Широкое повсеместное использование мощных источников бесперебойного питания (ИБП), несомненно, способствует повышению надежности электроснабжения ответственных потребителей, но также порождает ряд проблем, в числе которых важное место занимает электромагнитная совместимость.
Особенно это касается совместной работы ИБП и синхронного генератора дизель-электрической установки (ДГУ) в составе комплекса автономного (аварийного) электроснабжения. ИБП, в частности, оборудованный 6-полупериодным выпрямителем (каковых большинство в диапазоне 30-160 кВА), является существенно нелинейной нагрузкой — коэффициент гармоник тока потребления при номинальной мощности может достигать 30 и более процентов.
Это приводит к нежелательным эффектам при работе ИБП с источником (генератором) соизмеримой мощности, а именно: большой уровень искажений напряжения генератора и возникновение дополнительных потерь от высших гармонических составляющих тока. От первого эффекта страдает нагрузка, от второго — генератор. С другой стороны, чрезмерный запас мощности ДГУ влечет за собой удорожание системы, повышенный износ узлов дизеля и, как следствие, рост эксплуатационных расходов.
Аналитический расчет дополнительных потерь и величины искажений выходного напряжения достаточно сложен и затруднен из-за отсутствия в техдокументации на генератор необходимых данных. Распространенная в наше время упрощенная методика расчета с использованием значения Xd`` (сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси ротора) в большинстве случаев дает неверные результаты и серьезного практического интереса не представляет. Таким образом, ДГУ часто нагружается «вслепую», без учета специфики потребителей и степени их влияния на устойчивость и надежность работы автономной энергосистемы.
Достаточно точное представление о процессах, происходящих в цепи «ДГУ-ИБП», можно получить, произведя измерения анализатором качества сети РМ175, производства компании SATEC (Израиль). Объектом исследования в нашем случае явился тандем: ДГУ — Inmesol с генератором Mecc Alte ECP34-1S, 85кВА, 68кВт; ИБП — Safe Power, 30кВА, 24кВт. Чтобы исключить влияние кабельной линии на показания прибора, РМ175 подключался непосредственно к выходу генератора. Трансформаторы тока использовались с разъемным сердечником — TAR 30R 300/5А.
Измерения производились в режиме on-line с подключенным ноутбуком в окне программы PAS, поставляемой бесплатно в комплекте со всеми приборами производства компании SATEC (Израиль). Через меню «Монитор» — «Монитор осциллограмм РВ» снимались текущие осциллограммы напряжений и токов. Далее сохранялись эти записи в отдельный файл через меню «Файл» — «Сохранить». Было произведено несколько измерений для разных величин нагрузки с сохранением их в один файл. Результаты наших измерений при максимальной нагрузке ИБП (24кВт) приведены ниже (рис.1 — рис.3).
Рис. 1 — окно программы PAS журнал осциллограмм
Посмотрев на рис. 2, нетрудно заметить, что значения активных мощностей всех гармоник, кроме первой, имеют отрицательный знак. То есть, ИБП стоит рассматривать как источник высших гармоник, а синхронный генератор как нагрузку для таковых.
Несложный арифметический расчет даст 76 Вт потерь в одной фазе генератора, полагая нагрузку симметричной (только ИБП), получим 228Вт потерь от высших гармоник тока при выходной мощности около 26кВт. Это составит 3,6% от потерь при номинальной выходной мощности генератора — величина достаточно малая.
Рис. 2 — окно программы PAS спектр гармоник — табличная форма
Не все так гладко обстоит с формой выходного напряжения. Как видно из рис.3, коэффициент нелинейных искажений напряжения фазы А составляет 15,5% (вследствие симметричности нагрузки картина в остальных фазах аналогичная). Это является серьезным препятствием для подключения дополнительной нагрузки к ДГУ, если она критична к форме питающего напряжения.
Например, асинхронные двигатели. Однако лампы накаливания, электронагревательные приборы и другую линейную нагрузку допустимо запитать, обеспечив генератору запас по мощности примерно в 20-25 %.
Рис. 3 — окно программы PAS спектр гармоник — гистограмма
Учитывая многообразие модельного ряда ИБП и синхронных генераторов, сложно дать универсальную рекомендацию по оптимизации их совместной работы. Но располагая данными, полученными в результате измерений анализатором РМ175 гармоник напряжения и тока генератора при его работе на конкретную нагрузку, можно определить возможности генератора питать дополнительные потребители без риска нарушения функционирования всей автономной энергосистемы.
Способность РМ175 фиксировать осциллограммы переходных процессов в сети можно использовать для анализа быстродействия и качества переключения силовой коммутационной аппаратуры, например, автоматического ввода резерва (АВР) или внутреннего статического коммутатора мощного ИБП. В качестве примера рассмотрим процедуру испытания быстродействующего электромеханического АВР ASCO серии 300.
РМ175 подключается к выходу АВР, на оба ввода которого подается трехфазное напряжение. По внешней команде происходит переключение АВР, эта процедура повторяется несколько раз, после чего АВР обесточивается и измерительные входы РМ175 отсоединяются от АВР. Файл сохраняется в программе PAS (с присвоением имени ASCO, например), потом вновь открывается, при этом в меню «Таблицы» выбирается «Журнал ПКЕ» (рис.4).
