Rambler's Top100
Статьи ИКС № 04 2014
Михаил БАЛКАРОВ  08 апреля 2014

Автономные генераторы в практике ЦОДов: выбор номинального напряжения

В развитие темы автономных генераторов, уже затронутой в публикациях автора (см. «ИКС» №10’2013, с. 85), речь пойдет о том, как правильно подобрать номинал генератора и чем осложняется задача выбора.

Михаил БАЛКАРОВИзучив большое количество рекомендаций, практических и теоретических, от производителей генераторов и производителей ИБП, автор пришел к выводу, что до сих пор в этом вопросе существует значительная путаница.

Напомним, что любой автономный генератор отличается от городской сети электроснабжения тем, что имеет конечную мощность и заметное сопротивление протеканию тока. Это, собственно, и вызывает проблемы при проектировании и использовании автономных генераторов. Разумеется, сумма генерирующих мощностей единой сети тоже конечна, но нагрузка даже самого большого ЦОДа по сравнению с ней совершенно незаметна. Точно также у магистралей и трансформаторов имеется определенное сопротивление, но оно несравнимо с сопротивлением обмоток генератора – последнее на порядки больше.

Итак, прежде чем переходить непосредственно к задачам подбора, рассмотрим имеющиеся проблемы.

Гармонические искажения

Критичная ситуация – высокий коэффициент нелинейных искажений THDi. Генераторы с механическим регулятором выходного напряжения или регулятором, построенным на тиристорах, просто неспособны работать в такой сети. Ток возбуждения искажается, и генератор, в свою очередь, еще больше раскачивает сеть.

Применение изолирующих трансформаторов и фильтров далеко не всегда помогает: помимо борьбы с гармониками они искажают переходные процессы, поэтому может стать проблематичным, например, запуск нагрузки с большими пусковыми токами. Кроме того, мощные пассивные фильтры способны вызывать резонансные явления в сети. Приходится либо регулировать ток возбуждения генератора при помощи транзисторов, либо использовать для питания регулятора напряжения отдельный генератор на постоянных магнитах.

Кстати, собственно генератору гармоники, как правило, не слишком опасны. Он в любом случае обычно переразмерен, поэтому рост температуры обмоток не столь значителен, как в случае с сетевым трансформатором. Достаточно заказать вариант с теплостойкостью обмоток H вместо F, и все будет замечательно работать.

Если же рассматривать потребителей энергии, основная проблема с гармониками заключается в том, что сопротивление обмоток статора по сравнению с сопротивлением городской линии велико, поэтому при переходе на генератор наблюдаемый уровень искажений в сети может возрасти в разы.

Подчеркнем еще раз: проблема не в том, что генератор дает гармоники, они у него крайне незначительны, хотя и обязательно присутствуют из за неравномерности геометрии проводов обмоток. Проблема именно в том, что имеющиеся гармоники становятся гораздо заметней. Чтобы этот эффект как-то уменьшить, обычно можно заказать для того же двигателя генератор с завышенным номиналом. Это уменьшает сопротивление обмоток и соответственно снижает уровень искажений, которые вызывают токи гармоник. Тем не менее уровень искажений останется повышенным, поскольку довести сопротивление до уровня городской сети не представляется возможным с точки зрения экономики.

Колебания напряжения и частоты

В силу уже названных выше причин при резком увеличении или уменьшении нагрузки напряжение и частота на генераторе соответственно кратковременно падают или растут.

Падение напряжения при резком увеличении нагрузки в первый момент зависит в основном от сопротивления обмотки генератора. Типичные зависимости изменения напряжения от скачка нагрузки для мощного генератора (см. рисунок) почти линейны, что подтверждает влияние последовательно включенного сопротивления.

Энергия в конечном итоге берется от двигателя, за счет сгорания топлива, никакой регулятор не способен обеспечить идеальное поддержание выходной частоты. При резком увеличении нагрузки частота падает, а при уменьшении – подскакивает. Далее регулятор двигателя увеличивает или уменьшает подачу топлива для поддержания постоянных оборотов. В это время регулятор напряжения пытается, манипулируя током в обмотке возбуждения, возвратить напряжение на номинал. Поскольку типичный стартовый ток электродвигателя по большей части реактивный, это можно сделать и при имеющейся мощности двигателя, не дожидаясь его раскрутки.

При резком сбросе нагрузки происходят аналогичные процессы, только вызывающие рост частоты и напряжения. В итоге поведение системы зависит от характеристик конкретного двигателя, выбранного для него генератора, типа и уставок регулятора и характера запускаемой нагрузки.

