Динамический ибп что это такое
Согласно данным Frost & Sullivan, в 2008 году на динамические ИБП (Rotary UPS) пришлось 4% всех продаж на мировом рынке ИБП, причем их доля медленно, но стабильно увеличивается. Основными причинами роста эксперты называют низкую совокупную стоимость владения (TCO) данными системами, их относительную компактность и высокую энергоэффективность. При этом производители роторных ИБП вынуждены противостоять очень жесткой конкуренции со стороны поставщиков статических источников бесперебойного питания.
Аналитики Frost & Sullivan утверждают, что на крупных объектах, энергопотребление которых составляет более 1 МВт, операционные расходы в пересчете на 1 кВт при использовании статических ИБП выше, чем при эксплуатации динамических ИБП, но последние (CAPEX) дороже. Специалисты компании Hitzinger (поставщика динамических ИБП), сравнивая два мегаваттных решения (статическое и динамическое), заключают, что их TCO сравняются уже через три года эксплуатации, после чего суммы общих расходов будут все больше различаться, причем не в пользу статических ИБП (см. Рисунок 1).
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Термины в области динамических ИБП нельзя назвать ни устоявшимися, ни общепринятыми. Не раз приходилось сталкиваться с мнением, что главным и неотъемлемым элементом таких устройств является накопитель кинетической энергии, выполненный в виде маховика. Но это отнюдь не так: маховик может и не использоваться в динамическом ИБП, но входить в состав статического устройства и работать там «на пару» с аккумуляторными батареями.
На самом деле обязательным элементом и основой динамического ИБП оказывается не маховик, а синхронная электрическая машина (мотор-генератор) ( см. таблицу ). Раскручивая электромотор «грязным» напряжением, поступающим из внешней электросети, можно с установленного с ним на одном валу генератора снимать «чистое» напряжение, и подавать его на нагрузку. Дополнив эту схему альтернативным источником энергии (аккумуляторные батареи, маховик, дизель-генератор или что-нибудь совсем экзотическое), мы и получим простейший динамический ИБП.
До 80-х годов прошлого века электромотор и генератор существовали только как два отдельных элемента, однако затем появились комплексные решения. Современные мотор-генераторы, используемые в динамических ИБП, совмещают на одном статоре и одном роторе обмотки электромотора и электрогенератора. Эта конструкция позволила уменьшить как габариты изделий, так и число компонентов. В подобных устройствах используется ряд высокотехнологичных решений. Например, в вертикальных мотор-генераторах компании Piller дополнительные обмотки создают магнитное поле, которое «приподнимает» ротор электрической машины для разгрузки подшипников. Подобные меры способствуют повышению КПД систем.
Что касается маховика, то он может служить кратковременным источником энергии и в статических, и в динамических ИБП. При наличии напряжения во внешней сети маховик раскручивается (аккумулируя энергию), а при его пропадании начинает работать в качестве электрогенератора, отдавая накопленную энергию нагрузке. Типовое время резервирования, обеспечиваемого маховиком, составляет всего несколько десятков секунд. Поставщики статических ИБП часто рекомендуют устанавливать такое устройство вместе с АКБ (см. Рисунок 2), чтобы он брал на себя все кратковременные перебои: в этом случае аккумуляторы задействуются гораздо реже, что повышает срок их службы.
При соблюдении общего принципа перевода электрической энергии в механическую и обратно маховики могут различаться в конструктивном плане. Например, компания Hitzinger поставляет динамические ИБП как с обычным маховиком, обеспечивающим стабильность частоты на уровне 5%, так и с кинетическим модулем, у которого стабильность частоты составляет 1%. При отдаче энергии нагрузке угловая скорость вращения маховика уменьшается, соответственно меняется и частота генерируемого напряжения. Поэтому допустимо только небольшое снижение частоты вращения (определяется заданным пределом «ухода» частоты), а значит, используется лишь небольшая часть накопленной маховиком кинетической энергии, что, безусловно, невыгодно.
В кинетическом модуле скорости вращения маховика и вала различны. Такой модуль состоит из двух вращающихся частей: внутреннего и внешнего роторов. Внешний ротор с короткозамкнутой обмоткой вращается с частотой 2600 об/мин на валу внутреннего ротора, но не имеет с последним механической связи (передача энергии осуществляется посредством электромагнитного поля). Сам же внутренний ротор вращается с частотой 1500 об/мин. Благодаря развязке частот вращения маховика и вала появляется возможность использовать большую долю аккумулированной кинетической энергии. Подобные кинетические модули с двумя роторами поставляются не только компанией Hitzinger, но и другими производителями, включая EuroDiesel и Hitec Power Protection.
ВОЗВРАЩАЯСЬ К ОПРЕДЕЛЕНИЯМ
Согласно классификации, предложенной Frost & Sullivan, динамические ИБП делятся на три группы:
· дизельные (Diesel Rotary UPS);
· гибридные (Hybrid Rotary UPS);
· ИБП типа Ride-through.
Рисунок 3. Упрощенная схема дизельного динамического ИБП (Diesel Rotary UPS).
Типичный дизельный динамический ИБП (ДДИБП) представляет собой собранные соосно на одном валу дизельный двигатель, электромагнитную муфту сцепления, синхронную электрическую машину и маховик (см. Рисунок 3). Такую конструкцию имеют решения компаний EuroDiesel, Hitec Power Protection и Hitzinger; в ДДИБП компании Piller маховик вынесен отдельно. Следует обратить внимание еще на один элемент ДДИБП — специальный развязывающий дроссель, который соединяет вход сетевого напряжения с выходом «чистого» напряжения системы ИБП. Этот дроссель обеспечивает высокую степень развязки между входом и выходом, блокируя прохождение гармоник и переходные процессы.
При наличии внешнего электропитания синхронная электрическая машина ДДИБП работает в режиме электродвигателя, поддерживая вращение жестко закрепленного на валу ротора маховика. При выходе параметров сети за установленные пределы она переводится в генераторный режим, поддерживая на нагрузке непрерывное синусоидальное напряжение. Источником энергии во время переходного процесса является маховик, благодаря которому сохраняется устойчивая частота вращения вала ротора синхронной электрической машины. По словам Алексея Козореза, главного инженера компании «АКСИ» — эксклюзивного поставщика в России оборудования Hitzinger, кинетическая энергия вращения маховика может достигать значений 16 МДж. Спустя 200–300 мс от момента обнаружения пропадания напряжения в сети система управления ДДИБП подает сигнал на запуск дизельного двигателя от стартерных АКБ. Через одну секунду — не важно, произошел пуск дизеля от АКБ или нет — закрывается муфта сцепления, установленная между валом ротора синхронного генератора и коленчатым валом дизеля. Кинетическая энергия маховика продолжает расходоваться как на поддержание выходного напряжения на шинах синхронного генератора, так и для вывода на рабочую частоту вращения (1500 об/мин.) коленчатого вала дизеля. Как утверждает Алексей Козорез, в такой ситуации дизель может не запуститься лишь по одной-единственной причине — если отсутствует дизельное топливо, поскольку требуемая компрессия в цилиндрах двигателя обеспечивается принудительным внешним вращением коленчатого вала на рабочей частоте. Общая продолжительность переходного процесса и выхода на рабочий режим занимает от 2 до 5 с (в зависимости от типа используемого накопителя кинетической энергии).
