ДДИБП
Что общего между центрами обработки данных Королевского банка Шотландии и IBM, производством микросхем Intel и автомобилей Volvo или топлива Shell, службами British Airways и штаб-квартирами NATO и Europol? Бесперебойное функционирование всех этих объектов обеспечивают динамические ИБП.
При слове «ИБП» воображение рисует ряды шкафов с силовыми модулями и штабеля аккумуляторов. Только редкий специалист представляет себе простой маховик, соединенный с дизельным генератором. Однако именно такая схема в ближайшем будущем имеет все шансы стать широко распространенной в крупных компаниях.
Для организации системы гарантированного и беспереьойного электроснабжения (СГБЭ) мощностью до 1000кВА с успехом используются классические решения. Их схема предполагает использование ИБП, аккумуляторных батарей (АКБ) и дизельного генератора (ДГУ). Однако в случае систем большой мощности возникают определенные трудности. Резко возрастает сложность решения, общую задачу приходится разбивать на отдельные участки, что снижает надежность системы в целом. Кроме того, энергоэффективность классической схемы такой сложности падает из-за потерь в распределительной сети, а эксплуатационные расходы только возрастают из-за высоких требований к микроклимату в помещениях с отдельными элементами. Да и самих помещений требуется много.
Альтернативой классической схеме предлагается использование дизель-роторных, или иначе – динамических ИБП (Diesel-Rotor UPS – DRUPS). Их принцип прост, но в этой простоте скрыты значительные преимущества.
Динамический ИБП состоит из трех основных узлов: электромашины, накопителя энергии и дизельного генератора. Если внешняя сеть исправно поставляет питание, электромашина работает в режиме электромотора и вращает вал накопителя, запасая энергию. Накопитель энергии, по большому счету, представляет собой маховик. В случае отказа внешнего электропитания он продолжает вращать вал. А электромашина переходит в режим генератора и преобразует энергию вращения в электричество. Параллельно с переходом на работу от накопителя происходит старт ДГУ. Как только дизель достигает рабочей частоты оборотов, он подключается к общему валу. И теперь ДГУ снабжает генератор кинетической энергией. Схема работы получилась поразительно простой. Все элементы собраны в одном корпусе, что резко повышает надежность системы. Причем при очень низких требованиях к условиям эксплуатации. По сути, в помещении для динамического ИБП необходимо обеспечить те же параметры микроклимата, что и для обычного дизель-генератора. При работе от сети динамический ИБП обеспечивает устранение любых проблем с качеством электроэнергии – гашение пиков и компенсация провалов, устранение нестабильности по частоте, наводок и гармонических искажений. И на выходе дает постоянное качественное питание.
Принципиально схема динамического ИБП очень похожа на классическую систему СГБЭ. Но главное отличие - в накопителе: – он запасает не электрическую, а кинетическую энергию. Современный накопитель представляет собой два вложенных друг в друга цилиндра. В большем цилиндре закреплен вал на подшипниках, на котором в свою очередь установлен массивный маховик. Из внешнего цилиндра откачан воздух, чтобы в условиях вакуума свести силу сопротивления к минимуму. Благодаря этому КПД накопителя превышает 0,99, а маховик имеет большой момент инерции. Применение маховика и отказ от АКБ дает целый ряд преимуществ. Главное – сокращение эксплуатационных затрат благодаря отсутствию необходимости замены батарей. Ведь даже самые надежные из них редко выдерживают более 3-5 лет работы в наших условиях. А у маховика срок замены подшипников – 10 лет, и нет ограничений по количеству циклов заряда-разряда. Кардинально отличается и принцип восстановления запаса энергии – накопителю требуются секунды, чтобы набрать частоту вращения и вернуться в состояние готовности. Кроме того, маховик в отличие от АКБ не требует утилизации и никоим образом не загрязняет окружающую среду.
За счет отсутствия преобразований энергии в динамической схеме DRUPS’ов КПД оборудования составляет не менее 97%. По сравнению со статическими аналогами, экономия достигает 5%. А в условиях постоянного роста цены электроэнергии это дает ощутимое сокращение расходов.
Еще одна из возможностей экономии – организация электроснабжения на среднем напряжении (до 10 кВ). В системах большой мощности среднее напряжение позволяет существенно сократить уровень потерь энергии. Кроме того, при резервировании систем электроснабжения на низком напряжении, ИБП нельзя подключать к единой шине постоянного тока. Иначе в случае короткого замыкания величина силы тока может достигать недопустимых значений – до 100кА. В сети на среднем напряжении такой опасности нет, а подключение ИБП в единую шину позволяет упростить и удешевить схему резервирования энергоснабжения.
