№ 3 (58) 2011

Владимир СКЛЯР

Потребители электроэнергии в различных сферах народного хозяйства нередко испытывают чувство неудовлетворенности от традиционных способов решения задач, связанных с обеспечением гарантированного электропитания различной критичной нагрузки.

Использование традиционных ИБП с большим объемом аккумуляторных батарей и необходимостью резервирования питания дизель-генераторами (ДГУ) создает сопутствующие проблемы, которые не особенно радуют владельцев таких систем. Вспомним головную боль потребителей по поводу обеспечения гарантированного питания двигателей или холодильных установок. Есть проблемы и с компенсацией реактивной мощности. А если учесть пространство, занимаемое традиционными системами гарантированного электроснабжения (СГЭ) в целом, а также необходимость поддержки климата в помещениях с аккумуляторными батареями и их замены по истечении не столь уж и большого срока эксплуатации, то становятся понятными причины поиска альтернативных решений.

В настоящей статье будут рассмотрены динамические (они же — дизель-роторные) ИБП (ДР ИБП), предлагаемые на мировом рынке различными производителями. Но детально затронем решения лишь трех — Euro-Diesel, Hitec Power Protection и Piller, продукцию которых продвигают в Украине компании «Мадек», «ФЛЕКС-Интеграция» и Extrime LTD.

Вкратце коснемся и отдельного класса устройств, таких как роторные ИБП (Active Power, Caterpillar, Socomec, др.). Но эти решения будут рассмотрены скорее в контексте исторической ретроспективы — как предшественники ДР ИБП. Ведь это отдельная группа систем с небольшим временем резервирования, область применения которых ограничена особыми условиями эксплуатации.

От аккумулятора к ротору?

Известно, что аккумуляторные батареи (АКБ), используемые в качестве накопителей энергии для обеспечения работы ИБП, требуют определенных температурных условий, а также имеют ограничения по количеству циклов заряда-разряда. Да и срок их жизнедеятельности в большинстве случаев на практике составляет от 3 до 5 лет (хотя есть АКБ и с большим жизненным циклом).

Аккумуляторы занимают много места, они достаточно тяжелые, а их замена и утилизация представляют определенную проблему. Кроме того, результат последовательно-параллельного соединения множества АКБ в единую систему чреват резким снижением времени резервирования в случае, если хотя бы одна из батарей выйдет из строя. А это значит, что необходимо внедрять системы мониторинга.

Альтернативой аккумуляторным батареям может стать кинетический (роторный) накопитель энергии (рис. 1). В основе такого решения — маховик, накапливающий кинетическую энергию за счет вращения. В момент пропадания входного напряжения он начинает ее отдавать нагрузке. Раскрутка и поддержание вращения маховика осуществятся за счет электрической сети.

Роторные накопители энергии выпускают ряд мировых производителей, среди которых Active Power, Caterpiller, Socomec, Piller. Их можно подключать к ИБП вместо традиционных аккумуляторных батарей. А можно и параллельно — в дополнение к АКБ, поскольку такие накопители производятся с полным набором необходимых преобразователей. В результате замены мы получаем традиционный ИБП с двойным преобразованием энергии, но с «гибридным» или чисто роторным аккумулятором резервной электрической энергии (рис. 2).

Кинетические накопители энергии нашли применении также и в чисто роторных ИБП, где отсутствуют элементы из сферы традиционных статических источников, такие как выпрямитель, инвертор, аккумуляторные батареи и пр. (рис. 3).

Некоторые роторные ИБП (в частности, решения компании Piller) кроме кинетического накопителя содержат также синхронную машину (мотор-генератор), включенную между кинетическим накопителем и нагрузкой (рис. 4, 5). Как будет показано ниже, эквивалентная схема замещения мотор-генератора содержит индуктивность (обмотка статора) и в этом плане сходна с предыдущей схемой (рис. 3).

Появление мотор-генератора в роторных ИБП позволяет говорить, что именно эта система эволюционно наиболее приближена к современным решениям построения динамических источников питания.