В гибридном динамическом ИБП (ГДИБП) присутствует как мотор-генератор, так и свойственные статическим ИБП выпрямитель и инвертор (см. Рисунок 4). Однако основной путь подачи электричества потребителю проходит через мотор-генератор: входное напряжение поступает на его моторные обмотки, а с генераторных обмоток снимается «чистое» напряжение. Система UBR компании Piller (типичный представитель семейства устройств ГДИБП) работает в таком режиме до тех пор, пока напряжение во входной сети находится в диапазоне ±8% от номинального. При выходе за эти пределы ГДИБП переключается на цепь двойного преобразования (через выпрямитель и инвертор), этот режим поддерживается при колебаниях напряжения от +10 до -15% (-20% кратковременно). В случае дальнейшего ухудшения качества напряжения или его полного пропадания система переходит на работу от АКБ. «Долгоиграющий» альтернативный источник энергии (дизель-генератор) может подключаться так же, как в схемах с обычным статическим ИБП.
Системы типа Ride-through во многом схожи с ДДИБП, отличаясь лишь отсутствием «встроенного» дизельного двигателя (см. Рисунок 5). Соответственно, такие системы способны обеспечивать резервное питание ровно столько, сколько будет «держать» маховик — как правило, несколько десятков секунд. Некоторые производители, например Active Power и Caterpillar, называют подобную архитектуру параллельной онлайновой (parallel online). Она противопоставляется типичной для статических ИБП архитектуре с двойным преобразованием энергии, при этом подчеркивается, что отказ от двойного преобразования повышает КПД систем. Как и в ГДИБП, в системах Ride-through внешний дизель-генератор можно подключить по типовым схемам, а имеющиеся технические решения позволяют организовать его запуск от энергии, генерируемой маховиком.
Российский рынок
По нашей просьбе названные выше производители динамических ИБП прислали перечни инсталляций своего оборудования, в том числе выполненные в крупных зарубежных ЦОД. Списки оказались очень внушительными. В России такие решения тоже установлены — например, система Hitzinger мощностью 1 МВт уже 15 лет эксплуатируется на ММВБ. Что же касается ЦОД, то «Журнал сетевых решений/LAN» располагает информацией только о двух российских проектах: представители компании Hitec сообщили о поставках двух ИБП по 1600 кВА для ЦОД компании Stack Group и четырех устройств по 1000 кВА для компании «Крок».
Как рассказал Максим Амзараков, технический директор Stack Group, в настоящее время (январь 2011 года) динамические ИБП Hitec установлены и находятся в стадии подготовки к работе в новом коммерческом ЦОД. Тестирование оборудования на нагрузку проводилось на заводе. В качестве основного аргумента, повлиявшего на выбор в пользу динамических ИБП, специалист Stack Group назвал простоту конструкции (по сравнению с традиционными статическими ИБП), что гарантирует более высокую надежность, эффективность (КПД) и снижение расходов на эксплуатацию. «Это хорошая и надежная техника, и она будет все шире востребована в ЦОД», — заключил он.
Как считает Александр Ласый, заместитель директора департамента интеллектуальных зданий компании «Крок», в силу того что область применения динамических ИБП очень узка — только крупные ЦОД мощностью несколько МВт — спрос пока невысок. Однако проекты строительства таких ЦОД вновь стали актуальны в России, и он ожидает роста интереса к этому оборудованию.
К числу достоинств ДДИБП Алексей Козорез относит их высокий КПД — 96% на полной нагрузке. Причем КПД практически не снижается в случае уменьшении нагрузки вплоть до 50%, что крайне важно для основного эксплуатационного режима ЦОД при реализации схем резервирования по топологии 2N и 2(N+1). Он отмечает возможность построения высоконадежной шины параллельной работы как низкого (0,4 кВ), так и среднего (6–10 кВ) напряжения, а кроме того, высокую надежность системы управления, где используются проверенные десятилетиями схемы релейной автоматики. По данным специалиста «АКСИ», до сих пор системы ДДИБП, находящиеся в эксплуатации более 27 лет, работают в практически неизменном виде, что говорит о чрезвычайно высоком ресурсе системы. Не менее важна и низкая стоимость капитального ремонта, заключающегося в замене подшипников (накладок диска сцепления), проводимого раз в 10 лет.
По мнению Алексея Карпинского, директора департамента технологического консалтинга компании «Астерос», развитию рынка динамических ИБП способствуют такие их преимущества, как отсутствие жестких требований к климатическим условиям в местах установки, существенно меньший вес и уже упоминавшаяся выше простота конструкции. Максим Баканов, эксперт компании «Стинс Коман Интегрированные Решения», ссылается на расчеты, которые показывают, что если мощность ЦОД составляет более 5 МВт, целесообразно использовать не классическую систему, состоящую из дизеля, АВР, статического ИБП и системы кондиционирования, а ДДИБП — такое решение содержит меньше компонентов и не требует системы прецизионного кондиционирования (только приточно-вытяжное охлаждение).
Одной из проблем, препятствующих развитию рынка динамических ИБП, эксперты Frost & Sullivan называют отсутствие достаточного числа предложений в диапазоне мощностей 200–500 кВА, в котором их основные конкуренты — статические ИБП — представлены в широком ассортименте. Кроме того, они отмечают недостаточно агрессивный маркетинг со стороны поставщиков динамических ИБП и дефицит информации о преимуществах и особенностях применения этих продуктов. Надеемся, данный материал внесет свою скромную лепту в решение последней задачи.
Решение на базе динамических источников бесперебойного питания (ДИБП) для различных отраслей промышленности. ДИБП – это 23000 кВА общей мощности, работающие в банковской сфере, IT-технологиях, медицинских центрах и других отраслях промышленности.
ДИБП – генераторная электроустановка низкого и среднего напряжений, предназначенная для электропитания потребителей первой категории и особых групп потребителей, входящих в состав первой категории.
Устройство предназначено для питания потребителей с мощностью от 200 кВА до 2,5 МВА и успешно заменяет статические источники бесперебойного питания, использующие для резервирования энергии химические источники электрического тока – аккумуляторные батареи (АКБ).
ДИБП перекрывает ряд статических ИБП (в верхней части диапазона мощности), обладает расширенным мощностным рядом серийных изделий и позволяет реализовывать ряд дополнительных энергетических функций.
ДИБП представляет собой комбинацию дизельного двигателя, отключенного в дежурном режиме, и статогенератора, включающего в свой состав несколько электрических машин, и в том числе, аккумулятор кинетической энергии.
Резервная энергия вырабатывается устройством накопления кинетической энергии, кинетическим аккумулятором (АКЭ). Благодаря АКЭ, химические батареи не нужны. При длительных перерывах электроснабжения длительность работы ДИБП ограничена только емкостью топливного бака, и, при пополнении запаса топлива, может продолжаться необходимое время.
ДИБП – это установки на основе силовых агрегатов от 200 кВА до 2500 кВА единичной мощности, допускающие работу в параллель с сетью.
Преимущества динамических источников бесперебойного питания:
1. КПД до 96,4 % при полной нагрузке, что минимизирует эксплуатационные затраты.
2. Надежность моноблочного устройства.
3. Накопление кинетической энергии происходит до возврата к работе в дежурном режиме; это позволит устранить последующие отказы питания.
4. Замена подшипников каждые 10 лет. Срок службы системы не менее 25 лет.
5. Малые габариты, может устанавливаться в помещениях без кондиционирования и без противокислотной обработки.
6. Фильтрация высших гармоник и поглощение реактивных и пусковых токов нагрузки.
7. Устранение микро-обрывов во время нормальной работы.
8. Стабилизация выходного напряжения в широком диапазоне отклонений входного напряжения.