Из кривых на рисунке сразу можно сделать вывод, что падение напряжения для наших применений в большинстве случаев проблемой вообще не является. Неприятности обычно связаны либо с девиацией частоты, либо с нелинейностью нагрузки. Еще один банальный вывод – выгоднее работать на высоком напряжении. В частности, в проектах, где речь идет о десятках мегаватт, рационально использовать средневольтные генераторы. Поскольку ток у них небольшой, сами генераторы и арматура получаются достаточно компактными и с меньшей опасностью поражения персонала дугой при переключении. Кроме того, негативные эффекты, связанные с гармониками и падением напряжения, значительно слабее.

Влияние нагрузки

Как правило, в теории, на графиках или в формулах падения напряжения, рассматривается ситуация, когда нагрузка подается на ненагруженный генератор. Но на практике нагрузка добавляется к уже имеющейся. В этом случае следует учесть, что имеющаяся нагрузка потребляет мощность от двигателя, так что рейтинг генератора в киловаттах соответственно уменьшается. Если стартовые киловатты новой нагрузки больше, чем доступная мощность генератора, скорее всего, возникнут проблемы.

На способность генератора выдавать ток имеющаяся нагрузка влияет значительно слабее. При начальной нагрузке генератора в 50% можно ожидать, что для данной подключаемой нагрузки проседание напряжения увеличится по сравнению с графиком на 2%.

Выделяется случай, когда в имеющейся нагрузке много асинхронных двигателей. При проседании напряжения они начинают работать как генераторы, пытаясь его удержать. Кстати, это также следует учитывать при расчете токов короткого замыкания в системе. В конечном счете это эквивалентно уменьшению стартового тока пускаемого двигателя.

К сожалению, для наших применений этот эффект приходится игнорировать. Во первых, мы не можем себе позволить значительного проседания напряжения, во вторых, доля моторов в нагрузке дата-центра обычно не выше 25%.

Запуск асинхронного двигателя

Тема запуска классического асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором подробнее других освещена в документации, и рекомендации более или менее совпадают у всех производителей. Вывод таков: для чиллеров и кондиционеров, чтобы гарантировать просадку напряжения не более 15% при любых условиях, требуется, чтобы стартовый ток компрессора не превосходил 60% от рейтинга генератора. Иными словами, мощность самого двигателя должна быть не более 10% от номинала генератора (в кВА), принимая во внимание типичный шестикратный пусковой ток.

Стартовая мощность в киловаттах у асинхронного двигателя составляет примерно два с половиной номинала, соответствующий запас мощности должен иметься при полностью загруженном генераторе.

Поскольку компрессор может стартовать в любой момент времени, делать поправки на старт вначале не следует. В итоге получаем набор неравенств для генератора номиналом G1 (кВА) и G2 (кВт), работающего на максимальную нагрузку P (кВт), и компрессора с максимальным рабочим током FLA (А):

G1 > 10 × (FLA × 3 × 230)

G2 > P + (FLA × 3 × 230) × 1,5

Коэффициент в формуле взят равным 1,5, а не 2,5, поскольку предполагается, что единица уже учтена в полной мощности нагрузки.

Применение устройств плавного пуска двигателей может вносить понижающий коэффициент. Заметим, что классический контакторный старт “звезда – треугольник” не всегда помогает. Чтобы он работал как задумано, требуется безобрывное переключение, показатели на контакторах получаются заметно хуже. И к тому же на пониженном напряжении мотор может не успеть раскрутиться, что по факту аналогично полному отсутствию плавного старта.

Так что лучше всего вообще не принимать во внимание плавный старт, тем более что требования приведенных неравенств необременительны, а уменьшить, к примеру, номинал компрессора, увеличив число кондиционеров или чиллеров. Это правильнее и с точки зрения системы охлаждения. Плавный старт на практике полезнее всего в том случае, когда компрессоры питаются от ИБП.

Влияние гармоник нагрузки

Сегодня это в первую очередь те же самые двигатели, но с электронным регулятором скорости вращения (VFD). По общему мнению, следует давать двойной запас мощности генератора в кВт от номинала инвертора, если применяется тиристорный выпрямитель, и запас 1,6 в случае транзисторного выпрямителя. Подчеркну, что учитывается номинал инвертора, а не подключенного к нему двигателя. Пусковых токов как таковых эта нагрузка не имеет, зато может иметь отрицательный cosj, а это, как указывалось в предыдущей статье, может крайне негативно влиять на генератор.