Конечно, появление на рынке дизель-роторных ИБП связано в первую очередь с решением отказаться от использования традиционных статических систем.

К решению поставленной задачи изобретатели подошли с двух разных сторон. Различия в подходах состоят в том, что в одном случае (например, в решениях компании Piller) динамический накопитель энергии связан с синхронным мотор-генератором только электрическим способом; механически же это совершенно независимые устройства. При этом дизельная установка через муфту сцепления подключается к синхронному мотор-генератору.

Другой путь, используемый компаниями Hitec Power Protection, Euro-Diesel, Hitzinger объединяет в единой конструкции все три составные части (дизельная установка, мотор-генератор и роторный накопитель), которые связаны друг с другом в единой конструкции механическим способом. При этом ротор синхронной машины и ось роторного накопителя жестко соединены соосно друг с другом. Дизельная установка посредством муфты сцепления подключается либо к роторному накопителю энергии (решения Hitec, Euro-Diesel) либо со стороны мотор-генератора (оборудование Hitzinger). Но каждый производитель применяет в своих решениях какую-то собственную оригинальную конструкцию муфты сцепления.

Когда все на одной оси

В основе «интегральной» группы динамических решений лежит идея соосного соединения трех электромеханических установок — дизельной машины, накопителя кинетической энергии (маховика) и синхронного генератора (рис. 6, 7).

При этом мы не увидим здесь ни выпрямителя, ни инвертора, ни аккумуляторных батарей, свойственных традиционным статическим ИБП с двойным преобразованием энергии.

И, тем не менее, это полноценный ИБП, схема включения которого содержит необходимые коммутационные элементы, байпас, катушки индуктивности (рис. 8).

 Последние можно было бы назвать просто дросселями, если бы не их внушительные размеры. Компания Piller называет их «магическими дросселями». Они фильтруют входное напряжение, поступающее на нагрузку. Но не только это.

Как видно из рис. 8, при наличии напряжения в сети нагрузка питается напрямую через дроссель. Но при этом в систему параллельно включена еще и синхронная машина, которая одновременно выполняет две функции. Будучи мотором, она поддерживает вращение кинетического накопителя энергии, который расположен с ней на одной оси. Но поскольку это одновременно и генератор, то он вырабатывает напряжение, поступающее в нагрузку параллельно с сетевым.

При этом, как видно из эквивалентной схемы включения синхронного генератора (рис. 9), нагрузка Z подключена одновременно к двум источникам напряжения: Eф и Ег. Очевидно, что при искажениях входного напряжения синхронная машина будет продолжать формировать ЭДС идеальной синусоидальной формы, компенсируя тем самым искажения входного напряжения. Это чем-то напоминает принцип работы схемы дельта-преобразования. Собственно говоря, наличие двух индуктивностей на рис. 9 позволяет говорить о реализации схемы сумматора токов.

Отметим, что включение синхронной машины (мотор-генератора) параллельно нагрузке известно достаточно давно. Именно таким образом выполняется компенсация или внесение дополнительной реактивной мощности (смотря что нужно в каждом конкретном случае). Путем управления током возбуждения, подаваемого на обмотку ротора синхронной машины, можно заставлять ее работать либо в режиме двигателя, либо генератора, создавая эквивалент емкостной или индуктивной нагрузки.

При пропадании напряжения в электросети оно исчезает и на обмотке статора синхронной машины. Но маховик накопителя за счет инерции продолжает вращать ротор мотор-генератора, который начинает работать в режиме генератора. При этом так называемый момент «перехода в режим генератора» — чисто условен, так как осуществляется он без каких-либо внутренних коммутаций — на основе принципа дуальности синхронной машины. Магнитное поле ротора мотор-генератора, продолжающего вращаться за счет накопившейся кинетической энергии в маховике, индуцирует ЭДС в обмотках статора. При этом автоматически отключается входная цепь электросети (Q1) и запускается дизельная установка.