Наконец, динамический ИБП более надежен. Это моноблочное устройство с минимальным количеством электрических и механических узлов. Срок службы таких устройств – 25 лет. Они предназначены для длительной автономной работы, имеют высокую устойчивость к различным помехам на входе и выходе схемы. Кроме того, DRUPS’ы неприхотливы к условиям эксплуатации, что не только повышает надежность системы, но и позволяет существенно сократить затраты на обеспечение климатических условий эксплуатации в сравнении с жёсткими требованиями к условиям эксплуатации аккумуляторных батарей.
Некоторые особенности дизель-роторных ИБП вызывают скепсис у специалистов-энергетиков. Их сомнение разделяют и потребители, привыкшие мыслить категориями статических ИБП. А отечественные электросети давно приучили пользователей готовиться к самому худшему. Рассмотрим основные причины сомнений.
Главный аргумент против динамических ИБП – малый запас энергии. На старт дизеля и его выход на расчетную мощность отводится всего … 10-12 секунд! Притом, что в расчеты классической схемы закладывается запас времени работы от аккумуляторов не менее 5 минут. А при наличии бюджета заказчики стремятся максимально увеличить его даже за счет других элементов инфраструктуры. Позиция потребителя вполне понятна: если ДГУ не заведется сразу, необходимо иметь возможность провести повторные попытки или даже ремонт. А еще лучше, когда есть резерв времени на корректное завершение работы всех приложений, если дизель откажется работать вовсе.
Однако разработчики создавали динамические ИБП именно для случаев внезапного прекращения подачи внешнего электропитания. И гарантируют, что дизель запустится в отведенный срок. В таких системах предусмотрено дублирование стартовых генераторов, подогрев охлаждающей жидкости, топлива и смазки. А если, вопреки всем расчетам, стартеры подведут, дизель будет запущен непосредственно от основного вала, используя энергию накопителя.
Стоит отметить, что в ситуации многократных отключений внешнего питания уже динамические ИБП имеют неоспоримое преимущество. Если внешняя сеть «упадет» на 10-15 минут (среднее время запаса энергии в АКБ) дважды в течении небольшого (до 40 минут) промежутка времени, то батареи просто не успеют восстановить заряд. К такому же результату приведет серия коротких последовательных отключений, например, несколько раз по 3 минуты, даже если сеть электропитания «поддерживается» обычным ДГУ. То есть, статический ИБП не сможет выполнить свою задачу. И такая ситуация в вполне реальна. У накопителя DRUPS время раскрутки маховика составляет секунды. И возможность возникновения ситуации, когда система не готова к выполнению своей задачи, исключена.
Второй вопрос, вызывающий сомнения у потенциального пользователя – размеры устройства. Так как все элементы размещены на едином валу, длина динамического ИБП получается значительной. Плюс необходим доступ к агрегатам со всех сторон, в том числе и с торцов. Как вписать устройство в имеющиеся помещения?
Длина устройства действительно не маленькая, но 9-ти метров не превышает. Учитывая необходимые отступы с торцов, длина помещения должна быть не менее 10 метров. Когда здание центра обработки данных проектируется с учетом выбранного оборудования, это вообще не составляет проблемы. Однако часто приходится использовать те помещения, которые уже есть в наличии. Но и тогда DRUPS экономт место. Ведь не требуется никаких других силовых модулей, не требуется батарей вообще, а также еще целого ряда соединительного оборудования. Практика показывает, что экономия площади по сравнению с классическим подходом даже в специально спроектированных зданиях достигает 35-45%. Для динамического ИБП необходимо такое же место и условия эксплуатации, как для ДГУ. То есть, необходимость в статических ИБП и батареях просто отпадает, что экономит до 50% пространства, занимаемого всей системой гарантированного бесперебойного энергопитания. Еще вариант – размещение DRUPS в контейнере во дворе офиса. А не хватит места для контейнера – динамический ИБП можно установить либо в пристройке, либо даже на крыше здания.
Естественно, потребителя волнует экономическая целесообразность выбора системы СГБЭ. Стоимость покупки инженерного оборудования перестала быть абсолютным критерием выбора. Тем не менее, общая стоимость владения (TCO – total cost of ownership) остается важным фактором. Причем сумма эксплуатационных затрат принимается во внимание наравне со стоимостью проекта внедрения. Будет ли DRUPS выгоднее классического ИБП? Попробуем разобрать основные статьи затрат.
Стоимость приобретения и внедрения. Традиционно динамические ИБП считаются дорогими. Но цена относительна. Для систем мощностью 200-300 кВА использование статических ИБП дает значительную экономию. Но при мощности основного оборудования в 500 кВА стоимость внедрения динамических и статических ИБП оказывается соизмеримой. А для предприятий, энергопотребление которых выше, вариант внедрения дизель-роторных ИБП становится безальтернативным.