Рис. 4 — окно программы PAS работа с файловой системой
В журнале ПКЕ по дате/времени находим событие, соответствующее переключению АВР (событие, выделенное синим шрифтом, зафиксировано осциллограммой, рис.5)
Рис. 5 — окно программы PAS журнал показателей качества электроэнергии (ПКЭ)
После чего переходим к просмотру осциллограммы (рис.6).
Рис. 6 — окно программы PAS журнал осциллограмм
Измерить время переходного процесса можно через меню «дельта», в нашем случае оно равно 41,587 мс. Типовое время переключения ASCO-300 составляет 50 мс, то есть испытуемый АВР соответствует техническим условиям.
В меню «ITI» можно посмотреть, насколько процесс переключения будет безопасен для радиоэлектронной аппаратуры, питающейся через тестируемый АВР (рис.7).
Рис. 7 — окно программы PAS график СВЕМА
В рассматриваемом случае возможен сбой в работе электронных устройств, но без повреждения таковых.
Следующая осциллограмма демонстрирует результат испытания on-line ИБП Safe Power, 60 кВА с целью проверки корректности переключения его нагрузки с инвертора на резерв и обратно (рис.8).
Рис. 8 — окно программы PAS журнал осциллограмм
На первый взгляд, такая проверка лишена смысла — алгоритм работы статического коммутатора современного ИБП не допускает резких скачков напряжения при переключении. Однако автору этих строк неоднократно приходилось сталкиваться с конфликтными ситуациями, когда владельцы мощных ИБП жаловались на якобы некорректную работу своих устройств, влекущую за собой сбои в питании потребителей.
Экспертиза, проведенная с помощью РМ175, даст исчерпывающую информацию о процессе переключения нагрузки в ИБП и выявит сбои в питании, если таковые имеют место. Алгоритм проверки ИБП принципиально не отличается от описанной выше методики тестирования АВР.
Сбои в работе инвертора ИБП также фиксируются анализатором РМ175. На рис. 8а приведены осциллограммы фазных напряжений, снятых на выходе ИБП мощностью 400 кВА при работе на статическую нагрузку около 100 кВт. Провалы напряжения, имеющие место одновременно во всех трех фазах при неизменной нагрузке позволили с большой вероятностью сделать вывод о дефекте схемы логики инвертора. После замены соответствующей платы сбои в работе ИБП прекратились, что демонстрирует эффективность проведенного тестирования.
Рис. 8а — окно программы PAS журнал осциллограмм
С помощью РМ175 также можно провести первичную диагностику функционирования силовых полупроводниковых (тиристорных) коммутаторов. На рис. 9 представлены осциллограммы напряжения на выходе 100-амперного тиристорного АВР, снятые в момент переключении нагрузки со ввода 1 на ввод 2.
Рис. 9 — окно программы PAS журнал осциллограмм
Заметные искажения выходного напряжения фазы А, возникшие после переключения, могут свидетельствовать о неисправности демпфирующей цепи силового тиристора или дефекте последнего.
До сих пор мы рассматривали РМ175 как сугубо измерительный инструмент. Теперь поговорим о возможностях этого прибора выступать в качестве устройства автоматики, в частности, контроллера управления ДГУ аварийного электроснабжения. На рис.10 приведена функциональная схема такого устройства
Рис. 10 — функциональная схема применения РМ175
на рис. 11, 12, 13 — настройки релейных выходов РМ175.
Рис. 11 — окно программы PAS — настройки реле
Рис. 12 — окно программы PAS — настройки реле
Рис. 13 — окно программы PAS — настройки реле
В обычном режиме прибор выполняет свои основные задачи — следит за качеством электроэнергии, обеспечивает ее учет и т.д. При выходе сетевого напряжения за порог срабатывания (в нашем случае <176В или >264В) с задержкой времени 10 сек. замыкаются контакты 26,27 реле 1, подавая сигнал запуска дизель-генераторной установки. Реле 2 (контакты 28, 29), спустя 30 сек. инициирует включение генераторного контактора (разница временных уставок в 20 сек необходима для обеспечения входа ДГУ в рабочий режим).
Переход на сетевое питание при восстановлении его параметров в рамках, определяемых порогами возврата, осуществляется в обратной последовательности: сначала размыкается реле 2, отключая генераторный и включая сетевой контактор, затем реле 1, останавливая ДГУ (с задержкой, необходимой для охлаждения агрегата).
Такую схему можно реализовать для любых ДГУ, имеющих дистанционный запуск (например, почти все модели F.G.Wilson, SDMO, Geko и т.д.). При этом можно обойтись без дорогостоящих систем автозапуска, входящих в состав штатных АВР.
Конечно, приведенными примерами не исчерпываются возможности РМ175.
Многофункциональность, гибкость настроек и метрологические характеристики этого прибора позволяют найти ему применение на многих энергетических, производственных и социально-бытовых объектах.
ООО «Энергометрика»
Тел./ф.: (495) 510-11-04
zakaz@energometrika.ru
www.energometrika.ru