Трудности на старте
При вводе в работу нового оборудования без сложностей не обходится — так было и с новыми роторными ИБП. После первых запусков мы обнаружили некорректную работу реле контроля скорости вращения маховика одной из установок.
К счастью, инженеры Piller быстро нашли замену, и мы перешли к испытаниям ИБП под нагрузкой.
Нагрузочный модуль для проведения испытаний
При нагрузочных испытаниях нам нужно было добиться максимально плавной передачи нагрузки на ДГУ, после того как ДГУ вышел на номинальный режим.
Для создания таких условий мы изменили настройки ДГУ: убрали двухсекундную задержку перед пуском для максимально быстрого старта. Также настроили АВР ГРЩ на более быстрое переключение. Активировали на CPM режим Diesel Mode и увеличили рампу передачи нагрузки от CPM на дизель с начальных 5 до 14 секунд.
Панель управления ДГУ
Нам было необходимо добиться оптимальной работы системы: ДГУ должен быть способен как можно быстрее принять нагрузку, а CPM — передать ее максимально плавно. В результате всех настроек система «мягко» переходит на питание от ДГУ даже при максимальной нагрузке.
Как будут вести себя системы спустя некоторое время в эксплуатации, покажет время. И об этом я обязательно расскажу в будущих статьях. А чтобы не пропустить следующие публикации, подпишитесь на наш блог.
Для владельцев крупных ЦОД актуальным остается вопрос наиболее оптимального выбора ИБП для обеспечения бесперебойного питания. Статические или динамические? Рассмотрим каждый из этих типов и проанализируем имеющиеся возможности.
На рынке представлено множество моделей ИБП, которые в зависимости от сферы применения различаются мощностью, ценой, весом, а также конструкцией — для установки в стойку или отдельно стоящие, однофазные или трехфазные. Однако для владельцев крупных ЦОД актуальным остается вопрос наиболее оптимального выбора ИБП для обеспечения бесперебойного питания. Статические или динамические? Рассмотрим каждый из этих типов и проанализируем имеющиеся возможности.
Статические ИБП называются так потому, что в их силовом модуле нет движущихся деталей, за исключением вспомогательных (например, вентиляторов). Поступающий из сети переменный ток преобразуется (при помощи выпрямителя) сначала в постоянный, а затем (посредством инвертора) снова в переменный с чистой синусоидальной формой сигнала, который и используется для питания нагрузки.
Динамические ИБП отличаются от статических тем, что передача питания на нагрузку осуществляется за счет использования вращающихся элементов (например, мотор-генератора). Динамическая технология в ИБП применяется на протяжении многих лет: она стала востребованной, когда нагрузка обладала низким коэффициентом мощности и высоким коэффициентом гармонических искажений.
Статические ИБП называются так потому, что в их силовом модуле нет движущихся деталей, за исключением вспомогательных (например, вентиляторов) |
Особенности систем электроснабжения с применением Дизельных Динамических Источников Бесперебойного Питания (ДДИБП)
В нижеследующем изложении автор постарается избежать маркетинговых клише и будет опираться исключительно на практический опыт. В качестве подопытных будут описаны ДДИБП компании HITEC Power Protection.
Рекомендации применения ДДИБП
Из вышесказанного напрашивается не утешительный вывод – на выходе системы электроснабжения с применением ДДИБП качественное (!) бесперебойное напряжение присутствует при выполнении всех следующих условий:
- Внешнее электроснабжение не имеет существенных недостатков;
- Нагрузка системы постоянная во времени, активная и линейная по своему характеру (последние две характеристики не относятся к оборудованию центров обработки данных);
- В системе отсутствуют искажения, вызванные коммутацией реактивных элементов.
- Разделяйте системы электроснабжения инженерного и ИТ-оборудования, а последние разделяйте на подсистемы, для минимизации взаимного влияния.
- Выделяйте отдельную сеть для обеспечения возможность обслуживания единичной установки с возможностью подключения уличной тестовой нагрузки, мощностью равной единичной установки. Подготавливайте для этих целей площадку и кабельное хозяйство для подключения.
- Постоянно следите за балансом нагрузки между силовыми шинами, отдельными установками и фазами.
- Избегайте применения понижающих трансформаторов, подключаемых к выходу ДДИБП.
- Тщательно тестируйте и протоколируйте работу автоматики и силовых коммутационных аппаратов с целью сбора статистики.
- Для проверки качества электроснабжения нагрузки тестируйте установки и системы с использованием нелинейной нагрузки.
- При обслуживании разбирайте стартерные батареи и тестируйте их индивидуально, т.к. несмотря на наличие так называемых эквалайзеров и панели резервного запуска (RSP), из-за одной неисправной батарей ДД может не запуститься.
- Принимайте дополнительные меры к минимизации гармоник тока нагрузки.
- Документируйте звуковые и тепловые поля установок, результаты вибротестов для оперативной реакции на первые проявления разного рода механических проблем.
- Избегайте длительного простоя установок, принимайте меры к равномерному распределению моторесурса.
- Комплектуй установки вибродатчиками для предотвращения аварийный ситуации.
- При изменении звуковых и тепловых полей, появлении вибрации, посторонних запахов немедленно выводите установки из эксплуатации для дальнейшей диагностики.
Публикация на других ресурсах и средствах массовой информации только с письменного разрешения автора.
Для Selectel таким решением стали динамические источники бесперебойного питания Piller CPM300. В этой статье я расскажу вам, как мы запустили в работу новые для рынка ИБП, с какими трудностями столкнулись и почему вообще решили изменить подход к резервированию IT-нагрузок.
Подготовка к установке динамического ИБП
К приезду и установке новых ИБП нужно было хорошо подготовиться.
Прежде всего с помощью компьютерного моделирования мы рассчитали, справятся ли основания дата-центра с вибро-динамическими нагрузками. Важно, чтобы нетипичная для здания нагрузка не нарушила его целостность.
Элементная схема здания для расчета нагрузок
Далее подготовили плиту для установки CPM и надежную прокладку, гасящую вибрации. Надежное основание для установки модулей роторного динамического ИБП критически важно, ведь масса каждого «волчка», или силового моста, — 3 900 килограммов. При нормальной работе они производят 4 750 оборотов в минуту, с частотой 158 Гц.
Наконец, CPM будет выделять тепло при работе. Для его отвода мы спроектировали систему вентиляции, которая будет выводить горячий воздух из нового помещения ГРЩ, где установлены CPM.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Термины в области динамических ИБП нельзя назвать ни устоявшимися, ни общепринятыми. Не раз приходилось сталкиваться с мнением, что главным и неотъемлемым элементом таких устройств является накопитель кинетической энергии, выполненный в виде маховика. Но это отнюдь не так: маховик может и не использоваться в динамическом ИБП, но входить в состав статического устройства и работать там «на пару» с аккумуляторными батареями.
На самом деле обязательным элементом и основой динамического ИБП оказывается не маховик, а синхронная электрическая машина (мотор-генератор) (см. таблицу). Раскручивая электромотор «грязным» напряжением, поступающим из внешней электросети, можно с установленного с ним на одном валу генератора снимать «чистое» напряжение, и подавать его на нагрузку. Дополнив эту схему альтернативным источником энергии (аккумуляторные батареи, маховик, дизель-генератор или что-нибудь совсем экзотическое), мы и получим простейший динамический ИБП.
