Как выбрать ИБП мощностью от 30 до 400 кВт для потребителей I и II категорий энергоснабжения (с дизель-генератором)

Для выбора ИБП и дизельной электростанции необходимо определить следующие данные:

Таблица нагрузок. От подробности и достоверности данного документа зависит правильность расчётов и выбора оборудования.

• Номинальное напряжение (как правило, 220 или 380 В) и число фаз (1 или 3).
• Потребляемая мощность активная в установившемся режиме работы (в кВт).
• Потребляемая мощность полная в установившемся режиме (в ВА) и коэффициент мощности. Для реактивных потребителей желательно указание характера реактивности – емкостный или индуктивный.
• Потребляемая мощность в пусковом режиме (полная или активная, или потребляемый ток), а также примерная длительность пускового режима. Происходит ли запуск данного потребителя только при восстановлении подачи электропитания, или он включается и выключается периодически (например, привод лебёдки или компрессор). Для асинхронных электродвигателей желательна информация о величине коэффициента мощности при пуске (как правило, она составляет от 0,35 до 0,6).
• Требование по бесперебойности (нужно ли питать данного потребителя от ИБП) или допустимая длительность перерыва подачи электропитания. Если такого требования нет, то данный потребитель будет учитываться как нагрузка для системы гарантированного электропитания с возможным перерывом питания до 90 сек.
• Требование по уровню надёжности системы электропитания (или по степени резервирования – например, N+1).
• Требование по длительности автономной работы (в мин, часах).

Характеристики сети: режим нейтрали (TN-C, TN-S), необходимость выполнения гальванической развязки (фазных линий, нейтрального проводника), наличие ограничения по потребляемой мощности.

Характеристики уже установленного оборудования (например, установленного ИБП, к которому нужно подобрать ДГУ или уже функционирующего ДГУ, от которого осуществляется резервное питание предполагаемой системы ИБП). Как правило, указания только названия модели недостаточно – требуется информация по конфигурации входного каскада для ИБП, установленным регуляторам напряжения для ДГУ.

Ограничения по месту установки (занимаемая площадь, общая и удельная нагрузка на пол, максимальное тепловыделение).

Требования по мониторингу (какая информация нужна, какой требуется/существует способ доступа и среда передачи данных – локальная сеть (протокол TCP/IP, SNMP), доступ через коммутируемую телефонную сеть общего пользования, радиодоступ, GSM сеть).

Определяется архитектура системы – будет ли она состоять только из ИБП, только из ДГУ или их комбинации. Наличие в списке требований указания на бесперебойность однозначно свидетельствует о необходимости использования ИБП. Требование длительного времени автономной работы (свыше 1 часа) приводит к необходимости использования ДГУ. ИБП не является источником энергии: его задача – улучшить качество, но не добавить мощности, поэтому при дефиците мощности на объекте обязательно потребуется разделение нагрузок на группы и организация электропитания одной из групп от резервного ДГУ.

В общем случае нагрузка разделяется на две группы – группа бесперебойного электропитания и группа гарантированного электропитания. В группу бесперебойного питания включаются все потребители, не допускающие перерыва питания или предъявляющие повышенные требования к качеству электроэнергии (стабильность напряжения или частоты, синусоидальность и т.д.). Как правило, эти потребители кроме высоких требований к качеству напряжения требуют длительной поддержки электропитания при аварии городских сетей (то есть необходимо бесперебойное и гарантированное электропитание). В группу гарантированного питания включаются все потребители, требующие повышения уровня надёжности электропитания, но допускающие кратковременное прерывание подачи электроэнергии.

Для каждой группы вычисляется суммарная номинальная и максимальная потребляемая мощность (полная – в кВА и активная – в кВт), коэффициент мощности, определяется требуемая фазность источника электропитания и возможность последовательного и (или) мягкого включения отдельных потребителей.

В случае отсутствия информации по пусковым режимам для потребителей с асинхронными электродвигателями принимается кратность пускового тока 5-7 по отношению к номинальному потребляемому току. При отсутствии указаний на наличие схемы последовательного включения нескольких мощных потребителей при расчётах рассматривается их одновременный запуск.

