Гармоники и G5/3

Технический обзор
ИБП, дружественный к
электросети
Джонатан Бойл (Jonathan Boyle), APC (UK) Ltd.
Капитальные затраты на источники бесперебойного питания (ИБП) – это средство
обеспечения надежного электропитания критических нагрузок, удовлетворяющего
требованиям к напряжению и току. Потребитель фактически приобретает страховой
полис. Для больших трехфазных систем такие затраты оказываются весьма
значительными, поскольку они могут включать стоимость установки,
коммутационного оборудования, средств распространения и альтернативных
источников энергии (например, банков батарей и резервных дизельных
генераторов). Кроме того, тепловые потери в ИБП могут непосредственно влиять на
стоимость оборудования для кондиционирования воздуха, а их рабочий КПД,
входной коэффициент мощности и стоимость обслуживания оказывают воздействие
на текущие затраты. Тем не менее эти затраты могут на порядок возрасти при сбое
системы бесперебойного питания, вызванном невниманием к последствиям
гармонического загрязнения. В этом документе мы рассмотрим некоторые
требующие внимания источники риска и покажем, как ИБП с дельтапреобразованием может решить ваши проблемы.
Большинство пользователей ИБП озабочено прежде всего защитой своих
критических нагрузок от таких нарушений в работе электросети, как падения
напряжения, отключения и импульсные перенапряжения (см. определения в
EN50160). Без внимания часто остаются последствия подключения системы
бесперебойного питания к сети. Фактически ИБП выступает в качестве буфера
между источником питания и критической нагрузкой. В этом случае сеть
взаимодействует с другим импедансом, так что ИБП изменяет влияние входного
коэффициента мощности и гармонического содержания нагрузки на сеть и в то же
время не дает имеющимся в сети нарушениям оказать негативное влияние на
нагрузку. Нередко пренебрегают той особенностью ИБП, что он выступает в
качестве двунаправленного фильтра. Вместе с тем одновременно с защитой
гармоник нагрузки от сети входной контур традиционных статических ИБП (т.е.
управляемый выпрямитель) также может вносить в сеть значительное
гармоническое загрязнение. Если не уделять этому должного внимания, такое
загрязнение вполне может привести к падению надежности, рабочего ресурса и
общего качества вашей системы. Более того, если будет доказано, что вы создаете
загрязнение или помехи для другого потребителя, подключенного к тому же
источнику, это может стать основанием для юридического преследования.
Гармоники и G5/3
Источником искажений является внешний интерфейс традиционных статических
онлайновых систем с двойным преобразованием, т.е. трехфазные шестипульсные
выпрямители, состоящие из тиристоров с управляемой фазой. Такие системы
потребляют от сети значительный гармонический ток, и в результате коэффициент
общих гармонических искажений тока (THID) обычно достигает 30%. Электрические
компании обязаны предоставлять волну напряжения, для которой коэффициент
общих гармонических искажений напряжения (THVD) в точке общего соединения с
7NS0004GB вып. 03
1
Технический обзор
другими пользователями (point of common coupling – PCC) составляет ≤5% и
соответствует пределам, установленным G5/3 и приведенным ниже в Табл. 1. Этот
документ также определяет допустимый гармонический ток в PCC при
использовании источников с мощностью короткого замыкания 10 МВА и 100 МВА для
напряжения 415 В и 6,6/11 кВ соответственно. Ограничения гармонического
напряжения распространяются до 19-го члена, а в следующем издании G5 (G5/4) эти
требования, скорее всего, будут ужесточены до 50-го члена.
При использовании выпрямителей на тиристорах с управляемой фазой источником
искажений напряжения являются (a) коммутационные искажения в схеме
выпрямителя (вызванные перекрыванием областей проводимости двух тиристоров)
и (b) взаимодействие гармонических токов и импеданса источника. В некоторых
случаях ИБП в действительности представляет для электросети худшую нагрузку,
чем питающееся от него критическое оборудование!
