрузки в аварийном режиме.

Источник бесперебойного питания (ИБП) — устройство, поддерживающее выходное напряжение при нарушениях электропитания на входе.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) — степень приближения формы напряжения к синусоидальной форме. Он определяется весом высших гармоник переменного тока по отношению к основной гармонике. Чем ниже КНИ, тем более форма напряжения приближена к синусоиде.

Критическая нагрузка — оборудование, неудовлетворительная работа которого приводит к потере функциональных возможностей, финансовым потерям, повреждению имущества, а также угрожает здоровью и безопасности людей.

Линейная нагрузка — нагрузка, в которой ток и напряжение связаны между собой линейным законом.

Нелинейная нагрузка — нагрузка, в которой ток и напряжение связаны между собой нелинейным законом.

Основная гармоника — первая гармоника (50 или 60 Гц) в разложении периодической величины в ряд Фурье.