Мастера на все роторы
Интересные разработки получаются на стыках разных технических направлений, особенно когда перед инженерами стоят сложные задачи. Сегодня мы расскажем о динамических (роторных) дизельных источниках бесперебойного питания (ДДИБП, Diesel rotary uninterruptable power supply - DRUPS), используемых для энергоснабжения критически важных объектов - операционных, центров управления и обработки данных, диспетчерских, участков непрерывных и опасных производств и т. д.
Упрощённо говоря, ДДИБП - это система, в которой синхронный мотор-генератор с маховиком сопряжён с дизельным двигателем, находящемся в «горячем» резерве. Если напряжение во внешней сети пропадает, маховик по инерции продолжает вращаться, обеспечивая питание нагрузки от генератора. Далее запускается дизель, после чего привод генератора обеспечивается уже не маховиком, а дизельным двигателем. Время работы системы в автономном режиме определяется ёмкостью топливного бака и возможностью оперативного подвоза дизельного горючего.
Набирая обороты
При более детальном изучении ДДИБП, вернее, различных его вариантов в исполнении японских и европейских компаний, обнаруживаются совершенно замечательные находки.
Например, у компании HITEC Power Protection маховик находится в кинетическом модуле, который включает два вращающихся ротора: внутренний и внешний (см. рис. 1). Внешний ротор (покрашен в красный цвет) соединён с мотор/генератором (в случае HITEC это одна обратимая электрическая машина) и вращается с частотой ровно 1500 об./мин. Основную энергию запасает внутренний ротор (на рисунке покрашен в жёлтый цвет), который может делать до 4500 оборотов в минуту. Между роторами нет механической связи - энергия вращения передаётся посредством электромагнитного поля через систему индуктивного сцепления.
На внешнем роторе размещена трёхфазная двухполюсная обмотка, которая в нормальном режиме работы установки возбуждается переменным напряжением с тем, чтобы создать вращающееся со скоростью 4500 об./мин. магнитное поле. Это поле разгоняет внутренний короткозамкнутый ротор и поддерживает его вращение.
Когда напряжение в сети пропадает или падает ниже критического уровня, система переходит в режим автоматического поддержания постоянных оборотов внешнего ротора и соединённого с ним вала генератора. Каким образом? Опять-таки за счёт индуктивного сцепления.
На катушки индуктивного сцепления внешнего ротора подаётся постоянное напряжение. Оно создаёт магнитное поле, благодаря которому энергия вращения внутреннего ротора-маховика передаётся внешнему. Маховик постепенно расходует свою кинетическую энергию, скорость его вращения снижается с 4500 до 4000, 3500, 2500 об./мин. Постоянное напряжение регулируется так, чтобы обороты генератора (и, соответственно, частота выходного переменного напряжения) оставались неизменными.
Моментальный старт
Дизельный двигатель в ДДИБП постоянно поддерживается в режиме полной готовности (разогретым и с заправленными баками) для того, чтобы его можно было в любой момент быстро запустить и вывести на номинальные обороты. Это происходит за фантастически короткое время - 2-5 с. Выходной вал дизеля раскручивается без нагрузки (а потому очень быстро) до тех пор, пока не наберёт скорость 1500 об./мин. В этот момент срабатывает механическая муфта сцепления, которая соединяет вал двигателя с внешним ротором кинетического модуля, и вся система переходит в режим дизельной генерации. С момента пропадания (или просадки) напряжения в сети до переключения на питание от дизель-генератора проходит всего 5-10 с. За это время маховик обычно теряет 30-40% ранее накопленной энергии.
У компании HITEC для запуска дизельного двигателя предусмотрены два независимых стартёра. Один из них питается от сети, другой - от аккумуляторных батарей. Топливо подаётся самотёком.
Чистое питание
Следует обратить внимание на специальный развязывающий дроссель, включённый между сетевым входом и выходом ДДИБП (см. рис. 2). Мотор-генератор подсоединяется к этому дросселю для того, чтобы ДДИБП в штатном режиме работы представлял собой фильтр, блокирующий прохождение высоких гармоник, демпфирующий кратковременные колебания частоты и другие переходные процессы в электросети при изменении нагрузки. В автономном режиме ключ QD1 закрывается.
Благодаря применению синхронного генератора коэффициент мощности у ДДИБП превышает 0,98. В системе нет выпрямителей и инверторов, в результате эффективность кинетического накопителя достигает 97% и более.
Компания Piller Power Systems (Германия) предложила для ДДИБП собственные оригинальные конструктивные решения. Так, в качестве мотор-генератора у Piller используется не одна обратимая электрическая машина, как у HITEC, а две, то есть мотор и генератор могут работать одновременно (дроссель не понадобится). При этом они не занимают лишнего места: применена конструкция «юниблок», включающая общие статор и ротор, на которых размещены отдельные обмотки моторной и генераторной частей.
Срок службы ДДИБП составляет 25 лет, конечно же, при условии регулярного технического обслуживания. Примечательно, что у компании HITEC диагностика системы проводится без её остановки. Опытный инженер с помощью специального акустического прибора исследует состояние подшипников и других критических узлов.
Для повышения надёжности и упрощения работ по обслуживанию кинетического модуля в нём применена система бесщёточного возбуждения. Производители ДДИБП постоянно совершенствуют свою продукцию. В последних моделях ДДИБП компании HITEC кинетический модуль перемещён из середины конструкции в конец. Теперь на обслуживание и ремонт этого критического элемента тратится меньше времени.
Выгода не сразу
Как показывает практика, дизель-динамические ИБП дают выигрыш по сравнению с комплексами из дизеля и ИБП на аккумуляторных батареях при мощностях порядка 600 кВт и выше. Дело в том, что батарейное резервирование больших мощностей требует просторных помещений с хорошей системой вентиляции и перекрытий, способных выдержать тяжёлые аккумуляторы. Кроме того, наиболее широко используемые сегодня кислотно-свинцовые аккумуляторы приходится менять раз в пять лет, что выливается в крупную сумму, особенно если по всем правилам отправлять аккумуляторы на утилизацию. Поэтому при планировании затрат на интервале до пяти лет более выгодными представляются системы бесперебойного питания на основе статического ИБП с батареями в связке с дизель-генератором. Если же смотреть вперёд лет на десять, на первый план нередко выходят дизель-динамические ИБП.
Благодаря высокой плотности запасаемой мощности ДДИБП занимают немного места. Жёстких требований к диапазону рабочих температур, как у систем с электрохимическими аккумуляторами, нет, поэтому ДДИБП нередко размещают в звукоизолированном всепогодном контейнере на улице. При необходимости зарезервировать систему рядом ставят ещё один такой же контейнер.