По мере увеличения видимой мощности системы (кВА) соблюдение заданных G5/3
ограничений THVD при 415 В становится все более трудным. В результате
потребители часто устанавливают на своей территории распределительные
трансформаторы (например, на 1 или 1,5 МВА) и подключаются к PCC на
напряжении 6,6 или 11 кВ (вместо 415 В), чтобы соблюсти указанные в Табл. 2
ограничения на установленную мощность.
Табл. 1
Напряжение
Общие
Индивидуальные
Индивидуальные
питания в гармонические иска- гармонические искажения гармонические искаPCC
жения напряжения напряжения для нечетных жения напряжения для
THVD (%)
гармоник (%)
четных гармоник (%)
415 В
5
4
2
6,6/11 кВ
4
3
1,75
Табл. 2
Напряжение
питания в
PCC
Тип выпрямителя
Допустимая трехфазная мощность (кВА) и
соответствующее число импульсов для
трехфазных установок
6-пульсный
12-пульсный
415 В
Управляемый (тиристор)
100
150
6,6/11 кВ
Управляемый (тиристор)
800
1500
Рис.1. 6-пульсный выпрямитель + фильтр.
3 phase input – 3-фазный вход
5th harmonic filter – Фильтр 5-ой гармоники
Phase controlled rectifier – Выпрямитель с управляемой фазой
Грубое правило гласит, что одиночный модуль ИБП с 6-пульсным выпрямителем без
фильтрации при подключении к PCC с напряжением 415 В может использоваться
7NS0004GB вып. 03
2
Технический обзор
только на мощности до 100 кВА. К сожалению, электросеть обычно обладает
‘скрытым’ коэффициентом общих гармонических искажений напряжения около 1,5%,
поэтому потребитель иногда вынужден проводить измерения на месте, чтобы
обеспечить соблюдение требований.
6-пульсный выпрямитель, создающий высокий уровень пятой гармоники, находит
наиболее широкое применение среди всех трехфазных выпрямительных систем. Как
показано на рис. 1, ИБП включает последовательное реактивное сопротивление
(для подавления искажений схемы и буферизации импеданса), шунтирующий
фильтр (ловушка пятой гармоники) и LC-контур для подавления высокочастотных
колебаний напряжения на батареях. Применение многомодульных вариантов
конструкции, содержащих входные трансформаторы с фазовым сдвигом, позволяет
значительно сократить гармонические искажения. При использовании такой схемы
два параллельно соединенных модуля могут обеспечить мощность до 400 кВА при
напряжении питания 415 В, однако отключение одного из модулей устраняет
гармоническую компенсацию другого модуля, тем самым ограничивая максимальную
мощность величиной около 130 кВА!
Пассивное подавление гармоник (и в меньшей степени улучшение коэффициента
мощности) для очень больших ИБП привело к созданию развитых 12-пульсных
систем с соединенными между собой трансформаторами Y||D-Y. Вариант этой
схемы представлен на рис. 2. Такие системы требуют фильтров-ловушек 11-ой
гармоники, последовательного реактивного сопротивления для подавления
искажений схемы и буферизации, а также блока межфазной коррекции,
обеспечивающего обмен токов на стороне постоянного тока. Эти схемы не только
значительно увеличивают общую стоимость ИБП, но и снижают КПД
преобразования “переменный ток – переменный ток”. Кроме того, они могут
возбуждать электрический резонанс, приводя к нарушению работы гармонических
фильтров и конденсаторов коррекции коэффициента мощности вследствие
превышения допустимого напряжения или тока (в зависимости от того, возникает ли
резонанс в последовательном или параллельном соединении). В действительности
такие системы можно применять только до уровня около 400 кВА, а выше него для
соблюдения установленных G5/3 пределов гармонического загрязнения требуется
применять распределительные трансформаторы.
Последствия гармонического искажения
Искажения формы волны напряжения в PCC влияют на другие нагрузки, поскольку
доминантная пятая гармоника в то же время является гармоникой отрицательной
последовательности, которая создает дополнительный ‘обратный вращательный
момент’ при питании индукционных моторов в сервисных системах зданий. Из-за
этого насосы систем охлаждения и компрессоров потребляют больше энергии для
выполнения той же самой работы.