Стоимость обслуживания. DRUPS требует замены масла 1 раз в год, причем она производится без остановки устройства. Также необходимо следить за состоянием стартовых аккумуляторов ДГУ. Впрочем, эти требования не отличаются от обслуживания обычного дизель-генератора. Регламент обслуживания предполагает замену подшипников через 10 лет. Стоимость такой замены намного меньше цены комплекта АКБ с запасом на 5 минут, а батареи придется менять как минимум в 2-3 раза чаще. Итого, обслуживание динамических ИБП получается дешевле. Даже если использовать самые надежные АКБ, классическая защита питания преимущества не получит.
Условия эксплуатации. DRUPS неприхотлив к условиям эксплуатации. Отвод тепла от работающего двигателя и выхлопных газов требуется такой же, как для обычной ДГУ. А вот по остальным параметрам возникает целый ряд отличий. Меньшая занимаемая площадь помещений под СГБЭ, особенно в городских условиях – уже большое преимущество. Силовые модули статических ИБП сильно нагреваются и требуют мощного охлаждения, соответственно – затрат. АКБ напротив, сами тепла не выделяют, но им необходимо обеспечивать особые условия содержания с узким диапазоном температур. Резюмируя указанные факторы, можно уверенно говорить о выгодности динамических ИБП с точки зрения меньших требований к условиям эксплуатации.
Энергоэффективность. Показатель эффективности потребления энергии (PUE – power use effectiveness) приобретает все большее значение для потребителей. С одной стороны - это экономия средств на оплате электричества, с другой – экологичность систем. КПД динамического ИБП на 5% выше, чем у статических аналогов. В системе мощностью более 2000кВА эта экономия может составить приличную сумму.
Сравнение характеристик нового класса ИБП с традиционным аналогом показывает однозначную привлекательность новинки. По сравнению с традиционными динамичные ИБП дают возможность отказаться от батарей, освободить половину помещений и сократить расходы.
Особенности работы ДДИБП.
ДДИБП обеспечивает:
· бесперебойное снабжение электроэнергией потребителей в случае выхода из строя внешней сети;
· высокое качество поставляемой электрической энергии (устраняет скачки напряжения, выполняет синхронизацию фаз и т.д.)
Обычный дизельный электрогенератор при пропадании электросети запускается в течении 30 секунд. При работе ДДИБП время выхода на режим работы равно времени срабатывания автоматов переключения и составляет 0.004 сек.
ДДИБП состоит из:
1- дизельного двигателя
2- механического накопителя энергии
3- электромашины (электродвигатель / генератор)
Обозначения:
Q1-Q3 – переключатели ; D1 – дроссель;
ДДИБП предусматривает следующие режимы работы:
Нормальный режим работы
Электромашина получает энергию от сети, работает как электродвигатель, поддерживает вращение механического накопителя, запасая энергию на период сбоев в электроснабжении.
Пропадание внешнего электроснабжения.
При потере внешнего электроснабжения, механический накопитель энергии вращается,
передавая накопленную энергию электромашине, работающей как генератор.
Происходит запуск ДГУ, который раскручивается на холостом ходу и начинает набирать обороты.
Работа от ДГУ.
Дизельгенератор набрал необходимые обороты, через обгонную муфту происходит сцепление с механическим накопителем энергии, а через него и электромашиной в режиме генератора.
Возврат в нормальный режим работы
При появлении внешней сети, дезельгенератор отключается, электромашина работает в режиме электродвигателя и восстанавливает обороты механического накопителя
Для группы ДДИБП, работающих параллельно процесс распределения нагрузки осуществляется следующим образом. Каждый генератор обладает наклонной характеристикой (зависимость выдаваемого напряжения от мощности нагрузки), которая выставляется и настраивается в регуляторе контроля напряжения.
Наклонная характеристика каждой машины идентична, что означает, что вся нагрузка между машинами работающими в параллель (подключёнными к одной шине) распределяется равномерно.
В нормальном режиме работы (без дизельного двигателя) при нагрузке равной 0% ДДИБП выдают на общую шину напряжение равное ~420В (400В +5%). С ростом нагрузке напряжение на шине понижается, достигая 380В при 100% нагрузке.
В случае работы установок в дизельном режиме определяющим является поддержание (стабильность) частоты. Блок синхронизации осуществляет контроль частоты вращения дизеля и генератора на заданном уровне (1500 об./мин.). В случае изменения электрической нагрузки на генераторе модуль синхронизации управляет подачей топлива в двигатель, удерживая частоту вращения установки на заданном уровне в пределах нагрузочной характеристики генератора.
С.А.Филин, 2015 г.
Еще по теме:
