Обеспечения защиты производственных процессов в суровых условиях с помощью ИБП.
Очень важно при выборе решения по защите нагрузки понимать не только от каких проблем в сети электропитания будет производиться защита, но и то, что представляет из себя нагрузка. Отвечая на эти вопросы и будет рождаться решение по защите нагрузки от встречающихся проблем. Нагрузки в промышленности могут быть довольно различными – начиная от систем АСУТП, заканчивая различными задвижками, компрессорами и насосами, электромоторами и станками, имеющими серьезные пусковые токи. Если лет 10-15 лет назад для защиты промышленной нагрузки больших мощностей на некоторых объектах были довольно популярны трансформаторные стабилизаторы с формированием выходного напряжения с высокой точностью +/-1..2% c бесступенчатым переключением, спасавшие лишь от части проблем в сети электропитания (а именно повышенного или пониженного напряжения), или дизель-динамические ИБП (ДДИБП), то сейчас всё большую популярность приобретают ИБП статические , благо современное развитие полупроводниковых технологий позволяет им это сделать.
Тем не менее бытуют мнения о большей применимости ДДИБП в промышленности по сравнению со статическими ИБП, однако для полноценного сравнения целесообразней обратиться не к сравнению технологий «в вакууме», а сравнению конкретных решений по ряду ключевых параметров – КПД в различных режимах работы, диапазону входных напряжений и поведения системы при выходе из данного диапазона, занимаемой оборудованием площади а также необходимому пространству и механизмам для обслуживания, периодичности обслуживания и времени восстановления в случае различных отказов. Даже задавшись этим небольшим списком вопросов (который при необходимости может быть расширен исходя из особенностей объекта или потребностей заказчика), окажется что сделать независимое сравнение довольно сложно: полноценная техническая информация по ДДИБП отсутствует в открытом доступе в отличие от информации по статическим ИБП, и выдается «только под проект», причем этим грешат практически все доступные на Российском рынке производители данных решений. Сравнение от вендора будет, с большой степенью вероятности, с акцентом на преимущества решения подобных систем, например, простоту реализации системы распределения питания при использовании данных решений на среднем или высоком напряжении, компактности по сравнению с большим батарейным массивом на свинцовых батареях (с умалчиванием о возможности применения иных технологий) и с сознательным умалчиванием о недостатках подобных систем. Итогом этого – очередная фотография готового объекта с ДДИБП, обслуживание или ремонт которого провести в случае чего выльется в капитальную перестройку помещения.
Конечно, некоторые могут заметить, что связка мотор-генератор более устойчива к высоким температурам как одному из компонентов суровых условий с которыми, пожалуй, на объектах заказчиков встречаются чаще всего. До недавнего времени это было действительно так – зависимость срока службы полупроводниковых компонентов от температуры эксплуатации и рабочего напряжения носит нелинейный характер, что напрямую влияет на срок службы ИБП при повышенных температурах. Ключевой блок ИБП двойного преобразования – инвертор, был наиболее подвержен влиянию этого фактора, и различные производители ИБП постепенно старались свести влияние температуры на него к минимуму.
Одним из наиболее ранних и серьезных изменений, предопределивших современную архитектуру инвертора, явился отказ от использования трансформатора у большинства производителей в его составе. Это стало возможно благодаря совершенствованию элементной базы и появлению полупроводниковых элементов, которые могут работать с большими напряжениями, чем было ранее. На рис.1 представлена схема 2х уровневого безтрансформаторного инвертора, который используется до сих пор некоторыми производителями. В качестве батарейного массива – используется так называемая “схема со средней точкой”, когда две идентичные группы последовательно соединенных батарей (внутри каждой из групп), соединяются путем объединения различных полюсов, с выводом их на среднюю точку. Для формирования выходного напряжения в 2х уровневом инверторе используется попеременное включение верхнего и нижнего транзисторов, с частотой 5-25КГц, при этом длительность включения определяется той частью синусоидального сигнала, которую надо нарисовать (рис. 2). При этом переключаемое напряжение обычно находится в пределах 960В (480В *2). Это не очень хорошо, так как приводит к относительно высоким потерям, как на самих полупроводниковых элементах, так и увеличивает габариты и потери на индуктивностях выходного фильтра.
В современных ИБП большинства производителей используется усовершенствованная схема – 3х уровневый инвертор (рис. 3). Он чем-то похож на ранее рассмотренный и отличается тем, что переключаемое напряжение двукратно меньше значения в предыдущей схеме. Это дает возможность использования более широкой гаммы современных IGBT транзисторов, позволяя выбрать наиболее оптимальные по своим характеристикам для используемого изделия. Также использование подобной схемы снижает тепловыделение схемы на активных и пассивных элементах. Стоит отметить, что инверторы, построенные по данной технологии, выпускаются уже более 8 лет.