До 80-х годов прошлого века электромотор и генератор существовали только как два отдельных элемента, однако затем появились комплексные решения. Современные мотор-генераторы, используемые в динамических ИБП, совмещают на одном статоре и одном роторе обмотки электромотора и электрогенератора. Эта конструкция позволила уменьшить как габариты изделий, так и число компонентов. В подобных устройствах используется ряд высокотехнологичных решений. Например, в вертикальных мотор-генераторах компании Piller дополнительные обмотки создают магнитное поле, которое «приподнимает» ротор электрической машины для разгрузки подшипников. Подобные меры способствуют повышению КПД систем.
Что касается маховика, то он может служить кратковременным источником энергии и в статических, и в динамических ИБП. При наличии напряжения во внешней сети маховик раскручивается (аккумулируя энергию), а при его пропадании начинает работать в качестве электрогенератора, отдавая накопленную энергию нагрузке. Типовое время резервирования, обеспечиваемого маховиком, составляет всего несколько десятков секунд. Поставщики статических ИБП часто рекомендуют устанавливать такое устройство вместе с АКБ (см. Рисунок 2), чтобы он брал на себя все кратковременные перебои: в этом случае аккумуляторы задействуются гораздо реже, что повышает срок их службы.
Рисунок 2. Упрощенная схема статического ИБП. |
При соблюдении общего принципа перевода электрической энергии в механическую и обратно маховики могут различаться в конструктивном плане. Например, компания Hitzinger поставляет динамические ИБП как с обычным маховиком, обеспечивающим стабильность частоты на уровне 5%, так и с кинетическим модулем, у которого стабильность частоты составляет 1%. При отдаче энергии нагрузке угловая скорость вращения маховика уменьшается, соответственно меняется и частота генерируемого напряжения. Поэтому допустимо только небольшое снижение частоты вращения (определяется заданным пределом «ухода» частоты), а значит, используется лишь небольшая часть накопленной маховиком кинетической энергии, что, безусловно, невыгодно.
В кинетическом модуле скорости вращения маховика и вала различны. Такой модуль состоит из двух вращающихся частей: внутреннего и внешнего роторов. Внешний ротор с короткозамкнутой обмоткой вращается с частотой 2600 об/мин на валу внутреннего ротора, но не имеет с последним механической связи (передача энергии осуществляется посредством электромагнитного поля). Сам же внутренний ротор вращается с частотой 1500 об/мин. Благодаря развязке частот вращения маховика и вала появляется возможность использовать большую долю аккумулированной кинетической энергии. Подобные кинетические модули с двумя роторами поставляются не только компанией Hitzinger, но и другими производителями, включая EuroDiesel и Hitec Power Protection.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ
Динамические ИБП нуждаются в более частом техническом обслуживании, поскольку состоят из электронных, электрических и механических компонентов. При этом для проведения различных операций с двигателем и электронной аппаратурой обычно приходится привлекать разных специалистов. Перечень регламентных работ может включать в себя еженедельную проверку масла в муфте, смазку подшипников, мониторинг температуры обмоток и подшипников и т. д.
Статическому ИБП с батареями VRLA обычно требуется плановое обслуживание один раз в год. Движущимися элементами статического ИБП являются только вентиляторы и контакторы, которые в специальном уходе не нуждаются.
Работа динамического устройства зависит от многочисленных подшипников, установленных в синхронном генераторе и узле муфты. Они находятся под нагрузкой круглосуточно, а их замена предполагает полное отключение устройства на срок 12–24 ч и требует использования подъемного крана, рассчитанного на вес агрегата.
ВОЗВРАЩАЯСЬ К ОПРЕДЕЛЕНИЯМ
- дизельные (Diesel Rotary UPS);
- гибридные (Hybrid Rotary UPS);
- ИБП типа Ride-through.
Рисунок 3. Упрощенная схема дизельного динамического ИБП (Diesel Rotary UPS). |
Типичный дизельный динамический ИБП (ДДИБП) представляет собой собранные соосно на одном валу дизельный двигатель, электромагнитную муфту сцепления, синхронную электрическую машину и маховик (см. Рисунок 3). Такую конструкцию имеют решения компаний EuroDiesel, Hitec Power Protection и Hitzinger; в ДДИБП компании Piller маховик вынесен отдельно. Следует обратить внимание еще на один элемент ДДИБП — специальный развязывающий дроссель, который соединяет вход сетевого напряжения с выходом «чистого» напряжения системы ИБП. Этот дроссель обеспечивает высокую степень развязки между входом и выходом, блокируя прохождение гармоник и переходные процессы.
При наличии внешнего электропитания синхронная электрическая машина ДДИБП работает в режиме электродвигателя, поддерживая вращение жестко закрепленного на валу ротора маховика. При выходе параметров сети за установленные пределы она переводится в генераторный режим, поддерживая на нагрузке непрерывное синусоидальное напряжение. Источником энергии во время переходного процесса является маховик, благодаря которому сохраняется устойчивая частота вращения вала ротора синхронной электрической машины. По словам Алексея Козореза, главного инженера компании «АКСИ» — эксклюзивного поставщика в России оборудования Hitzinger, кинетическая энергия вращения маховика может достигать значений 16 МДж. Спустя 200–300 мс от момента обнаружения пропадания напряжения в сети система управления ДДИБП подает сигнал на запуск дизельного двигателя от стартерных АКБ. Через одну секунду — не важно, произошел пуск дизеля от АКБ или нет — закрывается муфта сцепления, установленная между валом ротора синхронного генератора и коленчатым валом дизеля. Кинетическая энергия маховика продолжает расходоваться как на поддержание выходного напряжения на шинах синхронного генератора, так и для вывода на рабочую частоту вращения (1500 об/мин.) коленчатого вала дизеля. Как утверждает Алексей Козорез, в такой ситуации дизель может не запуститься лишь по одной-единственной причине — если отсутствует дизельное топливо, поскольку требуемая компрессия в цилиндрах двигателя обеспечивается принудительным внешним вращением коленчатого вала на рабочей частоте. Общая продолжительность переходного процесса и выхода на рабочий режим занимает от 2 до 5 с (в зависимости от типа используемого накопителя кинетической энергии).
Рисунок 4. Упрощенная схема гибридного динамического ИБП (Hybrid Rotary UPS). |
В гибридном динамическом ИБП (ГДИБП) присутствует как мотор-генератор, так и свойственные статическим ИБП выпрямитель и инвертор (см. Рисунок 4). Однако основной путь подачи электричества потребителю проходит через мотор-генератор: входное напряжение поступает на его моторные обмотки, а с генераторных обмоток снимается «чистое» напряжение. Система UBR компании Piller (типичный представитель семейства устройств ГДИБП) работает в таком режиме до тех пор, пока напряжение во входной сети находится в диапазоне ±8% от номинального. При выходе за эти пределы ГДИБП переключается на цепь двойного преобразования (через выпрямитель и инвертор), этот режим поддерживается при колебаниях напряжения от +10 до -15% (-20% кратковременно). В случае дальнейшего ухудшения качества напряжения или его полного пропадания система переходит на работу от АКБ. «Долгоиграющий» альтернативный источник энергии (дизель-генератор) может подключаться так же, как в схемах с обычным статическим ИБП.
Рисунок 5. Упрощенная схема динамического ИБП типа Ride-through. |
Системы типа Ride-through во многом схожи с ДДИБП, отличаясь лишь отсутствием «встроенного» дизельного двигателя (см. Рисунок 5). Соответственно, такие системы способны обеспечивать резервное питание ровно столько, сколько будет «держать» маховик — как правило, несколько десятков секунд. Некоторые производители, например Active Power и Caterpillar, называют подобную архитектуру параллельной онлайновой (parallel online). Она противопоставляется типичной для статических ИБП архитектуре с двойным преобразованием энергии, при этом подчеркивается, что отказ от двойного преобразования повышает КПД систем. Как и в ГДИБП, в системах Ride-through внешний дизель-генератор можно подключить по типовым схемам, а имеющиеся технические решения позволяют организовать его запуск от энергии, генерируемой маховиком.