Через некоторое время, когда дизель выходит в рабочий режим, через муфту сцепления происходит подключение вала дизеля к ротору накопителя/мотор-генератора. Упавшие обороты быстро приводятся к норме, и синхронный генератор продолжает питать нагрузку уже за счет вращающего момента на валу, обеспечиваемого дизельной установкой.

Раздельные решения

Несмотря на доминирование идеи динамических ИБП как «соосных триумвиратов», которой придерживаются такие лидеры отрасли, как Hitec Power Protection, Hitzinger, Euro-Diesel, продолжает развиваться и направление раздельного использования дизель-генераторов и кинетических накопителей энергии. В частности, подобные решения (системы Uniblock UBTD) предлагает компания Piller (рис. 10).

Отметим, что в продуктовой линейке данного производителя присутствует целый ряд решений, содержащих роторные накопители и синхронные мотор-генераторы. В данном случае система Uniblock UBTD содержит два модуля. Один из них представляет собой дизельную установку, объединенную в одном конструктиве с синхронным мотор-генератором Uniblock. Второй модуль содержит кинетический накопитель энергии (Powerbridge), пульт управления, байпас, а также упоминавшиеся ранее «магические дроссели».

Размещение роторного накопителя энергии в отдельном блоке, а не на общей оси, как в рассмотренном ранее интегральном подходе, требует решения задачи двусторонней передачи энергии между кинетическим накопителем и синхронным мотор-генератором. Для этого статор синхронного мотор-генератора (рис. 11), именуемого Uniblock, имеет две независимые обмотки, одна из которых подключена к магическому дросселю, а вторая — к кинетическому накопителю.

В режиме работы ДР ИБП от сети первая обмотка статора обеспечивает вращение ротора мотор-генератора, магнитное поле которого индуцирует ЭДС во второй обмотке статора, подключенной удаленно к кинетическому накопителю энергии. При пропадании входного напряжения мотор-генератор переходит в режим генератора — за счет напряжения, которое подается с выхода кинетического накопителя. Это напряжение поступает на вторую обмотку статора и раскручивает ротор синхронной машины, который, в свою очередь, формирует ЭДС на первой обмотке статора, подключенной напрямую к нагрузке. Конечно, это описание весьма условно.

В данной реализации кинетический накопитель механически не связан с валом ротора синхронного мотор-генератора. Это позволяет выполнять замену оборудования, ремонт или сервисное обслуживание. Кроме того, в данном случае ось кинетического накопителя может быть установлена вертикально, что позволяет применить различные магнитные подвески и системы, сводящие к минимуму трение внутренних частей устройства. Да и скорость вращения ротора маховика может быть намного выше, чем при горизонтальном размещении оси (от 20 до 50 тысяч об./мин.). А ведь при высокой частоте вращения растет эффективность таких устройств, позволяя накопить больше энергии при том же размере и массе.

Накопители кинетической энергии

В ДР ИБП важно не просто придумать и реализовать хороший роторный накопитель энергии, но и обеспечить его соосность с ротором синхронного мотор-генератора. При этом каждый производитель применил собственное решение.

Так, компания Euro-Diesel сделала свой кинетический накопитель «двуслойным» (рис. 12). Внутренний слой представляет из себя маховик, который находится на одном валу с ротором мотор-генератора и вращается, как и последний, со скоростью 1500 об./мин. Внешний ротор связан с внутренним электромагнитной связью. Его скорость вращения составляет 3000 об./мин. Поскольку внешний ротор накопителя находится на большем расстоянии от оси вращения и скорость его вращения выше, то очевидно, что именно эта часть системы накапливает основной запас кинетической энергии.

При пропадании напряжения в сети внешний ротор начинает отдавать энергию внутреннему ротору, поддерживая тем самым работу синхронного генератора, формирующего выходное напряжение, поступающее в нагрузку.

Несколько иначе реализован накопитель энергии в ДР ИБП Hitec Power Protection. Здесь кинетический накопитель энергии также имеет два ротора. Но к ротору синхронного мотор-генератора подключен внешний (наружный) ротор, который вращается со скоростью 1500 об./мин. А вот накапливает основную энергию внутренний ротор, скорость вращения которого составляет 4500 об./мин.