Гармоники тока вызывают снижение коэффициента мощности и дополнительное
нагревание кабелей (особенно нулевого), коммутационного оборудования,
предохранителей, распределительных трансформаторов и резервных генераторов
(потери в медных проводниках увеличиваются из-за ‘эффекта близости’ и
поверхностных токов и являются функцией частоты, как и потери от вихревых токов
и ядра гистерезиса). Более высокая рабочая температура снижает надежность и
рабочий ресурс системы, а также заставляет понижать видимую мощность
трансформаторов/генераторов (кВА) по сравнению с паспортной.
7NS0004GB вып. 03
3
Технический обзор
Ухудшение коэффициента мощности вызывает увеличение среднеквадратичного
тока для данной нагрузки, что может приводить к преждевременному срабатыванию
ограничительных автоматов и сбоям предохранителей – в дополнение к более
высоким счетам за электроэнергию в случаях, когда оплата определяется не только
потреблением электроэнергии в кВт-ч, но и пиковыми требованиями к мощности
(кВА) за месяц. Плохой коэффициент мощности может ограничивать выделение
видимой мощности (кВА) от распределительных трансформаторов и резервных
генераторов, так что возможности электрической инфраструктуры будут
использоваться не полностью.
С точки зрения электросети идеальный мир содержал бы только линейные нагрузки
с единичным коэффициентом мощности. Из предыдущих абзацев ясно, что основная
проблема связана просто с подключением выпрямителя к сетевому питанию!
Рис. 2. 12-пульсный выпрямитель + фильтр.
3 phase input – 3-фазный вход
11th harmonic filter – Фильтр 11-ой гармоники
Interphase reactor – Блок межфазной коррекции
Определение параметров дизельных генераторов
Системы бесперебойного питания обычно требуют использования резервных
дизельных генераторов, поскольку затраты на установку резервных батарей более
чем на 15 минут работы становятся экономически невыгодными при уровне
мощности 500 кВт и выше. Мгновенное реактивное сопротивление генераторов
переменного тока (обычно 16%) значительно превосходит реактивное
сопротивление распределительных трансформаторов близкой мощности (обычно
4%), поэтому коэффициент общих гармонических искажений напряжения в PCC
будет значительно превосходить 5%. Часто единственная альтернатива состоит в
том, чтобы увеличить мощность генератора по крайней мере в два раза по
сравнению с ИБП и допустить искажение 10% на клеммах подключения. Это
жизнеспособное решение, поскольку требования G5/3 распространяются только на
соединения с электросетью.
При недостаточной мощности генератор может испытывать серьезные проблемы в
момент приложения нагрузки, особенно с учетом коммутационных искажений в
схеме ИБП. Их амплитуда возрастать из-за более высокого реактивного
сопротивления источника, что ведет к сбоям конденсаторов в фильтрах и
неправильной работе системы автоматической регулировки напряжения, а также к
возможному ускорению хода таймеров и часов персональных компьютеров в случае,
если напряжение несколько раз проходит через нуль на протяжении
фундаментального периода.
При небольшой нагрузке 12-пульсные выпрямители с гармоническим фильтром
могут характеризоваться ведущим коэффициентом мощности, что иногда приводит к
неустойчивости работы блоков генераторов. Когда генератор ‘сопрягается’ с ИБП
после отключения электросети, он столкнется с ведущим коэффициентом мощности
(расстроенный гармонический фильтр обладает очень высокой емкостью при 50 Гц)
даже при полностью загруженном ИБП, поскольку выпрямитель должен осуществить
7NS0004GB вып. 03
4
Технический обзор
‘мягкий запуск’, прежде чем перейти на полное питание от генератора.
Потребителям следует проверять это перед заключением контрактов, поскольку
ремонт на месте может приводить к дорогостоящим задержкам запуска.