Устройство установки ДДИБП
Устройство ДДИБП, с точки зрения электромеханика, выглядит достаточно просто и предсказуемо.
Основным источником энергии является Дизельный Двигатель (ДД), с мощностью достаточной, с учетом КПД установки, для длительного непрерывного питания нагрузки. Это соответственно накладывает достаточно жесткие требования к его надежности, готовности к запуску и стабильности работы. Поэтому совершенно логичным является применение судовых ДД, которые вендор перекрашивает из жёлтого в свой цвет.
В качестве обратимого преобразователя механической энергии в электрическую и обратно в состав установки входит мотор-генератор с мощностью превышающую паспортную мощность установки для улучшения, прежде всего, динамических характеристик источника питания при переходных процессах.
Так как производитель заявляет о бесперебойности питания то в установке присутствует элемент, поддерживающий питание нагрузки при переходах из одного режима работы к другому. Этой цели служит инерционный накопитель или индукционная муфта. Он представляет собой массивное тело, вращающееся на высокой скорости и накапливающее механическую энергию. Производитель описывает его устройство как асинхронный двигатель внутри асинхронного двигателя. Т.е. имеются статор, внешний ротор и внутренний ротор. При чем внешний ротор жестко связан с общим валом установки и вращается синхронно с валом мотор-генератора. Внутренний ротор дополнительно раскручивается относительно внешнего и является собственно накопителем. Для обеспечения питанием и взаимодействия между отдельными частями служат щеточные узлы с токосъемными кольцами.
Для обеспечения передачи механической энергии от ДД к остальным частям установки служит обгонная муфта.
Важнейшей частью установки является система автоматического управления, которая, анализируя параметры работы отдельных частей, оказывает воздействия для управления установкой в целом.
Также важнейший элемент установки – реактор, трёхфазный дроссель с отводом обмотки, предназначенный для интеграции установки в систему энергоснабжения и позволяющий относительно безопасно переключаться между режимами, ограничивая выравнивающие токи.
И наконец, вспомогательные, но отнюдь не второстепенные подсистемы – вентиляции, топливоснабжения, охлаждения и газовыхлопа.
Жизненный цикл ДДИБП и его влияние на систему электроснабжения в целом
Не надо забывать, что установки ДДИБП являются электромеханическими устройствами, требующими к себе внимательного, если не сказать больше, трепетного отношения и периодического технического обслуживания.
Регламент обслуживания подразумевает вывод из эксплуатации, остановку, чистку, смазку (раз в полгода), а также прогрузку генератора на тестовую нагрузку (раз в год). Обычно на обслуживание одной установки требуется два рабочих дня. А отсутствие специально спроектированной схемы для подключения генератора к тестовой нагрузки приводит к необходимости обесточивания полезной нагрузки.
Для примера, возьмем избыточную систему из 15-ти параллельно работающих ДДИБП, подключенных по «среднему» напряжению на двойную «расщеплённую» шину при отсутствии выделенной цепи для подключения тестовой нагрузки.
При таких исходных данных, для обслуживания системы в течении 30(!)-ти календарных дней в режиме через день будет необходимо обесточивать одну из выходных шин для подключения тестовой нагрузки. Таким образом, доступность электропитания полезной нагрузки одной из выходных шин составляет – 0,959, а на самом деле даже 0,92.
Кроме того, возвращение к штатной схеме электроснабжения полезной нагрузки потребует включения необходимого количества понижающих трансформаторов, что, в свою очередь, вызовет многократные провалы напряжения во всей(!) системе, связанные с перемагничиванием трансформаторов.
Почему мы выбрали CPM Piller300
Динамические (дизель-роторные) ИБП давно используются на рынке ЦОД. Selectel эти решения не подходили: установки не удовлетворяли наши требования по условию двойного преобразования как напряжения, так и частоты.
CPM Piller300 – новинка на рынке дата-центров, которая нас сразу заинтересовала. Решение объединяет достоинства динамических и статических ИБП. Динамический модуль играет роль накопителя энергии вместо аккумуляторных батарей, но, если его исключить, у нас остается система, максимально приближенная к классическим ИБП.
Исключая из схемы аккумуляторы, дата-центр выигрывает по нескольким пунктам:
→ Экологичность: батареи нужно правильно утилизировать, здесь необходимо подписывать договоры со специализированными компаниями.
→ Экономия полезной площади серверной: аккумуляторы занимали место, где можно было поставить серверную стойку.
→ Нетребовательность CPM к температуре: аккумуляторы нужно охлаждать фреоном, чтобы поддерживать необходимую им температуру в 20-25° C; CPM Piller300 же могут работать при температуре до 50° C. Исключая аккумуляторы, мы решаем проблему с доохлаждением оборудования.
CPM Piller300 на данный момент удовлетворяют требования к резервированию критической нагрузки, которые были у Selectel, и в тоже время имеют модульность для построения отказоустойчивой архитектуры. Оценив технические преимущества ИБП и подсчитав экономию бюджета, полезной площади машинного зала, времени на эксплуатацию, мы закупили новые для компании ИБП и начали ждать поставку.
Вот так инфернально выглядит установка на сайте поставщика
Габариты CPM Piller300
Российский рынок
По нашей просьбе названные выше производители динамических ИБП прислали перечни инсталляций своего оборудования, в том числе выполненные в крупных зарубежных ЦОД. Списки оказались очень внушительными. В России такие решения тоже установлены — например, система Hitzinger мощностью 1 МВт уже 15 лет эксплуатируется на ММВБ. Что же касается ЦОД, то «Журнал сетевых решений/LAN» располагает информацией только о двух российских проектах: представители компании Hitec сообщили о поставках двух ИБП по 1600 кВА для ЦОД компании Stack Group и четырех устройств по 1000 кВА для компании «Крок».
Как рассказал Максим Амзараков, технический директор Stack Group, в настоящее время (январь 2011 года) динамические ИБП Hitec установлены и находятся в стадии подготовки к работе в новом коммерческом ЦОД. Тестирование оборудования на нагрузку проводилось на заводе. В качестве основного аргумента, повлиявшего на выбор в пользу динамических ИБП, специалист Stack Group назвал простоту конструкции (по сравнению с традиционными статическими ИБП), что гарантирует более высокую надежность, эффективность (КПД) и снижение расходов на эксплуатацию. «Это хорошая и надежная техника, и она будет все шире востребована в ЦОД», — заключил он.
Как считает Александр Ласый, заместитель директора департамента интеллектуальных зданий компании «Крок», в силу того что область применения динамических ИБП очень узка — только крупные ЦОД мощностью несколько МВт — спрос пока невысок. Однако проекты строительства таких ЦОД вновь стали актуальны в России, и он ожидает роста интереса к этому оборудованию.