До рабочего состояния накопитель раскручивается примерно за 10 минут — это время, которое необходимо, чтобы довести скорость вращения внешнего и внутреннего роторов до нужных оборотов.

Причем как в решении Euro-Diesel, так и Hitec принимаются меры для того, чтобы частота вращения базового ротора накопителя энергии, механически соединенного с ротором мотор-генератора, оставалась как можно более стабильной при переходе накопителя в режим отдачи энергии. Другими словами, тормозиться при этом должен основной ротор кинетического накопителя, который не связан механически с ротором мотор-генератора. Решается эта задача с помощью фирменных алгоритмов управления токами возбуждения ротора маховика, вращающегося с частотой 1500 об./мин.

Сцепление, стартеры и прочая механика

Стремление добиться гарантированного запуска дизельного двигателя привела к появлению различных технических приспособлений и ноу-хау. Производители подошли к этому вопросу очень ответственно. Прежде всего, используемые для динамических ИБП дизельные установки существенно отличаются от своих собратьев, применяемых в стандартных дизель-генераторах. Производители ДР ИБП выпускают самостоятельно, как правило, только роторные накопители и осуществляют окончательную сборку системы и ее проверку. Дизельные же установки и синхронные мотор-генераторы производятся сторонними фирмами. Например, компания Euro-Diesel использует дизель-машины Cummins, Deutz, MTU и Mitsubishi. Причем Cummins и Deutz — на мощностях до 800 кВА, а на мощностях от 800 и выше — Mitsubishi и MTU.

При этом изготовители применяют, в частности, дизели с повышенной надежностью. Например, в двигателях, выпускаемых компанией Mitsubishi по заказу Hitec Power Protection, используются двойной стартер, предварительный подогрев и самотечная система подачи топлива, а также специальная муфта сцепления свободного хода.

В решениях Euro-Power применяются две системы запуска дизеля — традиционная (через стартер) и через многократное кратковременное включение сцепления, обеспечивающее передачу вращающего момента с центрального вала роторного накопителя на вал дизель-машины. Словом, дизель может не запуститься практически только в одном случае — при отсутствии топлива или его низком качестве.

Достоинства и недостатки

Дизель-роторные системы, несомненно, имеют ряд существенных достоинств, которые начинают проявляться на мощностях, приближающихся к 1 МВА. Причем речь идет не только и не столько о питании ИТ-оборудования. Скорее, наоборот — динамические системы могут эффективно применяться в промышленности, особенно если нагрузка носит реактивный характер или если возможны короткие замыкания в системе (ДР ИБП выдерживает 10-кратное превышение тока короткого замыкания).

Несмотря на то что просчитываемая выгода от применения динамических ИБП начинается примерно с нагрузки в районе 1 МВА, тем не менее, производители выпускают подобное оборудование в диапазоне мощностей от 100 кВА до 2500 кВА. Сравнивая классические СГЭ в составе статических ИБП на мощность 1 МВА и дизель-генератор на 1,6 МВА с динамическими решениями на 1 МВА, эксперты отмечают, что начиная с пятого года эксплуатации суммарная стоимость владения для динамического ИБП становится меньше, а к десятому году по величине TCO такой ИБП оказывается в 1,5 раза выгоднее.

Сферы применения

Поражает разнообразие областей применения динамических ИБП. Здесь больницы и аэропорты, дата-центры и банки, операторы связи и стадионы. Не отстают в использовании ДР ИБП и военные, хотя и не особо это афишируют.

Кроме традиционных трехфазных систем электропитания на 400 В дизель-роторные ИБП находят применение для резервирования напряжения 3, 6, 10 кВ. Такие системы можно устанавливать на входе трансформаторных подстанций. А это уже решения серьезного промышленного масштаба.

Часто подобные решения используются для построения СГЭ заводов с конвейерными линиями. Нагрузка на таких производствах носит явно реактивный характер. В этом случае альтернативой статическим ИБП являются дизель-роторные системы, успешно выполняющие функции компенсаторов реактивной мощности.

Если взглянуть на списки выполненных инсталляций ДР ИБП, то можно увидеть, что величина нагрузки для большинства решений начинаясь с 1 МВА достигает нескольких десятков мегаватт. На практике чаще всего используются агрегаты мощностью около 2,5 МВА. Практически повсеместно при этом используется параллельное соединение необходимого количества ДР ИБП с резервированием по схеме 2N или N+1.

Можно с уверенностью говорить о том, что динамические ИБП поддерживают все известные схемы резервирования, оговоренные в Tier I – IV. Это и неудивительно, поскольку дизель-роторные ИБП относятся к классу именно источников бесперебойного питания. Производители предлагают множество схем реализации СГЭ для дата-центров, гарантирующих требуемый уровень надежности.

ДР ИБП позволяют строить системы электропитания по схеме резервирования N+1 или 2N. Система автоматики таких устройств предусматривает возможность их параллельной работы. При необходимости можно выполнять профилактический осмотр оборудования, и нагрузка при этом будет оставаться под защитой.

В мировой практике реализовано уже несколько тысяч проектов СГЭ с применением ДР ИБП. Например, только компания Hitec установила около 1600 таких установок.

Украина пока не может порадовать внедрением подобных решений. Хотя до кризиса ряд серьезных заказчиков начали проявлять интерес к динамическим системам. Тем не менее реальных инсталляций пока нет. Причин много — и мощностей нужных нет, и опыт применения подобных решений отсутствует, и окупаемость наступает через очень длительное время, если наступает вообще.

ДР ИБП могут использоваться для питания как критичной, так и некритичной нагрузки (рис. 13). Первая из них подключается через динамический ИБП, а вторая — напрямую от входной сети (выключатель Q5 замкнут) или же при запущенной дизельной установке. При пропадании входного напряжения, когда дизельная установка еще не запустилась, некритичная нагрузка обесточена. В это время критичная нагрузка обеспечивается электропитанием за счет энергии кинетического накопителя. Когда же дизельный агрегат выходит на рабочий режим, срабатывает выключатель Q4, обеспечивая напряжением питания некритичных потребителей.

Ремонт и обслуживание

Ремонт и техническое обслуживание ДР ИБП — несомненно, самый больной вопрос. Любая механическая система требует постоянного внимания персонала. Непрерывно вращающиеся части кинетического накопителя энергии (один раз в два месяца) и синхронного мотор-генератора требуют смазки подшипников. И хотя выполняется эта работа без остановки системы, однако через некоторое время изношенные детали все равно придется менять. И уже без остановки всего ДР ИБП здесь не обойтись.

Кроме того, раз в год необходимо произвести осмотр и обслуживание дизельной установки.

Постоянного внимания требуют все элементы системы — те же стартовые аккумуляторы, отвечающие за запуск дизельной установки. Ведь им-то приходится работать в тяжелых температурных условиях.

Каждые 10 лет производится полная замена аккумулирующего ротора кинетического накопителя. За этот срок примерно два раза меняются подшипники. Это требует проведения серьезных работ по аналогии с капитальным ремонтом двигателя автомобиля. И если такая процедура даже для автомобиля не за один день выполняется, то что уж говорить о махине мощностью 1 МВт. Подобный ремонт — это не просто замена детали. Это сложный пакет работ по балансировке, измерению, настойке и запуску системы в эксплуатацию. Вряд ли это будет дешево и быстро. Особенно если привлекать специалистов компании-производителя. Поэтому одной установкой заказчику обойтись никак не удастся. Тем более что резервирование также никто не отменял.

И поэтому прежде необходимо получить ответ на вопрос относительно стоимости выполнения всех профилактических и плановых работ по обслуживанию ДР ИБП, а уже потом принимать решение, во что обойдутся аналогичные работы при наличии традиционного ИБП, где необходимо лишь сдувать пыль на вентиляционных решетках и регулярно менять АКБ.

И это при том, что даже при мощности 1 МВА стоимость ДР ИБП оказывается выше, чем у статического ИБП. А чтобы сравнить эксплуатационные расходы, необходимо проводить отдельное исследование.

Еще надо учесть вопрос размещения ДР ИБП. Достоинство динамических систем — в отсутствии необходимости кондиционирования для их нормальной работы. Такие установки быстро заряжаются (время для раскрутки маховика составляет несколько минут) и в связи с этим могут выдерживать многократные отключения электроэнергии в течение небольшого промежутка времени.

Ближе к практике

Каждая страна знаменита своими умельцами. Швейцария, Италия и Франция — источниками бесперебойного питания. А вот Голландия, Бельгия и Германия славятся разработкой и производством динамических ИБП. По крайней мере, сейчас в Украине представлены три изготовителя таких систем — компании Hitec Power Protection, Euro-Diesel и Piller. Причем в этих странах находятся не только их головные офисы, но и производственные мощности пока что никуда не переносятся. То есть идеи по размещению заводов в странах Юго-Восточной Азии не воодушевляют руководителей этих компаний.

Динамические ИБП выпускаются в диапазоне мощностей от 100 до 3000 кВА. Так, Hitec Power Protection изготавливает установки мощностью от 500 до 3000 кВА.

Компания Euro-Diesel разделяет свои динамические системы на решения No-Break KS4 (мощность от 100 до 200 кВА) и No-Break KS5 — системы от 200 до 1750 кВА. Отдельная линейка No-Break KS5-SB обеспечивает питание критичной и некритичной нагрузки мощностью от 200 до 2000 кВА.

Piller предлагает дизель-роторные системы Uniblock UBTD в диапазоне от 420 кВА до 2500 кВА.

Как правило, работа над конкретным ДР ИБП начинается после выполнения проектно-изыскательских работ на площадках заказчиков. При необходимости конструкторы могут учесть и реализовать самые неожиданные пожелания. Для этого местные партнеры производителей предварительно изучают объект заказчика и после консультаций с экспертами формируют техническое предложение.

Интересы Hitec Power Protection в Украине уже несколько лет представляет «ФЛЕКС-Интеграция». Продукцией Euro-Diesel в настоящее время занимается «Мадек». А Piller продвигает Extrime LTD. В любой момент каждый из украинских интеграторов готов подключиться к предварительной проработке и последующей реализации проекта на базе ДР ИБП.

Одна из особенностей динамических ИБП — возможность резервировать электропитание как на низковольтной стороне (3-фазные системы 400 В), так и на стороне напряжения от 3 до 10 кВ. Во втором случае ДР ИБП устанавливаются до понижающих трансформаторов. Таких систем реализовано достаточно много. По имеющимся данным, примерно 25-30% реализованных в мире проектов построены для обеспечения резервирования в линиях на 11-12 кВ.

Вторая особенность, которая сближает динамические ИБП с их статическими собратьями, — возможность параллельного включения. При этом в мире успешно работают системы с несколькими десятками устройств (известны проекты, где в параллель включено около 40 дизель-роторных ИБП).

Динамические ИБП находят широкое применение в самых различных сферах народного хозяйства, начиная от ЦОД, где критически важной является информация, до медицины и аэропортов, где непрерывность систем электропитания обеспечивает буквально физическую безопасность людей.

Есть все предпосылки начала внедрения таких систем и в нашей стране. Особенно этот вопрос становится актуальным в связи с продолжающимся ростом мощности коммерческих дата-центров и расширением услуг операторов связи.

Редакция журнала выражает благодарность Юрию Терляеву (Extreme LTD), Эдему Аблаеву («ФЛЕКС-Интеграция»), Кириллу Кузнецову («Мадек») за предоставленную информацию и помощь автору в написании статьи.

Владимир СКЛЯР,

СиБ

№ 3 (июнь-июль) 2011