Кстати, модные ныне чиллеры с турбинными компрессорами и инверторные компрессоры кондиционеров могут представлять собой именно такую нагрузку. Внимательно изучайте документацию по инсталляции.

С подключением ИБП обычно бывает больше всего недопонимания, хотя тема сама по себе крайне простая. В первую очередь подсчитываем фактическое потребление, т. е. учитываем номинал, работу зарядного устройства и КПД. Получаем, что для ИБП на 100 кВт полезной нагрузки приходится примерно 130–150 кВт потребления.

Проверяем, имеет ли ИБП плавный пуск, иначе расчеты придется проводить с учетом падения напряжения при включении, т. е. сразу минимум 2,5 номинала по кВт. Причем это будет не мощность запаса генератора, а реальная мощность двигателя. К счастью, на сегодня таких моделей практически не выпускают.

Далее вносим поправку на тип входного выпрямителя – для транзисторных выпрямителей она не нужна, далее мнения расходятся: для 12-пульсных и шестипульсных с фильтром даются значения от 1,15 до 1,6, для шестипульсных – от 1,4 до 2,3. Почему такое расхождение? С минимумом запаса справится хороший генератор, максимум запаса предполагает, что искажения в сети будут более или менее нормальными и сами ИБП не откажутся работать на «испорченной» ими же сети. Кстати, для обычных компьютеров (не серверов), дешевых светодиодных светильников и тому подобного оборудования запас должен быть таким же, как для шестипульсного выпрямителя, т. е. 2,3. Это именно запас генератора, а не реальное потребление. Чтобы неповадно было использовать такие ИБП, автор рекомендует принимать максимум запаса. В итоге получаем очередное неравенство:

G2 > P + (Pups6p × 1,3) + (Pups12p × 0,6) + S(Pvfd × 1,0)

Проблемы выбора: научный подход

Систематизируем предыдущие рассуждения. Итак, составляем таблицу, в которой перечислены все отдельные потребители гарантированного питания, их проектная мощность, максимальный рабочий ток, cosj (со знаком), коэффициент нелинейных искажений THDi, пусковой ток, пусковой cosj (со знаком), время задержки включения, чувствительность к уходу частоты и напряжения. К сожалению, в наших приложениях не слишком получается задавать порядок запуска. Достаточно уже того, что мы можем гарантировать отсутствие одновременного запуска компрессоров.

Аналогичная хронограмма составляется для запуска в условиях минимально возможной нагрузки.

В итоге получаем хронограмму состояний системы – от момента подачи напряжения генератора до установившегося состояния. Если в процессе выясняется, что cosj отрицателен, это очень плохо, возможно, во время запуска придется предусматривать подключение резистивного нагрузочного банка или даже реактора.

Если нет, в конечном счете получаем максимум, который требуется по условию стартовых токов и запасов, максимум нагрузки, рабочая нагрузка и минимально возможная нагрузка. По первым двум числам выбирается номинал, третье используется для расчетов расхода топлива, а последнее показывает, какой нужно иметь нагрузочный банк, чтобы обеспечить беспроблемную работу в любых условиях. Напомним в очередной раз: условия должны выполняться для мощности в кВт и кВА.

Далее берем каталог, проверяем температуру и высоту инсталляции и вносим соответствующие поправки. Выбираем конкретную модель. Разумеется, регулятор напряжения нужно брать цифровой, с питанием на вспомогательном генераторе с постоянными магнитами. Надежность и стабильность важнее небольшой экономии. Кроме того, такой регулятор лучше всего держит частоту и напряжение, следовательно, потребность переразмеривать генератор будет минимальной. Так что в итоге решение, возможно, даже окажется дешевле. К тому же практика показывает, что с механическими регуляторами ИБП не работают в принципе. А при использовании самовозбуждения есть некоторая вероятность того, что генератор вообще не запустится либо будет запускаться долго.

Далее проверяем, чтобы в процессе подключения нагрузки напряжение и частота не выходили за пределы допустимого для уже подключенного оборудования и непосредственно для нагрузки. Это делается по графикам для конкретной модели.

Затем добавляем запас на компенсацию гармонических искажений, который получается умножением суммарных токов гармоник на сопротивление обмотки генератора (причем в зависимости от типа намотки провода сопротивление может быть разным). Соответственно выбирается более мощный генератор или установка.

Впрочем, у производителя, как правило, есть программа, которая по составленной вами таблице проведет подбор оптимального устройства. Так что обращайтесь к производителю, но результаты вычислений на всякий случай проверьте сами.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!