Эксплуатационные проблемы часто возникают в момент соединения генератора с
контактными клеммами после отключения электропитания. В традиционных ИБП с
двойным преобразованием входной трансформатор размагничен и может вызвать
большой входной всплеск тока. Само по себе это не должно приводить к остановке
генератора, однако если к той же контактной шине подключены моторы систем
охлаждения без мягкого запуска, то одновременный стартовый всплеск
индукционных моторов и трансформаторов ИБП вполне может превысить
возможности генератора. В таких случаях разумно установить последовательность
запуска насосов охлаждения во времени с помощью средств системы управления
зданием (BMS – Building Management System). В противном случае может
потребоваться завышение мощности генератора просто ради того, чтобы
обеспечить питанием такие кратковременные нагрузки.
Характеристики резервных дизельных генераторов зависят от требований к времени
резервной работы, которые определяют емкость топливных баков (обычно не менее
восьми часов). В то же время на протяжении большей части своей жизни они
представляют собой ржавеющие без использования дорогостоящие основные
средства. Гораздо лучше будет найти им хорошее применение, вложив средства в
схемы совместной генерации. Небольшие первоначальные дополнительные
расходы позволят вам фактически окупить капитальные затраты в течение 3-4 лет.
После приватизации коммунальных служб такие решения находят активную
поддержку. Схемы отсечения пиков позволяют экспортировать электроэнергию
обратно в электросеть, например, на протяжении одного пикового часа в течение
рабочего дня. Система управления зданием может инициировать отсечение пиков,
учитывая прогнозируемые цены в пуле электроэнергии по данным предыдущего дня.
Когда генераторы защищают всю инфраструктуру потребителей с общей мощностью
установленного оборудования в несколько МВА, такая форма управления ресурсами
может принести реальную пользу менеджерам зданий.
Активные решения проблемы гармоник
По всей вероятности, законодатели будут вводить дополнительные требования,
стремясь заставить потребителей вести себя более корректно. Они уже сделали это,
приняв стандарт EN61000-3-2 (ранее EN60555-2), а в будущем эти правила будут
применятся и для более высоких уровней мощности (в настоящее время они
действуют только до уровня 16 А на фазу при трехфазном питании). 1 января 2001 г.
стандарт EN61000-3-2 станет обязательным. В то же время в стандарт G5/3 будут
внесены поправки (G5/4), учитывающие искажения напряжения и межпиковые
гармоники вплоть до пятидесятого члена разложения.
Учитывая это, значительные силы для решения проблемы загрязнения электросети
были перенесены из пассивной в активную область, т.е. на применение
высокочастотной силовой электроники вместо низкочастотных фильтров,
трансформаторов со сдвигом фазы и выпрямителей. Тем не менее даже при
использовании активных фильтров необходимо коммутировать и управлять
большими потоками непотребляемой (Wattless) энергии, что делает активное
решение весьма дорогостоящим. Такие схемы представлены на рис. 3. Здесь
шунтирующий компенсатор реактивной видимой мощности (kVAr) подключается ко
входу ИБП и создает противофазные гармонические токи, коммутируя и сохраняя
7NS0004GB вып. 03
5
Технический обзор
непотребляемую энергию с помощью трехфазного транзисторного моста. Следует
иметь в виду, что компенсация характерной для управляемого выпрямителя без
фильтра величины коэффициента мощности 0,8 (обычное значение коэффициента
общих гармонических искажений тока THID около 30%) до величины THID 5% и
коэффициента мощности около единицы потребует переключения более 50%
мощности искажений, и эта величина растет с ростом входного напряжения. На
рисунке представлен также последовательный вариант устройства. Фактически он
представляет собой активный трехфазный мост с коррекцией коэффициента
мощности, который должен коммутировать полную реальную мощность устройства.
В обеих системах необходимо подавлять высокочастотные релаксационные токи
(что осуществляется проще и дешевле, чем фильтрация гармоник сети). Тем не
менее преимущества, связанные с сокращением расходов на магнитные элементы,
сводятся на нет использованием дорогостоящих трехфазных транзисторных мостов,
поскольку затраты на единицу обрабатываемой мощности для транзисторов выше,
чем для тиристоров.