Учитывая современные тенденции по созданию высокоэффективных ИБП, так и повышения надежности устройств, компания Schneider Electric разработала и запатентовала 4х уровневый инвертор (рис. 4). В отличие от предыдущей схемы, здесь переключение уже происходит на напряжении, составляющем 1/3 от напряжения шины постоянного тока, тем самым улучшается КПД решения, требуются меньших размеров индуктивности для выходных фильтров, а главное увеличивается надежность решения, благодаря большему запасу между рабочим напряжением и максимальным напряжением, на которое рассчитан транзистор.
Если обратить внимание на графики на рис. 5 (источник http://powerelectronics.com/mag/709PET21.pdf), которые показывают количество отказов IGBT транзисторов в штуках за 1 миллиард часов работы (вертикальная ось), в зависимости от максимального рабочего напряжения (500-600/800-1200/1700В) и того, сколько реальное рабочее напряжение составляет от максимального (горизонтальная ось), то можно заметить, что для 4х уровневого инвертора надежность настолько высока, что параметры его работы находятся за пределами отображения данного графика. С использованием данной современной технологии были спроектированы блочно-модульные ИБП Schneider Electric Galaxy V как малых (20-100кВт) так и более высоких мощностей, включая системы на несколько мегаватт.
Одним из способов подтверждения надежности изделия при высоких температурах являются в том числе и тесты ускоренного устаревания- знакопеременное температурное воздействие на ИБП целиком или их ключевые блоки в термокамерах с использованием математических зависимостей, дающих заключение о сроке службы в менее экстремальных условиях на основании данных воздействий. Разумеется, всё это осуществляется производителем при разработке оборудования, и о них конечный пользователь может и не знать, однако заявление производителем о возможности эксплуатации ИБП при +40С с сохранением как выходной мощности (в кВА и кВт), так и перегрузочной способности - даёт возможность предполагать, что данные тесты были проведены. Еще одним кирпичиком в стену спокойствия заказчика может быть наличие у ИБП встроенной системы контроля срока службы ресурсных компонентов. При этом речь здесь идет не о таймере обратного отсчета, который через N-ное количество лет сообщает о том, что пора произвести замену конденсаторов или вентиляторов, а о более интеллектуальном решении, которое рассчитывает скорость старения исходя из реальных уровней воздействий и их длительности – как температур, так и внутрисхемных пульсаций (для конденсаторов).
Пожалуй, кроме повышенных температур и воздействия пыли и аэрозолей различного происхождения, с которыми, кстати, можно бороться, используя даже обычные неприспособленные ИБП путем установки их в Модульные Помещения Физической Защиты (такие как ПФЗ Smart Shelter) или полугерметичные шкафы с высокой степенью защиты по IP со встроенными системами охлаждения, еще одним видом воздействия на ИБП являются различные вибрации от промышленного оборудования. Для обеспечения защиты от них наиболее правильно использовать ИБП в специальном исполнении. Косвенным подтверждением того, что ИБП почти готов к подобной эксплуатации может являться наличие у вендора сертификата DNV (морской сертификат) на оборудование, сертификат на свободное падение ИБП (так называемый Drop-down test: в котором ИБП роняют с высоты паллеты и он должен быть после этого цельным и работоспособным при включении), и конечно наличие иностранных сертификатов или отчетов о сейсмостойкости. Стоит отметить, что МЭК (бальная система) и стандарты США/Западной Европы различаются и может потребоваться дополнительное экспертное заключение о сейсмостойкости изделия согласно классификации МЭК на основании иностранных отчетов о тестировании. Обычно оформлением подобных документов занимается вендор или поставщик данного оборудования.
В рамках завода, экономия на КПД в 1-2% на ИБП мощностью в несколько мегаватт является хоть и значительной в абсолютных деньгах (позволяет окупить стоимость ИБП за несколько лет), является малой величиной по сравнению с потреблением всего завода. Обычно более критичным особенно на этапе проработки решения является возможность сэкономить занимаемое пространство. Раньше производители ДДИБП в любом из своих маркетинговых материалов обязательно упоминали о большой площади свинцово-кислотных батарей. Это почти так, особенно если выбирать батарейный массив на 15 минут автономной работы. Очень часто для связки ИБП-ДГУ достаточно 5-7 минут автономной работы, а иногда и десятков секунд. В первом случае для сокращения площади можно использовать современные литий-ионные батареи (Li-Ion), имеющие кстати, Российские сертификаты пожаробезопасности и сейсмостойкости до 9 баллов на высоте до 20 метров включительно, а во втором – решения на суперконденсаторах или маховиках, что позволит сделать гибридную систему, обладающую практическими всеми плюсами как ДДИБП так и статических систем.
