Как выбрать подходящий типоразмер дизельного генератора для систем бесперебойного питания

Система электроснабжения переменного тока, состоящая из дизель-генераторной установки и ИБП, получила широкое распространение благодаря своей высокой надежности и безопасности. Эта система требует не только высокой степени автоматизации, но и адаптации дизель-генераторной установки к характеристикам нелинейной нагрузки ИБП, чтобы обеспечить надежное питание нагрузки при отсутствии сети. Входные характеристики off-line определяются структурой схемы ИБП: Традиционный онлайн ИБП с двойным преобразованием, поскольку его входной AC/DC-преобразователь представляет собой схему выпрямления и фильтрации, входной ток является пульсирующим током, не только имеет низкий коэффициент мощности (0,7~0,8), но и содержит большое количество высоких гармоник (30%~40%), а низкий коэффициент мощности и гармоники проходят через индуктивное внутреннее сопротивление обмотки статора генератора, что серьезно влияет на нормальную работу дизельных генераторов, а их сочетание чревато возникновением следующих проблем:

  • Колебания напряжения. Колебания напряжения обратной связи вызывают низкую стабильность выходного напряжения генератора, диапазон колебаний составляет до ±10% ~ ±20% от номинального напряжения. При оптимальной настройке регулятора колебания все равно превышают 2%.
  • Ток колеблется. Когда нагрузка ИБП стабильна, выходной ток генератора колеблется в диапазоне ±20%± 50% и не поддается регулировке.
  • Колебания частоты. В целом колебания частоты меньше диапазона напряжения и тока, как правило, в пределах ±5%, но вызывают частые переключения ИБП. Из-за регулярного увеличения и уменьшения нагрузки на дизельный двигатель его рабочее напряжение также увеличивается и уменьшается, что усиливает вибрацию дизель-генераторной установки, ускоряет механический износ и даже приводит к повреждению деталей.
  • ИБП работает некорректно. Допустимый диапазон входного напряжения выпрямителя ИБП обычно составляет ±15% от номинального значения или шире. Нестабильное выходное напряжение генератора оказывает незначительное влияние на нормальную работу ИБП. Поэтому особое внимание следует уделить влиянию дрейфа частоты на нормальную работу ИБП:
  • ИБП не может быть байпасирован. Если частота и напряжение байпасного источника питания находятся в допустимом диапазоне, выход инвертора ИБП отслеживает байпасный источник питания. Инвертор и байпасный источник питания синхронизируются по фазе. При наличии байпасного источника питания его частота может быстро меняться. Когда изменение частоты превышает заданное предельное значение, изменение частоты инвертора не успевает за изменением частоты байпасного источника питания. В этом случае статический переключатель байпаса не будет переключаться на байпас. (Переключение в этом случае может привести к перегрузке по току или короткому замыканию инвертора). В этом случае отследить частоту питания байпаса невозможно, ИБП только предупреждает пользователя, чтобы избежать сбоя питания, вызванного перегрузкой. В этом случае инвертор продолжает подавать питание на нагрузку.
  • Срок службы батареи сокращается. Из-за дрейфа частоты сигнал привода выпрямителя SCR (СКР) рассинхронизируется с входным переменным током, что приводит к отключению выпрямителя. ИБП переключается на питание от батареи, а выпрямитель перезапускается и переходит в нормальный режим работы. Такой чрезмерный цикл разряда значительно сократит срок службы батареи, более серьезной ситуацией станет отключение всех ламп, прерывание выходного сигнала. Кроме того, в одной и той же электрической системе при запуске компрессора кондиционера и подъеме и опускании лифта возникает дрейф частоты генератора.

Проблемы, возникающие при сочетании дизель-генераторной установки и ИБП, могут быть решены: во-первых, правильным выбором режима возбуждения генератора и единичной мощности, различным режимом возбуждения и соответствующей согласующей мощностью и т.д.; во-вторых, выбором ИБП, более подходящего к характеристикам генераторной установки. Например, ИБП с функцией байпаса с фазовой блокировкой диапазона частот и регулируемой по полю частотой синхронизации инвертора обладает лучшей адаптивностью к дрейфу частоты, чем ИБП общего назначения. ИБП с 12-импульсным выпрямителем лучше подходит для питания генераторной установки, чем ИБП с 6-импульсным выпрямителем, что позволяет обеспечить безопасную и надежную работу всей системы электроснабжения.

Выходная мощность
Как правило, мощность вспомогательной генераторной установки в 2-2,5 раза превышает мощность ИБП. Фактически, ИБП обычно работает на 50-80% своей номинальной мощности, в то время как генераторная установка может выдавать около 30% своей номинальной мощности. Это не только приводит к тому, что мощность генераторной установки не может быть использована полностью, увеличивает стоимость, но и делает генераторную установку более подверженной отказам, увеличивает объем технического обслуживания, снижает надежность генераторной установки. Причина: в соответствии с характеристиками дизельного двигателя, если под небольшой нагрузкой в течение длительного времени, износ цилиндра усиливается, так что вышеуказанные детали неисправности ускоряются, производительность дизельного двигателя снижается, выхлопные газы дымятся.
Экономичность дизельного двигателя ухудшается при номинальной нагрузке 30%. Для повышения экономичности дизельного двигателя дизель-генераторная установка должна работать на нагрузку, превышающую 60% от номинальной. Поэтому правильное согласование мощности очень важно для системы электроснабжения. При выборе номинальной мощности генераторной установки в первую очередь необходимо учитывать общую электрическую нагрузку. О нагрузке другого электрооборудования написано много данных, которые здесь уже не описываются. Необходимо также учитывать мощность, требуемую для зарядки аккумуляторных батарей (обычно контролируется в пределах 10% ~ 20% от максимальной выходной мощности ИБП). При этом необходимо увеличить мощность генератора более чем в 2 раза по сравнению с мощностью ИБП.

Принцип работы дизельных двигателей
Практика эксплуатации показывает, что при одинаковой номинальной выходной мощности двух генераторов нагрузочная способность двухтактной дизель-генераторной установки лучше, чем у четырехтактной, если нагрузка на заднюю часть потребителя нелинейна.

Режим возбуждения генератора
По типу возбуждения дизель-генераторы делятся на синхронные генераторы с самовозбуждением и генераторы с постоянными магнитами (PMG). Разница между ними заключается в том, что в первом случае источник питания и сигнала для регулятора напряжения AVR поступает от обмотки якоря генератора, а в PMG (permanent magnet generator) AVR источник питания поступает от обмотки якоря вторичного возбудителя (генератора с постоянными магнитами), а обмотка якоря синхронного генератора переменного тока служит только источником сигнала. На выходную мощность первого АВР влияет форма потенциального сигнала обмотки якоря, а качество нагрузки, особенно нелинейной, оказывает явное влияние на форму потенциального сигнала обмотки якоря. Источник питания последнего АВР берется от обмотки якоря ПМГ, что никак не связано с искажением формы потенциальной волны обмотки якоря синхронного генератора. Поэтому синхронный генератор с режимом возбуждения от ПМГ (генератора с постоянными магнитами) может улучшить работу ИБП. При использовании автономного синхронного генератора соотношение мощностей ИБП и дизель-генераторной установки должно быть не менее 1 (2 ~ 2,5), однако влияние генератора на работу ИБП исключать нельзя. При использовании генератора с возбуждением ПМГ соотношение мощностей 1 (1,2 ~ 1,25) может обеспечить нормальную работу дизель-генераторной установки.