Решение с шунтированием представляет собой дорогостоящий дополнительный
блок, а последовательное решение позволяет устранить гармоники в источнике при
преобразовании переменного тока в постоянный.
Рис. 3. Выпрямитель с активными фильтрами
3 phase input – 3-фазный вход
Системы бесперебойного питания: эффективность установки
Традиционные системы с двойным преобразованием применяются уже в течение
тридцати лет. Этот метод не запатентован, поэтому фактически он
совершенствуется путем включения новых технологий. Дополнительного
сокращения затрат здесь можно добиться только за счет более эффективного
производства и закупок, а также за счет обработки энергии на более высоких
частотах.
Системы с двойным преобразованием требуют использования входного
трансформатора/управляемого выпрямителя, который обеспечивает регулируемый
стык постоянного тока, необходимый для работы инвертора и зарядки батарей. Он
представлен на рис. 4.
Устройства более высокой мощности должны включать фильтр для очистки
гармонического загрязнения, вносимого выпрямителем в сеть. Направление
нормального потока энергии в онлайновом режиме указано на рисунке стрелками.
Как правило, при хорошей конструкции ИБП входной контур “переменный ток –
постоянный ток” имеет КПД 0,97, а инвертор выполняет преобразование
“постоянный ток – переменный ток” с КПД 0,96, что соответствует общему рабочему
КПД “переменный ток – переменный ток” около 0,93. Это абсолютное ограничение!
Дополнительные затраты денег на улучшение эффективности устройства просто
будут обеспечивать все меньшую и меньшую отдачу. Методы мягкой резонансной
коммутации для ИБП не помогают в решении проблемы, поскольку технология IGBT
больше подходит для жесткой коммутации (PWM). В настоящее время недоступны
устройства, которые были бы рассчитаны на очень высокий уровень энергии и могли
обеспечить эффективную и экономически выгодную поддержку мягкой коммутации.
7NS0004GB вып. 03
6
Технический обзор
Фундаментальное ограничение концепции двойного преобразования состоит в том,
что она вынуждена обрабатывать одну и ту же энергию дважды!
В качестве примера предположим, что система непрерывно обрабатывает мощность
1 МВт при стоимости энергии 0,04 фунта/ед. Если КПД преобразования “переменный
ток – переменный ток” удастся поднять с 0,93 до 0,96, это даст экономию в размере:
1 МВт x (1/0,93 – 1/0,96) = 33,6 кВт, т.е. 0,04x24x365x33,6 = 11773 фунта в год или
более 100 тысяч фунтов за 10 лет. Кроме того, снижение тепловых потерь за счет
более высокой эффективности ИБП может сократить затраты на кондиционирование
воздуха. Таким образом, при сегодняшних ценах экономия энергии превысит
капитальные затраты на статический ИБП мощностью 1 МВА!
В больших установках по всей системе обычно применяется параллельная
избыточность N+1, позволяющая устранить единые точки сбоя. В этом случае сбой
генератора, панели коммутации входов переменного тока и/или контактной шины,
ИБП, уровня батарей или устройства кондиционирования воздуха не сможет
нарушить работу всей системы. Использование параллельных избыточных ИБП
означает, что обрабатываемая каждым ИБП мощность значительно меньше
максимальных значений. Потребителям следует проанализировать данные об
эффективности и реальной выходной мощности, чтобы рассчитать тепловые потери
и стоимость эксплуатации. Это особенно важно при питании компьютерных нагрузок,
которые могут содержать значительные токи искажения (хотя современная
тенденция состоит во все более широком применении компьютерных систем с
коррекцией коэффициента мощности, соответствующих требованиям EN61000-3-2).
Приведенные выше значения эффективности относятся к корректно работающим
линейным нагрузкам. Если ИБП питает нагрузку с богатым набором гармоник, то
обработка большой мощности искажений (kVAr) неизбежно вызовет определенное
снижение эффективности. Это существенно, когда батареи расположены в одной
комнате с модулями ИБП, поскольку тогда требования к кондиционированию воздуха
окажутся гораздо более высокими. Для увеличения ресурса батарей их необходимо
эксплуатировать в хорошо проветриваемом помещении при температуре 20°C.