Выбор ИБП и ДГУ

1. Производится расчёт суммарной потребляемой мощности и других параметров нагрузки бесперебойной группы. При наличии однофазных потребителей рассматривается возможность их равномерного распределения по фазам трехфазной сети бесперебойного электропитания (если потребуется, необходимо уточнить возможность изменения существующей кабельной разводки и монтажа распределительных щитов). Если предполагается использование ИБП с трехфазными входом и выходом, такое распределение позволяет снизить требуемую мощность ИБП, однако его мощность должна выбираться с учётом наиболее загруженной фазы (допускается 100% перекос по нагрузке на выходе, но потребляемая по одной фазе мощность не должна превышать 1/3 номинальной мощности ИБП).
2. Выбирается модель ИБП по мощности, необходимой для питания данной нагрузки. Учитывается номинальная и пусковая мощность, соотношение выходной полной и активной мощности ИБП и потребляемой полной и активной мощности нагрузки (у ИБП оба показателя должны быть больше, чем у нагрузки), а также возможное снижение выходной мощности ИБП при ёмкостной нагрузке. При выборе параллельной системы надо учитывать, что максимальную надёжность имеет система, состоящая из минимального числа элементов (т.е. из двух ИБП).
3. Определяются характеристики АКБ (с учётом требования по времени автономной работы и параметров зарядной цепи ИБП).
4. Проводится расчёт потребляемой мощности на входе ИБП: либо с учётом величины нагрузки на ИБП, его КПД и затрачиваемой на заряд АКБ дополнительной мощности, либо по техническим данным на ИБП (раздел «Выпрямитель», параметр – максимальная потребляемая мощность при номинальной нагрузке и заряде АКБ).
5. Рассчитывается суммарная мощность нагрузки гарантированной группы (пока без учёта ИБП), планируется поочерёдный запуск мощных потребителей.
6. Анализируется возможность (или необходимость) реализации последовательного запуска параллельных или нескольких одиночных ИБП (для уменьшения броска тока при подаче электроэнергии от ДГУ) и/или отключения заряда АКБ (для уменьшения мощности, потребляемой от ДГУ).
7. Выбирается модель ДГУ с учётом суммарной потребляемой мощности (гарантированная группа + потребляемая мощность ИБП). Учитывается номинальная и пусковая мощность нагрузки, соотношение выходной полной и активной мощности ДГУ и потребляемой полной и активной мощности нагрузки – у ДГУ оба показателя должны быть больше, чем у нагрузки. Выходной коэффициент мощности ДГУ принимается равным 0,8. Проводится проверка выбранной модели ДГУ с точки зрения просадки выходного напряжения при набросе нагрузки.
8. Проводится расчёт величины искажения синусоидальности кривой напряжения на входе ДГУ (с учётом характеристик входного каскада ИБП).
9. Проверяется необходимость увеличения мощности ДГУ для компенсации нелинейных искажений или замены модели ИБП на ИБП с входным фильтром или транзисторным выпрямительным каскадом. При выборе более мощного ДГУ необходимо учитывать требование по минимальной загрузке ДГУ при работе на нагрузку (не менее 30% его номинальной мощности).

Расчёт АКБ для ИБП

При расчёте и построении системы АКБ следует избегать параллельного соединения более чем 4-х линеек АКБ. Максимально разрешённой изготовителями АКБ считается конфигурация из 6 параллельно включённых линеек.

Величина зарядного тока должна лежать в пределах от 10% до 25% величины ёмкости АКБ, выраженной в А. Для 10-летних батарей допускается заряд меньшим током (до 5% от ёмкости). Номинальным для ИБП считается режим, при котором величина тока в начале заряда составляет 20% ёмкости.

При комплектации ИБП аккумуляторной батареей большой ёмкости необходимо согласовать увеличенное (по сравнению с типовым - 8 часов) время восстановления полного заряда, которое может составлять от 12 часов до нескольких суток. Такая ситуация обязательно должна быть согласована с заказчиком, поскольку возможно, что такое длительное время восстановления ёмкости является недопустимым и потребуется выбрать более мощный ИБП.