К числу достоинств ДДИБП Алексей Козорез относит их высокий КПД — 96% на полной нагрузке. Причем КПД практически не снижается в случае уменьшении нагрузки вплоть до 50%, что крайне важно для основного эксплуатационного режима ЦОД при реализации схем резервирования по топологии 2N и 2(N+1). Он отмечает возможность построения высоконадежной шины параллельной работы как низкого (0,4 кВ), так и среднего (6–10 кВ) напряжения, а кроме того, высокую надежность системы управления, где используются проверенные десятилетиями схемы релейной автоматики. По данным специалиста «АКСИ», до сих пор системы ДДИБП, находящиеся в эксплуатации более 27 лет, работают в практически неизменном виде, что говорит о чрезвычайно высоком ресурсе системы. Не менее важна и низкая стоимость капитального ремонта, заключающегося в замене подшипников (накладок диска сцепления), проводимого раз в 10 лет.
По мнению Алексея Карпинского, директора департамента технологического консалтинга компании «Астерос», развитию рынка динамических ИБП способствуют такие их преимущества, как отсутствие жестких требований к климатическим условиям в местах установки, существенно меньший вес и уже упоминавшаяся выше простота конструкции. Максим Баканов, эксперт компании «Стинс Коман Интегрированные Решения», ссылается на расчеты, которые показывают, что если мощность ЦОД составляет более 5 МВт, целесообразно использовать не классическую систему, состоящую из дизеля, АВР, статического ИБП и системы кондиционирования, а ДДИБП — такое решение содержит меньше компонентов и не требует системы прецизионного кондиционирования (только приточно-вытяжное охлаждение).
Одной из проблем, препятствующих развитию рынка динамических ИБП, эксперты Frost & Sullivan называют отсутствие достаточного числа предложений в диапазоне мощностей 200–500 кВА, в котором их основные конкуренты — статические ИБП — представлены в широком ассортименте. Кроме того, они отмечают недостаточно агрессивный маркетинг со стороны поставщиков динамических ИБП и дефицит информации о преимуществах и особенностях применения этих продуктов. Надеемся, данный материал внесет свою скромную лепту в решение последней задачи.
Устройство CPM Piller300
Выбранные динамические ИБП отличаются простым устройством. По схеме работы аналогичны классическим ИБП двойного преобразования.
Перечислю его основные элементы:
Выпрямитель — преобразует переменный ток входящей сети в постоянный, заряжает силовой мост ИБП и дает питание на инвертор.
Инвертор — преобразует постоянный ток в переменный, задавая ему необходимые параметры. Такое двойное преобразование позволяет исключить попадание в дата-центр вредных колебаний внешней сети.
Силовой мост — накопитель кинетической энергии. Маховик представляет собой вращающееся устройство, работающее в вакууме, для обеспечения минимальных потерь энергии. Выполнен в виде вертикального ротора, закрепленного на подшипниках. Маховик заряжается и разряжается синхронной машиной, преобразуя электрическую энергию в механическую и наоборот.
Габариты и составляющие внутренней части модуля силового моста
Конвертер — еще один преобразователь. Его роль — связь силового моста с сетью ИБП. Он преобразует постоянный ток внутри ИБП в переменный и обратно, управляя процессом разгона (заряда) и торможения (разряда) силового моста.
Аккумуляторные батареи
В случае статических ИБП при отключении электроэнергии или длительных сбоях оборудование питается от аккумуляторных батарей постоянного тока. Они способны поддерживать 5-30 минут работы — этого достаточно для переключения на ДГУ.
Динамическим источникам бесперебойного питания аккумуляторные батареи не нужны. Они сами выступают как временное хранилище энергии и включаются, когда в сети пропадает электропитание. В «спокойное» время динамический элемент ИБП накапливает в себе энергию, а в критических ситуациях берет на себя роль электрогенератора. Поддерживать работу оборудования он может всего лишь 30 секунд (зависит от нагрузки), но и этого времени хватает для подключения ДГУ.
В случае динамических ИБП аккумуляторные батареи исключены из системы, а значит, оператору ЦОД не нужно закладывать место для их размещения. Освободившиеся квадратные метры можно использовать для полезной IT-нагрузки — разместить там серверные стойки. Серверы приносят выгоду провайдеру, а вот обслуживание, закупка и замена аккумуляторов обременяют и стоят денег. Кроме того, аккумуляторы неэкологичны и сложны в утилизации.
НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ
Согласно статистике отказов, механические устройства по мере увеличения срока эксплуатации требуют более частого обслуживания, в то время как периодичность регулярного обслуживания статических устройств остается неизменной в течение всего срока службы.
Динамические ИБП ведущих производителей гарантированно обеспечивают пуск ДГУ, который осуществляется от специальной батареи. Если она разряжена или неисправна, ведущий вал двигателя проворачивается муфтой маховика, как заводной рукояткой автомобиля. Благодаря подобному механизму запуска («с двух попыток») дизельный двигатель обычно заводится за 2–10 с (2 с — при полной нагрузке, 10 с — при малой нагрузке). В случае неудачи напряжение на выходе ИБП исчезнет. В отличие от динамического, статический ИБП способен обеспечить автономную работу в течение 12–15 мин.
Как часто требуется включать дизельный двигатель в динамическом ИБП? Ряд исследований, включая проведенные самими производителями, показали, что нарушения электропитания, требующие подачи резервного питания, случаются почти каждый день и 60% этих нарушений длятся более 100 мс (и только 2% — свыше 3–5 с). Двигатель динамического ИБП должен запускаться при любом нарушении питания длительностью более 50 мс. В системе же, состоящей из статических ИБП с АКБ, дизель-генератор не нужно запускать, пока продолжительность сбоя в подаче энергии не превысит 10 с. Таким образом, зависимость от механики уменьшается, а надежность повышается.
Для переключения на ДГУ статическим ИБП требуются устройства автоматического включения резерва (АВР), в то время как динамические для соединения дизельного двигателя с ИБП используют механическую муфту. АВР и муфта — механические устройства, поэтому имеют сопоставимые показатели средней наработки на отказ. Для муфты они больше, чем для АВР, однако муфта нуждается в более частом техобслуживании.
Следует заметить, что динамические ИБП работают в линейно-интерактивном режиме, позволяющем значительно упростить работу системы. При этом КПД ИБП при номинальном напряжении сети составляет 97%, что выше, чем в среднем у статических ИБП в режиме двойного преобразования. За все время использования динамические ИБП с таким режимом работы зарекомендовали себя как очень надежные, относительно недорогие и экономичные устройства.
Однако в электросети с нестабильными характеристиками линейно-интерактивный динамический ИБП не обладает никакими преимуществами перед статическим: гальваническая развязка между входом и выходом отсутствует, входная частота равна выходной, возможности регулирования напряжения и подавления перенапряжения ограничены. В сложных и нестабильных условиях ИБП с двойным преобразованием энергии будет выдавать заново сгенерированное напряжение чистой синусоидальной формы. Такой ИБП формирует и регулирует напряжение, а также частоту и форму синусоидального напряжения, подаваемого на нагрузку. Благодаря этому пользователь может быть полностью уверен в надежной защите ответственного оборудования.
Безусловно, и статические, и динамические ИБП обладают высокой эффективностью и надежностью. Однако при внимательном изучении характеристик каждого решения можно увидеть, что статические ИБП отличаются более широким диапазоном применения — именно поэтому они признаны наиболее предпочтительной технологией для использования в крупных ЦОД, потребляющих мегаватты энергии.
Сергей Амелькин — менеджер по продукции направления «Качественное электропитание» компании Eaton.
Динамические (роторные) средства бесперебойного электропитания устанавливались еще в первых советских вычислительных центрах. Однако с появлением и широким распространением статических ИБП их динамические «собратья» были забыты, во всяком случае в ИТ. Только в последние пару лет производители этих решений начали активно напоминать о себе проектировщикам и создателям центров обработки данных.
Согласно данным Frost & Sullivan, в 2008 году на динамические ИБП (Rotary UPS) пришлось 4% всех продаж на мировом рынке ИБП, причем их доля медленно, но стабильно увеличивается. Основными причинами роста эксперты называют низкую совокупную стоимость владения (TCO) данными системами, их относительную компактность и высокую энергоэффективность. При этом производители роторных ИБП вынуждены противостоять очень жесткой конкуренции со стороны поставщиков статических источников бесперебойного питания.
Аналитики Frost & Sullivan утверждают, что на крупных объектах, энергопотребление которых составляет более 1 МВт, операционные расходы в пересчете на 1 кВт при использовании статических ИБП выше, чем при эксплуатации динамических ИБП, но последние (CAPEX) дороже. Специалисты компании Hitzinger (поставщика динамических ИБП), сравнивая два мегаваттных решения (статическое и динамическое), заключают, что их TCO сравняются уже через три года эксплуатации, после чего суммы общих расходов будут все больше различаться, причем не в пользу статических ИБП (см. Рисунок 1).
Рисунок 1. Сравнение общей стоимости владения системами бесперебойного гарантированного электропитания на базе статического ИБП (ИБП 1 МВА + дизель-генератор 1,6 МВА) и дизельного динамического ИБП (устройство Hitzinger NBDK на 1 МВА). |
Установка и подключение
Итак, CPM привезли. Для их разгрузки и установки мы заранее вызвали вилочный погрузчик и подготовили площадки для размещения модулей.
Далее инженеры расставили оборудование по ГРЩ и закрепили к полу анкерными болтами.
Переходим к подключению.
Кстати, еще одно преимущество динамических ИБП состоит в том, что в их случае не нужно «обвязывать» сотни аккумуляторных батарей, работая под напряжением, как на классических ИБП с батарейными секциями. Обычно это требует большого количества времени, сил, а также создает опасность короткого замыкания или даже поражения людей электрическим током.
CPM Piller приехал к нам полностью готовым к подключению и запуску. Необходимо было только собрать модули между собой, подключить питание и нагрузку.
Как это выглядит на практике:
Силовые кабели подключены на соответствующие клеммы
В нашем случае ввод силовых кабелей в ИБП производится сверху. Кабели подключаются на соответствующие клеммы входа на ИБП, вход байпаса, выход к нагрузке.
Также подключаются кабели диспетчеризации, управления, параллельной работы.
Эксплуатация
Классические ИБП двойного преобразования требуют ежеквартального технического обслуживания с проверкой (и возможной регламентной заменой) аккумуляторных батарей, проведения тестов разрядки, постоянного тепловизионного контроля и контроля уровня водорода, который так или иначе выделяется при заряде.
Обслуживание динамических ИБП минимально. Так, производитель CPM (Critical Power Module), которые мы закупили для новых серверных в Москве и Санкт-Петербурге, пишет, что срок службы подшипников силового моста составляет 11 лет, а вакуумный насос обслуживается каждые 5 лет. Чаще всего нужно менять смазку — раз в 3 года. В результате при расчете капитальных затрат на продолжительный срок службы динамические ИБП сильно выигрывают.
Схемы подключения ДДИБП и их особенности
Одиночная установка
Это самый простой вариант использования независимого ДДИБП. Установка может иметь два выхода – NB (no break, бесперебойное питание) без прерывания электропитания и SB (short break, гарантированное питание) с кратковременным прерыванием питания. Каждый из выходов может иметь собственный байпас (см. рис 1.).
Рис.1
К выходу NB обычно подключается критичная нагрузка (ИТ, циркуляционные насосы системы холодоснабжения, прецизионные кондиционеры), а к выходу SB – нагрузка, для которой кратковременное прерывание электропитания не критично (чиллеры системы холодоснабжения). С целью исключения полного пропадания электроснабжения критической нагрузки коммутация выхода установки и байпасной цепи осуществляется с перекрытием по времени, а токи замыкания уменьшаются до безопасных значений за счёт комплексного сопротивления части обмотки реактора.
Особо надо обратить внимание на питание от ДДИБП нелинейной нагрузки, т.е. нагрузки, которая характеризуется наличием в спектральном составе потребляемого тока заметного количества гармоник. Из-за особенностей работы синхронного генератора и схемы подключения это приводит к искажению формы напряжения на выходе установки, а также наличию гармонических составляющих потребляемого тока при питании установки от внешней сети переменного напряжения.
Ниже приведены изображения формы (см. рис.2) и гармонический анализ выходного напряжения (см. рис. 3) при питании от внешней сети. Коэффициент гармонических искажений превысил 10 % при скромной нелинейной нагрузке в виде частотного преобразователя. При этом установка не переключилась в дизельный режим, что подтверждает, что система управления не отслеживает такой важный параметр как коэффициент гармонических искажений выходного напряжения. По наблюдениям уровень гармонических искажений зависит не от мощности нагрузки, а от соотношения мощностей нелинейной и линейной нагрузки и при испытаниях на чистую активную, тепловую, нагрузку форма напряжения на выходе установки действительно близка к синусоидальной. Но эта ситуация очень далека от реальности, особенно что касается питания инженерного оборудования, имеющего в своем составе частотные преобразователи, и ИТ-нагрузки, имеющей импульсные блоки питания, не всегда оборудованные корректором коэффициента мощности (PFC).
Рис.2
Рис.3
В этой и последующих схемах обращают на себя три обстоятельства:
- Гальваническая связь между входом и выходом установки.
- Перекос фазной нагрузки с выхода попадает на вход.
- Необходимость дополнительных мер для уменьшения гармоник тока нагрузки.
- Гармонические составляющие тока нагрузки и искажения, вызванные переходными процессами, проникают с выхода на вход.
Параллельная схема
С целью умощнения системы электропитания установки ДДИБП можно включать параллельно, соединяя входные и выходные цепи отдельных установок. При этом надо понимать, что установка теряет независимость и становиться частью системы при выполнении условий синхронизма и синфазности, в физике это обозначают одним словом — когерентность. С практической точки зрения это означает, что все установки, входящие в систему должны работать в одинаковом режиме, т.е., например, вариант с частичной работой от ДД, а частичной от внешней сети не допустим. Байпасная линия в таком случае создается общей для всей системы (см. рис.4).
При такой схеме подключения существуют два потенциально опасных режима:
- Подключение второй и последующих установок к выходной шине системы с соблюдением условий когерентности.
- Отключение единичной установки от выходной шины с соблюдением условий когерентности до момента размыкания выходных выключателей.
Аварийное отключение единичной установки может привести к ситуации, когда она начнёт замедляться, а выходной коммутационный аппарат еще не разомкнулся. При этом за короткое время разница фаз между установкой и остальной системой может достигать аварийных значений, вызывая режим короткого замыкания.
Также надо обратить внимание на балансировку нагрузки между отдельными установками. В рассматриваемом здесь оборудовании балансировка осуществляется за счёт падающей нагрузочной характеристики генератора. В силу её неидеальности и неидентичности характеристик экземпляров установок между установками распределение также неравномерно. Кроме того, при приближении к максимальным значениям нагрузки на распределение начинают оказывать влияние такие, казалось бы, незначительные факторы как длина подключаемых линий, точки подключения к распределительной сети установок и нагрузки, а также качество (переходное сопротивление) самих соединений.
Надо всегда помнить, что ДДИБП и коммутационные аппараты – это электромеханические устройства с значительным моментом инерции и ощутимыми значениями времени задержки реакции на управляющие воздействия со стороны системы автоматического управления.