В настоящее время углубляется тенденция к использованию статических ИБП для
крупных установок. Традиционно в этой области господствовали ИБП ротационного
типа, представленные на рис. 5. Схема ротационного линейно-интерактивного или
параллельного онлайнового ИБП изображена на рис. 5 (i), а рис. 5 (ii) представляет
ротационный последовательный онлайновый ИБП. Направление нормального
потока энергии в онлайновом режиме указано стрелками. В обоих случаях для
ясности опущены статические шунты.
Обе системы весьма надежны в том смысле, что ротационные генераторы
обеспечивают большую мощность при перегрузках и высокий КПД (их
эффективность выше, чем у статических ИБП на принципе двойного
преобразования), в состоянии питать нагрузки с высокими искажениями и
асимметричные (нейтральные к линии) нагрузки, а также обладают большим
ресурсом работы.
Линейно-интерактивная система страдает от низкого коэффициента мощности при
небольших нагрузках (из-за входной дроссельной катушки), так что система
потребляет большую реактивную мощность (kVAr), которую можно компенсировать с
помощью конденсаторов коррекции коэффициента мощности, чтобы избежать
завышения мощности входных кабелей и коммутационного оборудования.
Последовательная онлайновая ротационная конструкция требует применения
синхронного мотора и генератора. Это означает, что для борьбы с отклонениями
7NS0004GB вып. 03
7
Технический обзор
частоты необходимо прибегать к твердотельному инвертору с входным
выпрямителем. Такая система фактически является гибридной, поскольку она
использует в качестве альтернативного источника энергии резервные батареи, но в
то же время включает глубокую обработку средствами силовой электроники.
Ротационный линейно-интерактивный ИБП требует в качестве альтернативного
источника энергии запаса топлива для поддержания работы дизельного двигателя в
случае сбоя сети.
Ротационные системы обоих типов обладают большими физическими размерами и
массой, что снижает отношение мощности к весу и плотность мощности для них
(хотя линейно-интерактивные ротационные ИБП не включают блок батарей). Они
дороги по сравнению со статическими системами как из-за больших капитальных
вложений, так и из-за более высоких расходов на обслуживание. Скорее всего, такая
тенденция сохранится, поскольку стоимость кремниевых устройств падает, а цена
меди и железа – нет. Наконец, теперь неприменима старая поговорка о том, что
вращающаяся масса почему-то более надежна, чем сложный электронный блок.
Сегодня силовая электроника – это зрелая дисциплина. Разработчики умеют
управлять значительно усовершенствованными силовыми транзисторами IGBT и
защищать их, а управление в большинстве случаев осуществляется цифровыми
средствами, с помощью улучшенного программного обеспечения и
микроконтроллеров. Кроме того, законодательство Европейского союза невольно
‘закалило’ электронные системы в отношении внешних и внутренних помех.
Рис. 4.
Filter – Фильтр
Transformer/Rectifier – Трансформатор/выпрямитель
Bypass – Шунт
Battery – Батарея
Inverter – Инвертор
Рис. 5.
Fuel – Топливо
Diesel Engine – Дизельный двигатель
Choke – Дроссель
Clutch – Сцепление
AC Switch – Коммутатор переменного тока
Rectifier – Выпрямитель
Motor – Мотор
Inverter – Инвертор
Battery – Батарея
7NS0004GB вып. 03
8
Технический обзор
ИБП с дельта-преобразованием
Учитывая ограничения процесса двойного преобразования, APC разработала и
запатентовала онлайновый ИБП с дельта-преобразованием (delta conversion UPS),
который одним ударом устраняет эксплуатационные ограничения своего
предшественника в следующих областях:
1. С точки зрения электросети он обладает единичным коэффициентом мощности
(нагрузка >25%) и, следовательно, потребляет синусоидальный входной ток
независимо от искажений тока нагрузки.
2. Допускает параллельное соединение до уровня мощности в несколько МВА; на
него не распространяются ограничения G5/3.
3. Обладает высочайшей рабочей эффективностью “переменный ток – переменный
ток” (>0,96 при нагрузке 50-100%) среди всех онлайновых систем бесперебойного
питания.
4. Характеризуется реальной мощностью, а не видимой мощностью, которую
указывают конкурирующие компании. Благодаря этому потребитель получает на
25% больше реальной мощности, что особенно полезно при питании новых
компьютерных систем с коррекцией коэффициента мощности.
5. Надежен в том смысле, что может обеспечить питание с перегрузкой 200% по
сравнению с нормальным режимом в течение 60 секунд.
6. Обладает самым высоким в отрасли отношением мощности к весу и плотностью
мощности. Одиночный модуль 480 кВА/кВт (см. фотографию) имеет размеры 1,9 x
1,8 x 0,8 м (ширина x высота x глубина) и весит всего 1800 кг. Это составляет 267
Вт/кг и 175 кВт/м3 соответственно.
Благодаря таким особенностям ИБП не загрязняет сеть и отличается самой низкой
стоимостью эксплуатации в отрасли. Он чрезвычайно удачен с точки зрения систем
кондиционирования воздуха, поскольку выделяет меньше тепла, чем все остальные
онлайновые системы бесперебойного питания. Кроме того, он мягко и корректно
взаимодействует с блоками генераторов, для которых достаточна мощность всего в
1,25 раза больше мощности ИБП. Помимо этого, его конструкция не содержит ПВХ и
использует компоненты, допускающие повторную переработку. Дружественные к
электросети и окружающей среде источники бесперебойного питания APC серии ‘E’
представлены на рис. 6. Дельта-ИБП обрабатывает только разность (‘дельта’) между
нерегулируемым входным напряжением VIN и регулируемым выходным
напряжением VOUT, используя силовой контур обратной связи.
Если VIN < VOUT, мощность отбирается на выходе и пропускается по контуру,
состоящему из выходного инвертора, дельта-инвертора и последовательного
токового трансформатора, чтобы обеспечить соответствие фазы дельта-напряжения
VD и входного напряжения. Таким образом, VIN + VD = VOUT.
Если VIN >VOUT, то энергия течет по контуру в обратном направлении, так что VD
противодействует входному напряжению. Поскольку оба инвертора являются
двунаправленными, то каждый из них одновременно выполняет функцию зарядки
батарей.
Выходной инвертор может передавать нагрузке гармоническую и/или реактивную
энергию, однако из источника потребляется только активная энергия. При сбое сети
работоспособность критических нагрузок поддерживается батареей и выходным
инвертором.
7NS0004GB вып. 03
9
Технический обзор
Схема дельта-преобразования не содержит выпрямителя между источником и
нагрузкой, тем самым устраняя все проблемы, присущие выпрямителям и фильтрам.
Никакого гармонического загрязнения, никаких резонансов, никаких ловушек для
гармонической утечки, никаких коммутационных искажений, никакого беспокойства о
соблюдении G5/3 и никаких проблем при установке. Кроме того, здесь нет входного
трансформатора, который нужно заряжать при подключении ИБП к сети или
резервному генератору, что устраняет большие входные всплески тока. Данные для
сравнения с входным контуром систем двойного преобразования и с ротационными
системами бесперебойного питания представлены в табл. 3. Учитывая ужесточение
законодательства, неудивительно, что ‘традиционалисты’ испытывают глубокое
беспокойство!
Принцип дельта-преобразования по самой своей природе предполагает, что
выходная частота должна совпадать с частотой источника.