Важный ограничительный фактор – потребляемая ИБП от сети мощность может сильно возрасти по сравнению с мощностью нагрузки (поскольку для быстрого заряда большой АКБ требуется мощность, соизмеримая с мощностью нагрузки). Если на объекте система электропитания уже реализована без запаса по мощности, то данное требование может стать невыполнимым.

Указанное в документации время заряда АКБ (от 4 до 8 часов) справедливо для АКБ на 10-20 минут автономной работы ИБП на номинальную нагрузку при её заряде номинальным (20% от величины ёмкости) током.

При подключении нагрузок с большими пусковыми токами к выходу ИБП не рекомендуется подбирать мощность ИБП таким образом, чтобы при их пуске ИБП переходил в режим перегрузки, особенно для потребителей, работающих в старт-стопном режиме (мощные кондиционеры, двигатели подъёмных механизмов). Это приводит к ускоренному выходу из строя полупроводниковых элементов выходного каскада ИБП.

При использовании ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом следует обязательно просчитать режим работы входной сети и ИБП на электронном и/или ручном байпасе, при котором может возникнуть существенный перекос по загрузке входной сети. В общем случае, лучше избегать применения ИБП структуры «3ф вход/1ф выход».

Если планируется длительная работа при аварии входной сети, и в составе системы имеются ИБП, необходимо предусмотреть резервное электропитание систем кондиционирования или вентиляции, которые обеспечивают номинальный температурный диапазон для ИБП. В этом случае кондиционеры должны запитываться от ДГУ. Следует избегать подключения мощных кондиционеров к выходу ИБП, поскольку это приводит к броскам тока при запуске компрессора.

Выбор ДГУ и его комплектация:

Для ДГУ, работающей в качестве основного источника электроэнергии, среднесуточный коэффициент загрузки должен быть не выше 80%, возможна её кратковременная работа с перегрузкой не более 10%. Для автоматической ДГУ с АВР загрузка может достигать 100%, перегрузка при работе недопустима.

Для ДГУ как основного источника электроэнергии или резервного ДГУ с длительным временем резервирования (12-24 часа и больше) может потребоваться монтаж дополнительной топливной системы и дополнительного бака для смазочного масла.

Пример расчёта параметров ИБП:

Техническое обоснование выбора мощности дизель-генераторной установки для резервного электроснабжения ИБП 60 кВА

Расчет мощности, потребляемой источником от ДГУ

Мощность нагрузки, набрасываемой на ДГУ за один шаг не должна превышать 60% от основной мощности ДГУ (рассматривается активная мощность). Тогда мощность ДГУ:

Рдгу ≥ Рнн/0,6 = 51,5/0,6 = 85,8 кВт

Рекомендуемые модели ДГУ:

• ТЭ.104С-Т400-2РН Iveco,

• ТЭ.104С-Т400-2РН Perkins,

• ТЭ.104С-Т400-2РН Volvo.

Оценка способности ДГУ к «подхвату нагрузки»

Оценивается величина мгновенной просадки напряжения выбранных выше дизель-генераторов, потенциально пригодных для электроснабжения при скачкообразном набросе нагрузки – подключении ИБП. В момент подключения ИБП к генератору наблюдается изменение выходного напряжения генератора, просадка может выйти из допустимого для ИБП диапазона напряжений, ИБП воспримет это как пропадание сети и перейдет на питание от батареи. Генератор окажется в режиме электрического холостого хода и восстановит напряжение и частоту. ИБП, восприняв это как появление сети, вновь перейдёт с батареи на генератор. Подключение нагрузки опять вызовет просадку напряжения и частоты генератора – и процесс повторится.

Величина просадки выходного напряжения зависит от соотношения мощностей ДГУ и ИБП. Чем меньше разность между мощностью ДГУ и пусковой мощностью нагрузки Sпуск, тем больше будет мгновенная просадка напряжения генератора в момент подключения ИБП.