В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
О.П. Чекстер
Начальник лаборатории электропитания ФГУП ЛОНИИС
Основным назначением электропитающего оборудования является обеспечение питания нагрузки с заданным качеством и надежностью. Для выполнения этой задачи на любом объекте связи существует система электропитания (СЭП), являющаяся частью электроустановки объекта и объединяющая в себе основной и резервные источники электроэнергии, токораспреде-лительные сети с устройствами защиты, а также всех потребителей энергии, то есть все нагрузки.
В общем случае СЭП - это комплекс взаимоувязанного оборудования, предназначенный для производства или преобразования, передачи, накопления, распределения или потребления электрической энергии.
Если говорить об обеспечении электропитания переменным током, то необходимо рассмотреть следующие элементы СЭП:
Области применения ИБП
Как правило, на большинстве объектов используются различные комбинации указанных источников. Там, где к качеству переменного тока не предъявляется высоких требований и где допускаются перерывы в электроснабжении, сеть переменного тока является основным источником, а АДЭС и ИБП - резервными. Если перерывы не допускаются, а требования к качеству электроэнергии - высокие, то основным вариантом сегодня является питание от сети с использованием ИБП (реже используются инверторы).
Несмотря на то что промышленная сеть переменного тока обладает такими, казалось бы, неоспоримыми преимуществами, как доступность, простота использования и минимальное обслуживание, у нее есть серьезный недостаток: ее надежность и стабильность недостаточны для критичных нагрузок, так как в сети присутствуют различные возмущения, перерывы и т.п., носящие случайный характер, что может повредить оборудованию и передаваемой информации. Если говорить о надежности промышленной сети, то она оценивается "тремя девятками": 99,9%, то есть возможны несколько перерывов в год суммарной длительностью 8 часов.
При отключении внешней сети основным источником электроэнергии становится АДЭС, подключаемая через устройство АВР (автоматического выбора резерва), запуск которой производится за время не более 30 секунд с момента пропадания напряжения на сетевом вводе.
При наличии на объекте связи ЭПУ постоянного тока с резервной аккумуляторной батареей (АБ), питание нагрузок, не допускающих перерывов в электроснабжении, может быть организовано через инверторы. При этом желательно, чтобы суммарная нагрузка, создаваемая инверторами, не превышала 25% выходного тока ЭПУ.
Для большинства нагрузок, участвующих в технологическом процессе, основными источниками переменного тока являются ИБП. При этом индивидуальные маленькие ИБП ничем не резервируются, а для больших установок применяется принцип резервирования 1 + 1. Учитывая сложившиеся в отрасли традиции, изготовители оборудования ИБП стали предлагать клиентам модульные системы, позволяющие осуществлять блочное наращивание, что дает возможность оперативно увеличивать или уменьшать мощность ИБП в зависимости от требований нагрузки.
Возможные традиционные варианты организации электропитания различных нагрузок, упомянутые выше, изображены на рис. 1. Для сравнительной оценки указана их ориентировочная надежность (ИБП переменного тока и инверторы имеют обходные цепи; аккумуляторный резерв ЭПУ - 3 часа).
Нормативные документы, в частности европейские стандарты EN50091-1 и EN62040-1, не дают определения принципов работы ИБП. Нормируются основные параметры, при соблюдении которых источник соответствует стандарту. Поэтому классификация ИБП традиционно ведется по архитектуре построения:
Off-line ИБП
В Off-line ИБП нагрузка изначально подключена к сети. При любых неполадках в сети нагрузка переключается на питание от инвертора с использованием энергии собственных аккумуляторных батарей. Время старта инвертора составляет порядка 4 мс. Основной недостаток Off-line ИБП - непосредственное подключение нагрузки к сети. При этом помехи из сети беспрепятственно попадают в нагрузку. Форма выходного напряжения таких ИБП - квазисинусоида.
Off-line ИБП имеют мощность от 250 ВА до 2000 ВА и получили распространение благодаря низкой стоимости. Они могут использоваться для обеспечения гарантированного питания отдельных устройств в регионах с хорошим качеством электрической сети.
Более совершенной разновидностью Off-line ИБП являются интерактивные источники (Line-interactive), дополненные стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками. Это позволило расширить допустимый диапазон входного напряжения, при котором не происходит переключение на питание от батареи, до 165-275 В. В подобных ИБП инвертор вместо ступенчатого формирует напряжение синусоидальной формы и часто является обратимым, то есть в нормальном режиме он работает на заряд батарей, а в аварийном - на разряд. Интерактивные источники могут иметь два режима работы: стандартный (Off-line) и режим переключения. Дополнительно может устанавливаться трансформатор для гальванической развязки нагрузки от внешней сети.
Линейно-интерактивные ИБП на мощности от 500 ВА до 5 кВА применяются там же, где и Off-line ИБП, но менее критичны к качеству и отклонениям сетевого напряжения.
Отличительным признаком режима работы Off-line является равенство допусков на частоты входного и выходного напряжений, которое свидетельствует о том, что нагрузка подключена непосредственно к сети.
Одним из видов Line-interactive являются ИБП, имеющие в своем составе ферро-резонансный трансформатор с коммутируемыми входами, на один из которых подается сетевое напряжение, а к выходу подключена нагрузка. При пропадании сетевого напряжения на вход трансформатора подключается выходное напряжение инвертора, питающегося от аккумуляторной батареи. Несмотря на существенное увеличение габаритов и веса ИБП, использование ферро-резонан-сных свойств трансформатора позволяет существенно улучшить качество выходного напряжения. Мощности таких ИБП - до 15 кВА.
Разновидностью Line-interactive на мощности до 10 кВА являются гибридные ИБП, иногда позиционируемые как On-line. В таких источниках сетевое напряжение с помощью выпрямителя преобразуется в промежуточное постоянное, а затем поступает на вход инвертора, питающего нагрузку. При пропадании сетевого напряжения вход инвертора переключается на питание от аккумуляторной батареи, напряжение которой повышается с помощью DC/DC-конверто-ра, обычно находящегося в "горячем" резерве, до величины промежуточного напряжения.
On-line ИБП
On-line системы (иногда называемые True on-line, или "настоящими" On-line) генерируют собственное, стабильное по амплитуде и частоте синусоидальное напряжение. Они работают по принципу двойного преобразования: поступающее на вход сетевое напряжение переменного тока преобразуется выпрямителем в постоянное, используемое для питания инвертора, заряда и подзаряда батарей, а затем, с помощью инвертора, - снова в напряжение переменного тока. Постоянно работающий инвертор генерирует стабильное напряжение, параметры которого никак не связаны с параметрами входного сетевого напряжения. Помехи из цепи нагрузки также не проникают в питающую сеть.
При пропадании входного напряжения происходит переход на питание инвертора от аккумуляторных батарей с нулевым временем переключения без изменения амплитуды и фазы выходного напряжения.
Мощность таких источников - от единиц до сотен кВА. При необходимости On-line ИБП могут быть соединены в параллель для масштабирования выходной мощности или аппаратного резервирования системы.
В системах с дельта-преобразованием (On-line Delta Conversion), как и в Line-interactive, в нормальном режиме нагрузка связана с внешней электрической сетью через трансформатор. Однако он имеет дополнительную обмотку, на которую с дельта-инвертора подается корректирующее напряжение, пропорциональное отклонениям входного напряжения от синусоидальной формы, но противоположное по фазе. Таким образом, входное напряжение не подвергается полному двойному преобразованию, а за счет обратной связи восстанавливается его форма и устраняется фазовый сдвиг между током и напряжением. При пропадании сетевого напряжения питание нагрузки безобрывно переходит на основной инвертор, работающий от аккумуляторных батарей. Отсутствие двойного преобразования всей входной мощности позволяет обеспечить высокий КПД, что может быть весьма существенно, так как мощности ИБП с дельта-преобразованием составляют сотни кВА и выше.
В таблице приведены расчетные и статистические данные по надежности различных типов ИБП, полученные Power System Research Group Университета Стратклайда (Strathclyde University) в Шотландии.
Повысить надежность электроснабжения нагрузок переменным током можно как за счет применения резервного оборудования в составе самих ИБП, так и за счет использования различных типов резервных источников в составе СЭП.
Современные центры связи и обработки данных имеют собственные АДЭС с малым временем запуска, что ставит под сомнение необходимость большого аккумуляторного резерва. По-видимому, для ИБП большой мощности достаточно времени работы резерва от десятков секунд до нескольких минут. При таких коротких режимах разряда использование аккумуляторных батарей не всегда оптимально. В то же время разрабатывается и уже имеется много видов резервных источников, которые могут с успехом послужить альтернативой свинцово-ки-слотным аккумуляторам в системах ИБП.
В первую очередь следует обратить внимание на механические накопители кинетической энергии с маховиком - Flywheel (или Flywheel energy storage -FES), которые можно назвать "механической батареей". Более того, эта "механическая батарея" может быть использована как в сети постоянного, так и переменного тока. Подобное устройство представляет себой маховик, служащий ротором мотора-генератора, вращающийся с высокой скоростью, запасающий кинетическую энергию при наличии внешнего электроснабжения и возвращающий энергию при пропадании внешней сети, дополненный электрическим преобразователем, обеспечивающим независимость выходного напряжения от частоты вращения ротора. В зависимости от типа электрического преобразователя FES могут работать в цепи постоянного или переменного тока.
В системах электропитания аппаратуры связи такие накопители эффективны при использовании совместно с дизель-генераторными установками, с ИБП или с ЭПУ. При этом в цепях постоянного тока они могут заменять или дополнять существующие АБ. Так как по статистике большинство перерывов во внешнем электроснабжении длится от нескольких секунд до нескольких минут, совместное использование FES с аккумуляторной батареей позволяет избежать частых разрядов АБ, что положительно скажется на "здоровье" батареи и на сроке ее службы. FES могут не только использоваться как резервные источники, но и устанавливаться в различных критических точках СЭП для улучшения качества электроэнергии в сети переменного тока, принимая "на себя" импульсные нагрузки.
Сегодня на рынке представлена продукция нескольких производителей FES. Большинство устройств предназначено для работы в промышленности в условиях импульсных нагрузок для повышения качества электроэнергии, в мощных UPS, то есть там, где требуется большая мощность (до нескольких МВт) на короткое время.
К резервным источникам для использования в СЭП можно также отнести устройства, в которых используется как источник энергии сжатый воздух (compressed air energy storage - CAES), накопители энергии на основе эффекта сверхпроводимости (superconducting magnetic energy storage - SMES), суперконденсаторы и топливные элементы, однако все они имеют более узкие области применения.
Использование FES позволяет значительно повысить надежность системы электропитания за счет диверсификации резервных источников. Важно то, что при этом возникает синерге-тический эффект, то есть возрастание эффективности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет системного эффекта. (Пример: обмен яблоками не приводит к синергетическому эффекту, так как яблок остается по одному у каждого участника такого обмена. Обмен же идеями приводит к синергетическому эффекту, так как у обменивающихся в результате появляется по две идеи. Другой пример: если в составе ЭПУ есть двухгруппная аккумуляторная батарея, и каждая группа рассчитана на разряд в течение 0,5 часа, то при параллельной работе время их разряда будет 1 час 45 минут.) Для тех операторов, кому важна надежность работы оборудования, FES, образно говоря, является еще одной "корзиной", куда можно положить "яйца".
Помимо различных видов резервного оборудования не меньшее влияние на конечную надежность оказывает решение системных проблем. При увеличении мощности установленных ИБП все большее внимание следует уделять системе электропитания как единому целому. Необходим комплексный подход, при котором ИБП и другие резервные источники рассматриваются как часть единой системы, включающей в себя заземление, токораспре-делительную сеть, устройства защиты, автоматики и коммутации в цепях переменного и постоянного тока, фильтры, системы дистанционного контроля.
Известно: где узко, там и рвется. Задачей оператора является избегание таких "узких" мест в системах электропитания переменным током, используя при этом все современные достижения в энергетике, связи и смежных областях.
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2007
Посещений: 18208
Автор
| |||
В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