Законодательство Великобритании требует от электрических компаний регулировки
частоты с точностью ±1%. Все онлайновые системы бесперебойного питания
отслеживают входную частоту источника и фиксируют фазу при нормальных
флуктуациях в электросети. Основное различие между последовательными ИБП и
дельта-системами состоит в том, что в аномальных условиях при выходе частоты за
допустимые пределы первые продолжают получать энергию из основного источника,
а последние должны перейти на питание от батарей. Традиционалисты и компанииконкуренты считают это ограничением принципа дельта-преобразования. Такая
критика совершенно необоснованна по следующим причинам:
1. Отклонения частоты возникают главным образом в случаях, когда источником
питания является дизельный генератор. Такие генераторы испытывают ‘дрожание’,
когда сталкиваются с большими скачками нагрузки – например, с входным
всплеском насосов охлаждения в крупных некритических нагрузках, подключенных к
той же PCC. Во время таких переходных периодов дельта-система переходит на
питание от батарей, пока система управления скоростью генератора не восстановит
ее. Это продолжается всего несколько секунд и никак не отражается на времени
работы батарей.
2. Современные дизельные генераторы обладают более точными электронными
системами управления скоростью. Даже для более старых блоков дельта-система
предъявляет меньшие требования при заданном скачке нагрузки, поскольку она
потребляет чистый синусоидальный ток, а не искаженный ток системы с двойным
преобразованием.
3. Пункты 1 и 2 относятся к внезапным изменениям требований нагрузки. В
громадном большинстве случаев нагрузка фиксирована, а ИБП переносит ее при
подключении к генератору после сбоя входного питания. В такой ситуации передача
происходит путем ‘мягкого запуска’ на протяжении нескольких секунд. Дельтаинвертор постепенно пропускает все больше тока от генератора и в фазе с ним, тем
самым снижая нагрузку на батареи до тех пор, пока вся энергия не будет поступать
от генератора. Это вызывает постепенный, зависящий от нагрузки сдвиг частоты,
который лежит в допустимых для сети пределах. Такая же процедура стыковки
выполняется при обратном переходе на питание от электросети.
4. Многолетний опыт применения систем мощностью от 10 кВА до нескольких МВА
показал, что они не оказывают вредного влияния на чувствительные к частоте
нагрузки (например, дисководы или насосы охлаждения).
ИБП с дельта-преобразованием постепенно занимают все более значительное
место на рынке, а потребители пользуются преимуществами дружественности к
7NS0004GB вып. 03
10
Технический обзор
электросети, отсутствия гармоник, экономии электроэнергии и сокращения затрат. В
сущности, это “чистая и зеленая” система, а именно это и необходимо в
современных условиях!
Ноябрь 1999 г.
Рис. 6
AC Switch & Current Tx – Коммутатор переменного тока и токовый трансформатор
Delta Inverter – Дельта-инвертор
Output Inverter – Выходной инвертор
Battery – Батарея
Табл. 3
Система/параметр
THID
Входной
коэффициент
мощности
6-пульсный
30
0,8
6-пульсный с фильтром 5-ой гармоники
10
0,9
12-пульсный
10
0,8
12-пульсный с фильтром 11-ой гармоники
5
0,9
Параллельный онлайновый ротационный
2
0,9
Ротационный с синхронным мотором-генератором
2
0,95
Дельта-преобразование
2*
1,0
*электросеть обладает “скрытой” величиной коэффициента общих
гармонических искажений напряжения (THVD) около 1,5%, поэтому единичный
коэффициент мощности по определению не может улучшить величину
коэффициента искажения тока (THID) дальше этого уровня. Приведенные выше
значения относятся к номинальному входному напряжению и максимальной
нагрузке.
Серия Silcon DP300E
Корпоративная штаб-квартира APC
132 Fairgrounds Road
West Kingston, RI 02892
USA
Тел.: (401) 789-0204
Факс: (401) 789-3710
Всемирная служба
Тел.: (+1) (401) 789-0204
Интернет: [email protected]
7NS0004GB вып. 03
11
Технический обзор
PowerFax: (800) 347-FAXX
Веб-узел APC: www.apcc.com
APC Europe
Ballybrit Industrial Estate
Galway
Ireland
Тел.: (+353) 91 702020
Факс: (+353) 91 755275
APC Asia / Pacific
Level 27 Northpoint
100 Miller Street
North Sydney, NSW 2060
Australia
Тел.: (+612) 9955-9366
Факс: (+612) 9955 2844
7NS0004GB вып. 03
12