В рубрику "Защита информации и каналов связи" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Влияние архитектуры мощного ИБП на выбор автономного генератора

Оксана Александровна Кузьмина, к.т.н., эксперт OOO "Абитех"

Широкое распространение систем гарантированного электроснабжения (СГЭ) вызвало закономерный рост интереса к вопросам согласования совместно работающих источника бесперебойного питания (ИБП) и автономного генератора (АГ). За последние несколько лет опубликовано довольно большое количество статей, посвященных вопросам работы АГ и ИБП внутри одной СГЭ. Вместе с тем наш опыт свидетельствует о сохраняющемся дефиците инженерных математических моделей, которые могли бы быть практически применены для выбора архитектуры крупных ИБП и мощности АГ на этапе проектирования СГЭ. Надеемся, что предлагаемая в статье методика поможет точному, технически обоснованному и экономически эффективному выбору элементов СГЭ.

Одним из ключевых вопросов при построении системы гарантированного электроснабжения является вопрос выбора архитектуры мощного ИБП. Архитектура, а точнее, схемное решение и элементная база выпрямителя ИБП и наличие/отсутствие фильтров на входе ИБП определяют влияние источника на сеть или на автономный генератор.

Под влиянием ИБП на генератор подразумевается влияние резко нелинейной, импульсной нагрузки, которой является выпрямитель ИБП, на процессы преобразования энергии внутри электрической части АГ (чаще всего - синхронного генератора). Названные процессы оказываются отличными от тех, которые принимаются за основу при проектировании синхронных машин общепромышленного назначения.

К вопросу о допущениях

Проектируя синхронные генераторы, специалисты полагаются на важнейшее допущение о синусоидальности фазных токов и напряжений якоря. На базе этого допущения рассчитываются:

номинальная мощность машины;
величина выходного напряжения генератора;
его рабочие, нагрузочные и регулировочные характеристики;
потери, нагревы;
продолжительность непрерывной работы агрегата и т.п.

Синусоидальные фазные токи синхронному генератору обеспечивает подключение так называемой линейной нагрузки - например, двигателей без частотного регулирования, насосов, кондиционеров, освещения, сушильных печей и т.п.

Для синхронной машины, работающей на мощный источник бесперебойного питания, допущение о синусоидальности фазных токов становится несправедливым. Импульсный выпрямитель на входе ИБП существенно искажает форму входных токов - коэффициент искажения синусоидальности тока КНИi способен достигать 28-30%. Токи, искажаемые выпрямительным блоком ИБП, замыкаются по обмоткам генератора и вызывают целый ряд негативных явлений. В их числе:

дополнительные потери мощности в обмотках и сердечниках генератора;
потенциально опасные перегревы обмоток и сердечников;
недоотдача мощности в нагрузку.

Не менее важно, что несинусоидальные токи участвуют в создании магнитного поля машины и, следовательно, влияют на величину и форму выходного напряжения. Выходное напряжение генератора, работающего на выпрямительную нагрузку, становится несинусоидальным. Такое напряжение может вызывать отказы или некорректную работу электрооборудования, подключенного к выходу АГ, обусловливать ложные срабатывания аварийных защит АГ, некорректную работу автоматического регулятора напряжения генератора и т.п.

При построении СГЭ добиваются того, чтобы КНИu - коэффициент искажения выходного напряжения АГ, работающего на нелинейную нагрузку, - не превышал 8% (ГОСТ 13109-97). Это в значительной мере ограничивает упомянутые нежелательные эффекты и обеспечивает устойчивую совместную работу генератора и ИБП.

В качестве примера рассмотрим влияние архитектуры тиристорного выпрямителя ИБП GE Consumer & Industrial серии SitePro 150 на резервную дизель-генераторную установку (ДГУ) GESAN DVA 275E. В основу положена методика определения формы выходного напряжения генератора при известном спектре фазных токов, предложенная компанией Newage Stamford - производителем синхронных генераторов для ДГУ GESAN.

Работа ДГУ DVA 275E на SitePro 150 с 6-пульсным выпрямителем

Сложная кривая тока на входе ИБП i(t) может быть представлена гармоническим рядом:

где ν - номер гармоники тока, I_ν- амплитуда, ω_ν - частота ν-той гармоники, m - число гармоник, удовлетворительно описывающих кривую.

Фирма-изготовитель ИБП, как правило, указывает гармонический состав токов на входе выпрямителя ИБП. Гармонический состав входных токов 6-пульсного SitePro 150 кВА приведен в таблице 1, где I_ν - амплитуда ν-той гармоники в % от основной. Данные предоставлены корпорацией GE (General Electric).

Коэффициент искажения синусоидальности входного тока КНИi определяется как

Применительно к 6-пульсному ИБП SitePro 150, с учетом данных из таблицы 1 и (2) имеем K_НИi~27%.

Входные токи выпрямителя ИБП одновременно являются фазными токами генератора. Несинусоидальное выходное напряжение генератора, порождаемое этими токами, u(t) также может быть представлено гармоническим рядом:

где U_ν - амплитуда ν-той гармоники напряжения.

Величина амплитуды каждой ν-той гармоники напряжения U_ν вычисляется как

U_ν=νl_νx_dpacч", (4)

где x_dpacч"- расчетное сверхиндуктивное сопротивление.

В свою очередь x_dpacч" определяется как

x_dpacч" = S_ИБП/S_СГ* x_d " (5)

где S_ИБП - входная мощность ИБП, определенная с учетом заряда аккумуляторных батарей ИБП, в нашем случае S_ИБП=162,5 кВА;
S_СГ - номинальная мощность синхронного генератора, установленного в ДГУ,
x_d" - сверхпереходное индуктивное сопротивление выбранного генератора по продольной оси ротора.

Значения S_СГ и x_d " указываются заводом-изготовителем в паспортных данных синхронной машины. В генераторе DVA 275E установлен генератор переменного тока UCDI 274K1, указанные величины примут следующие числовые значения: S_СГ=250 кВА, x_d "=0,086 о.е.

Тогда по (5) x_dpacч"=0,0559 о.е.

С учетом вычисленного x_dpacч" рассчитываются по (4) значения амплитуд гармоник выходного напряжения ДГУ DVA 275Е. Результаты вычислений сведены в таблицу 2.

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения генератора определяется как

Применительно к рассматриваемому ДГУ, с учетом данных таблицы 2 К_НИU~9,7%.

Видно, что при подключении 6-пульсного ИБП SitePro 150 к ДГУ DVA 275E коэффициент искажения выходного напряжения генератора превышает допустимый по ГОСТу 13109-97.

Улучшить качество выходного напряжения ДГУ можно двумя путями: завысить мощность генератора (см. раздел "Выбор ДГУ при заданной конфигурации входа и мощности ИБП") или выбрать другую архитектуру входа SitePro.

Выясним, как изменится картина выходного напряжения этого же генератора при работе на SitePro 150 с другой архитектурой входа - 6-пульсным выпрямителем, снабженным фильтром пятой гармоники и 12-пульсным выпрямителем.

Работа ДГУ DVA 275E на SitePro 150 с 6-пульсным выпрямителем и фильтром пятой гармоники

Гармонический состав входных токов SitePro 150 с 6-пульсным выпрямителем и фильтром пятой гармоники приведен в таблице 3. Данные предоставлены корпорацией General Electric.

По формуле (4) рассчитываются значения амплитуд высших гармоник выходного напряжения ДГУ DVA 275Е. Результаты вычислений сведены в таблицу 4.

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения ДГУ при работе генератора на ИБП такой конфигурации определяется по (6) и составляет К_НИU=5,5%. Величина К_НИU не превышает значения, указанного ГОСТом, что подразумевает согласованную устойчивую работу электрооборудования, входящего в состав СГЭ.

Работа ДГУ на SitePro 150 с 12-пульсным выпрямителем

В таблицах 5, 6 указаны спектры и величины амплитуд высших гармоник входного тока 12-пульсного выпрямителя SitePro 150 и выходного напряжения ДГУ DVA 275Е. Значения в таблице 5 предоставлены производителем ИБП, данные в таблице 6 рассчитаны по формуле (4).

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения DVA 275E при работе на 12-пульсный ИБП определен по (6) и составляет К_НИU=6,5%. Значение К_НИU также находится в пределах ГОСТа, что обеспечивает согласованную устойчивую работу СГЭ.

ИБП с 6-пульсным выпрямителем вызывает искажение выходного напряжения генератора, превосходящее нормы ГОСТа. Не рекомендуется построение СГЭ на базе ДГУ DVA 275E и 6-пульсного SitePro 150.

6-пульсный SitePro с фильтром пятой гармоники и 12-пульсный SitePro оказывают примерно одинаковое влияние на выходное напряжение генератора и при рассматриваемом соотношении мощностей ИБП и ДГУ могут быть рекомендованы к использованию в СГЭ.

Как свидетельствует практический опыт нашей компании и как следует из рассмотренных примеров, архитектура входа ИБП оказывает сильное влияние на работу дизельного генератора, в частности на форму выходного напряжения. Чем ближе форма входных токов ИБП к синусоиде, тем меньше негативное влияние ИБП на АГ.

Использование фильтров высших гармоник - пассивных, как в примере выше, или активных - один из способов снижения несинусоидальности входных токов ИБП и, как следствие, снижения кратности S_СГ/S_ИБП.

Другим способом является применение в СГЭ так называемых "ИБП, дружественных АГ" - источников с 12-пульсной тиристорной схемой выпрямления или ИБП с выпрямителем на базе IGB-транзисторов. Наименьшее соотношение S_СГ/S_ИБП обеспечивают именно ИБП с IGBT-выпрями-телем. Если говорить о компании GE, то в настоящее время на российском рынке ее ИБП с IGBT-выпрямителем представлены серией SG Pure Pulse (160-300 кВА), в ближайшее время линейку номинальных мощностей планируется существенно расширить.

Окончательный выбор архитектуры входа ИБП определяется экономической эффективностью или субъективными предпочтениями заказчика.

Выбор ДГУ при заданной конфигурации входа и мощности ИБП

Иногда бывает невозможно выбрать источник бесперебойного питания с наиболее дружественной для ДГУ архитектурой входа. Как правило, это происходит при установке ДГУ в работающую СГЭ, построенную на базе уже существующих ИБП, - другими словами, когда следует подобрать генератор к имеющемуся источнику бесперебойного питания.

В этом случае выбор мощности АГ также осуществляется исходя из оценки искажений выходного напряжения генератора, вносимых подключенным ИБП. Методика выбора следующая:

По данным производителя описывается гармонический состав входных токов ИБП и определяется входная мощность ИБП S_ИБП.
Задается любая разумная с точки зрения здравого смысла мощность ДГУ, например S_ДГУ=2S_ИБП, или S_ДГУ=1,5S_ИБП, или S_ДГУ=S_ИБП. Из существующего модельного ряда ДГУ выбирается ближайшая по мощности установка.
Уточняется мощность синхронного генератора S_СГ, смонтированного в выбранной ДГУ, и его реактанс x_d".
По формуле (5) определяется x_dрасч"
Рассчитывается спектр выходного напряжения ДГУ по (4) и определяется К_НИU по (6).
КНИu оценивается на предмет соответствия ГОСТ 13109-97. Как правило, значение К_НИU в пределах 4-7% не приводит к чрезмерному завышению мощности генератора над источником и обеспечивает согласованную работу ДГУ и ИБП.
В случае, если К_НИU>8%, необходимо выбрать следующую из модельного ряда ДГУ и повторить расчет с п. 3. Если значение К_НИU слишком мало, следует выбрать меньший по мощности генератор и повторить расчет с п. 3.

Заметим, что в статье рассмотрена совместная работа ДГУ и ИБП в установившемся режиме. Влияние архитектуры ИБП на динамические процессы, возникающие при набросе нагрузки на ДГУ, не учитывалось. Этот вопрос вправе стать темой отдельного обсуждения.

Компания "АБИТЕХ" более восьми лет работает на рынке систем гарантированного электропитания, занимаясь проектированием, поставкой и обслуживанием СГЭ. Предложенный способ выбора оптимальной архитектуры ИБП или мощности ДГУ в СГЭ успешно применяется компанией "АБИТЕХ" и ее партнерами, демонстрируя приемлемую практическую точность.

Являясь официальным дистрибьютором GE Consumer & Industrial корпорации General Electric и GESAN, для построения своих систем "АБИТЕХ" наиболее часто использует продукцию именно этих фирм-производителей. Несмотря на то что методика выбора ДГУ и ИБП, работающих совместно, изложена применительно к оборудованию GESAN и GE, опыт показывает, что она может быть распространена и на оборудование других производителей.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2007
Посещений: 13774

Автор

Кузьмина Оксана Александровна

K.т.н., эксперт OOO "Абитех"

Всего статей: 1