Параллельная схема с подключением по «среднему» напряжению
В этом случае, генератор подключается к реактору через трансформатор с соответствующим коэффициентом трансформации. Таким образом, реактор и коммутационные автоматы работают при «среднем» уровне напряжения, а генератор работает на уровне 0.4 кВ (см. рис.5).
Рис.5
При этом варианте использования надо обратить внимание на характер конечной нагрузки и схему её подключения. Т.е. если конечная нагрузка подключена через понижающие трансформаторы надо иметь в виду, что подключение трансформатора к питающей сети с высокой степенью вероятности сопровождается процессом перемагничивания сердечника, который в свою очередь вызывает бросок тока потребления и, следовательно, провал напряжения (см. рис.6).
Чувствительное оборудование в такой ситуации может работать некорректно.
По крайней мере, малоинерционное освещение моргает, а настроенные по умолчанию частотные преобразователя электродвигателей перезапускаются.
Рис.6
Схема с «расщепленной» выходной шиной
С целью оптимизации количества установок в системе электропитания производитель предлагает применять схему с «расщепленной» выходной шиной, в которой установки параллельны как по входу, так и по выходу, при чем каждая установка индивидуально подключена к более чем одной выходной шине. В этом случае количество байпасных линий должно быть равно количеству выходных шин (см. рис.7).
Надо понимать, что выходные шины не являются независимыми и гальванически связаны между собой через коммутационные аппараты каждой из установок.
Таким образом, несмотря на заверения производителя, эта схема представляет собой один источник питания с внутренним резервированием, в случае параллельной схемы, имеющий несколько гальванически связанных между собой выходов.
Рис.7
Здесь, так же, как и в предыдущем случае, надо обратить внимание не только балансировку нагрузки между установками, но между выходными шинами.
Также некоторые заказчики категорически возражают против подачи «грязного» питания, т.е. использования байпаса, к нагрузке в любых режимах работы. При подобном подходе, например, в центрах обработки данных, проблема (перегрузка) на одном из лучей приводит к системной аварии с полным отключение полезной нагрузки.
Достоинства и недостатки динамических ИБП
Систем резервирования питания много. Их основная задача — сделать так, чтобы при сбоях в подаче электроэнергии система могла поддерживать работу оборудования в течение времени, достаточного для решения приведших к сбою проблем.
Часто в центрах обработки данных, в том числе в существующих серверных Selectel, используются классические статические ИБП в связке с дизель-генераторными установками (ДГУ). Статическими такие ИБП называются потому, что в их конструкции нет движущихся элементов, кроме крутящихся вентиляторов. Традиционны для дата-центров ИБП с двойным преобразованием электроэнергии — в них есть выпрямитель и инвертор. Выпрямитель «причесывает» ток, преобразуя переменный в постоянный, а инвертор выполняет обратное действие так, чтобы из него вышел сигнал чистой синусоидальной формы.
Статические ИБП надежно резервируют питание критической нагрузки, но имеют ряд недостатков в сравнении с динамическими машинами. В последних запасание энергии и передача питания на нагрузку производится за счет использования вращающихся элементов (маховиков, мотор-генераторов и т.д.).
Режимы работы установки ДДИБП
Полагаю, было бы полезным описать различные состояния установки ДДИБП:
При наличии внешнего питания какое-то время уходит на окончательную синхронизацию с внешней сетью и при достижении достаточной степени синфазности установка подключается к ней.
ДД снижает частоту вращения и переходит в цикл охлаждения, который занимает около 10-ти минут, с последующей остановкой. Обгонная муфта расцепляется и дальнейшее вращение установки поддерживается мотор-генератором с одновременной компенсацией потерь в накопителе. Установка готова запитать нагрузку и переходит в режим ИБП.
При отсутствии внешнего электроснабжения установка готова запитать нагрузку и собственные нужды от мотор-генератора и продолжает работу в режиме ДИЗЕЛЬ.
В случае проблем с внешней сетью, установка отключается от неё, подается команда на запуск ДД и установка переходит в режим ДИЗЕЛЬ. Необходимо отметить, что запуск постоянно прогретого ДД происходит без нагрузки до момента превышения частоты вращения вала ДД остальных частей установки с замыканием обгонной муфты. Типичное время запуска и выхода рабочие обороты ДД составляет 3-5 секунд.
ПРИМЕНЕНИЕ В ЦОД
Изначально динамические ИБП создавались для питания нагрузок с высокими пусковыми токами и большим количеством гармоник. Такие ИБП уменьшают отрицательное влияние названных факторов, в частности, они обеспечивают увеличение коэффициента мощности и сокращают негативное воздействие гармонических составляющих.
Однако компенсация реактивной мощности и подавление гармоник с помощью ИБП уже не слишком актуальны, поскольку современные ЦОД располагают множеством импульсных источников питания и имеют собственные цепи коррекции коэффициента мощности. Современные статические ИБП, у которых активный выпрямитель генерирует малое количество гармоник (входной THDi 2 — включая ДГУ, но без учета наружного радиатора дизельного двигателя. Кабинеты с ИБП и батареями могут размещаться «спиной к спине». Во время техобслуживания доступ внутрь кабинета осуществляется с его передней стороны.
Для каждого блока динамических ИБП мощностью 2 МВт, включая четыре ДГУ по 500 кВт, требуется около 111 м 2 — без учета наружного радиатора дизельного двигателя. При этом такие ИБП нельзя устанавливать в ряд вплотную или «спиной к спине», поскольку необходимо оставить свободное пространство для их обслуживания.
Запуск динамического ИБП и его работа в системе электроснабжения
После подготовки системы и подачи питания на ввод иконки VI Input и VFI Input отображаются зеленым цветом. ИБП готов к запуску.
Включается байпас. Нагрузка запитывается от сети через байпасную линию.
Теперь можно запустить силовой мост. Происходит предварительная зарядка, или «раскрутка», силового моста, установка выходит на свои номинальные 4 800 оборотов в минуту. После этого он (Powerbridge) становится зеленым на схеме.
Нажатием кнопки Output замыкается выходной контактор QA006. Нагрузка переходит на питание от ИБП в режиме двойного преобразования.
При выходе за пределы установленных значений внешней электросети входной контактор QA001 размыкается. Нагрузка переходит на питание от силового моста, через инвертор. Маховик вращается за счет накопленной энергии, преобразуя кинетическую энергию вращения в электрическую, и поддерживает бесперебойное питание.
Время резервирования
Чайную ложку дегтя все же добавлю. Время резервирования энергии динамических ИБП можно считать относительно небольшим — 20 секунд при максимальной нагрузке либо больше, все зависит от мощности, которую они должны резервировать. Аккумуляторных батарей нет, заряд запасается в виде кинетической энергии в маховике силового моста. Так что в связку для таких установок необходимо подбирать дизель-генераторы, способные взять всю нагрузку в кратчайшее время. К счастью, функциональность подобного оборудования тоже не стоит на месте — есть по-настоящему шустрые ДГУ. В нашем случае подошли дизельные электростанции KOHLER-SDMO.
Уже не раз показывали внутреннюю «кухню» дата-центров. Если любите такое, советуем эти тексты:
Технические характеристики Piller CPM300
- Номинальная выходная мощность одной установки (одного ИБП Piller CPM300) – 333 кВА, что равно 300 кВт .
- Установка работает на частоте 50 Гц и регулируемом выходном диапазоне напряжения от 380В до 440В.
- Силовой мост производит от 2700 до 4750 об./мин и запасает энергию в 6 МДж.
Читайте также: