Решения

Энергоснабжение и электропитание

Улучшение качества электропитания

Улучшение качества электропитания
Одной из специфических черт российской энергетики является нестабильность. Это выражается не только в периодических отключениях электроснабжения, но и в низком качестве электропитания. Причины этого явления могут быть различными: начиная от общей изношенности инфраструктуры или использования воздушных линий электропередач и заканчивая недостаточной квалификацией специалистов, выполнявших электротехнические работы на объекте. Итог один – некачественное электропитание, то есть скачки или колебания напряжения; импульсные скачки при перепадах энергопотребления и другие отклонения от требований ГОСТа.
Если отключения электроснабжения невозможно не заметить, то на нестабильность его качества часто не обращают внимания. Тем временем, «плавающие» параметры электропитания способны породить массу проблем. Например, при снижении напряжения на 10% световой поток ламп накаливания снижается на 40%, люминесцентных ламп – на 15%; срок службы электродвигателя снижается вдвое, повышается длительность технологических процессов, могут возникнуть сбои в работе компьютерного оборудования и высокоточных электронных систем. 
Задача обеспечения бесперебойного электропитания и стабилизации параметров электропитания может решаться специалистами «РубаТех» разными способами – все зависит от используемого заказчиком оборудовании и условий его эксплуатации.
 
Источники бесперебойного питания 
Установка источников бесперебойного питания (ИБП) является распространенным способом улучшения качества электропитания серверного оборудования и персональных компьютеров. 
Типы используемых ИБП при этом могут быть различными. Так, источник бесперебойного питания типа офф-лайн (резервный) питает подключенное оборудование от сети, а при исчезновении напряжения во внешней сети переключается на питание от собственных батарей. Такое оборудование достаточно дешево, но эффективно только при кратковременных исчезновениях напряжения во внешней сети. Кроме того, на выходе ИБП такого типа даже при питании от собственных батарей выдают не правильную синусоиду, а ее грубую аппроксимацию. Еще один недостаток, делающий ИБП такого типа непригодным для техники, чувствительной к качеству электропитания – скачкообразное изменение напряжения, частоты и формы выходного напряжения при переходе на питание от батареи.
Интерактивные источники бесперебойного питания имеют на входе трансформатор, что дает возможность получать более стабильное напряжение, в широком интервале величин входного напряжения. Такой ИБП обеспечивает защиту от кратковременных исчезновений или перепадов внешнего напряжения, пиков, но помехи отфильтровываются не полностью. Также к недостаткам устройств такого типа можно отнести невозможность стабилизации выходного напряжения, и опять-таки скачки при переходе на батарейное питание. Интерактивные ИБП подходят в случаях, когда необходимо контролировать величину входного напряжения электропитания, но не его спектральные характеристики. 
ИБП он-лайн типа работают по схеме двойного преобразования напряжения: входное переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянный ток, который питает батарею и подается на инвертор. После этого постоянный ток вновь преобразуется в переменный и идет на выход ИБП. Любая просадка внешнего напряжения будет немедленно компенсирована, благодаря наличию включенной перед инвертором батареи. Такие устройства дороже, но иногда они являются единственным возможным вариантом: например, в случаях с медицинским оборудованием, сбои в работе которого нельзя допустить даже на короткий промежуток времени (реанимационное оборудование, аппараты искусственного дыхания и т.д. ). 
Но аккумуляторы ИБП не рассчитаны на длительное время работы – они дают возможность корректно выключить оборудование при отключениях электроэнергии, но не позволяют продолжить работу длительное время. По той же причине в случае систематических проблем с качеством энергии использование ИБП не всегда помогает избежать сбоев в работе оборудования. 
Это ограничение можно снять, используя ИБП в «связке» с электрогенератором – дизельным, бензиновым или газовым. В таком случае при прекращении подачи энергии ИБП будут поддерживать работу оборудования до момента запуска генераторов. При использовании такой двухступенчатой системы необходим тщательный расчет мощности и характера нагрузки, временных параметров переходных процессов при запуске ДГУ. ИБП должен обеспечить работу оборудования до момента переподключения к автономному источнику питания, а мощность генератора в свою очередь должна быть рассчитана на то, что она не только обеспечит работу оборудования, но и позволит восстановить разряженную батарею ИБП.
 
Сетевые стабилизаторы
В случае систематических перепадов напряжения одним из наиболее эффективных решений является установка сетевого стабилизатора. Задача таких устройств – нормализация напряжения и приведение его значения к показателям, соответствующим ГОСТу, независимо от качества питания на входе. При этом на другие характеристики электропитания стабилизатор не влияет.
Стабилизаторы могут отличаться по классу точности, внутреннему устройству, мощности встроенного автотрансформатора, предельным значениям минимального и максимального напряжения на входе, а также рядом других параметров. 
Феррорезонансные стабилизаторы – самый старый из существующих типов стабилизаторов. Они отличаются высокой надежностью и могут быть рассчитаны на чрезвычайно высокую мощность, но в то же время диапазон входного напряжения стабилизации у них узок, кроме того, они очень массивны и габаритны, что влечет за собой высокую стоимость и характерный низкочастотный гул. 
Сервоприводные стабилизаторы также производятся довольно давно, но актуальности не утратили до сих пор. Их отличает высокая надежность при применении в «спокойных» сетях, где нет резких скачков напряжения, умеренная цена, хороший КПД, плавность регулирования выходного напряжения, возможность изготовления изделий на очень большую мощность. В то же время в «неспокойных» сетях стабилизаторы такого типа практически неприменимы, они медленно реагируют на изменение входного напряжения, плюс к этому могут создавать скачки напряжения на выходе. 
Автотрансформаторные стабилизаторы с релейной коммутацией отводов быстро реагируют на изменение входного напряжения, отличаются компактностью, высоким КПД, и в то же время относительно недороги. К недостаткам можно отнести ступенчатость переключения выходного напряжения; не очень высокий ресурс, а также помехи и коммутационные перенапряжения, возникающие при работе силовых контактов.  
У автотрансформаторных стабилизаторов с тиристорной (симисторной) коммутацией отводов высокая точность поддержания входного и выходного напряжения, отличное быстродействие, они компактны и эффективно работают в сетях любого типа и с любой нагрузкой. Кроме того, стоимость их относительно невысока. Но для них также характерна ступенчатость регулирования выходного напряжения.  
Электронные стабилизаторы с двойным преобразованием по сути являются преобразователями напряжения – в установке подобного типа вся энергия сети переменного тока преобразуется сначала в постоянный ток, затем с помощью мощного инвертора опять преобразуется в переменный ток, что обеспечивает «на выходе» ток высочайшего качества и позволяет поддерживать электропитание при кратковременных провалах. В то же время у электронных стабилизаторов низкий КПД, большие габариты и масса, они достаточно дорого стоят и требуют периодического технического обслуживания. 

Сетевые кондиционеры
Сетевые кондиционеры представляют собой разновидность стабилизатора напряжения, но с дополнительными защитными системами. Они не только контролируют напряжение, но и осуществляют его фильтрацию, а также обеспечивают гальваническую развязку вход-выход, нормализуя при этом сразу несколько параметров электропитания. Это позволяет комплексно улучшить качество электропитания, избавившись от отклонений напряжения от номинального значения, высокочастотных помех, высоковольтных всплесков и так далее. 
Такие устройства обычно используются в случаях, когда речь идет о нагрузке большой мощности, требующей при этом электропитания хорошего качества. Например, если к одной линии электропередач подключены производственная площадка и кузнечный цех, то при включении молота в сети резко возникают искажения, влияющие на работу другого оборудования. Сетевой кондиционер в этом случае будет компенсировать помехи, выдавая на выходе ток нормальных параметров.
Также сетевой кондиционер может быть использован в случае, когда необходимо обеспечить питание большой мощности – и при этом высокого качества. Например, на современных станках, управляемых контроллерами, электропитание на двигатель и управляющее устройство подается нераздельно. В противном случае контроллер можно было бы запитать от ИБП онлайнового типа, но с учетом суммарной мощности станка такое решение оказывается неоправданно дорогим. В таком случае установка сетевого кондиционера оказывается более оправданной. 
Сетевые кондиционеры применяются и в тех случаях, когда при достаточно высоких потребляемых мощностях предъявляются особые требования к качеству электропитания — например, в районах, наиболее подверженных постоянным скачкам напряжения, сильным электромагнитным наводкам, коммутационным и высокочастотным помехам и т.д. 
 
* * *

Таким образом, единственного универсального рецепта для улучшения качества электропитания не существует: схемы, применение которых абсолютно уместно в одном случае, могут оказаться неэффективными или неоправданно дорогими в другом. Перед тем, как предложить тот или иной вариант решения проблемы, специалисты «РубаТех» анализируют причины нестабильности электропитания и только после этого делают выбор в пользу того или иного типа оборудования. 

На практике: 
В офисе компании, располагавшемся рядом с крупным машиностроительным заводом, каждый день одновременно «зависали» или начинали самопроизвольную перезагрузку компьютеры, а лампы накаливания в это же время начинали гореть вполнакала. 
Специалисты «РубаТех» проверили качество электропитания и выяснили, что при подключении мощного оборудования на заводе, подключенном к той же подстанции, напряжение в сети падало, причем очень резко (на разных фазах – с 220 до 150-180В). Несмотря на то, что компьютерное оборудование было подключено к бытовым ИБП, таких перепадов напряжения оно не выдерживало. Кроме того, кондиционеры и холодильники работали в нерасчетном режиме, что сокращало срок их службы. 
Проанализировав ситуацию, специалисты нашей компании установили в офисе заказчика электромеханический стабилизатор мощностью 20кВА. Это позволило обеспечить пофазную стабилизацию электропитания и улучшение его качества. 
Почему в данном случае выбор был сделан именно в пользу электромеханического стабилизатора? Они имеют достаточно большой рабочий ресурс (в несколько раз больший, чем стабилизаторы на электронных ключах и реле) и высокую точность удержания выходного напряжения; плавность регулировки напряжения со скоростью от 20 до 50 В/сек. Использование электромеханического стабилизатора в отличие от стабилизаторов на симисторах позволяет избавиться от помех и искажений формы напряжения как на нагрузке, так и в сети. Кроме того, они имеют хорошую нагрузочную способность и широкий диапазон коррекции входного напряжения.

* * *

Один из заказчиков компании имеет центральный офис в Москве и несколько региональных подразделений. Центральный офис, располагающийся в центре Москвы в старом здании, неоднократно оставался без электропитания, причем время его отключения бывало достаточно большим – несколько часов. Поскольку работа региональных подразделений требовала доступа к данным из центрального офиса, встала задача обеспечения центральной серверной системой бесперебойного питания длительного действия. Несмотря на то, что мощность критически важного оборудования составляла всего порядка 10кВА, а требуемое время автономной работы было вполне разумным (8 часов), стоимость защиты серверной ИБП оказывалась неоправданно высокой.
Специалисты компании «РубаТех» предложили решение с использованием связки ИБП с временем автономной работы порядка 20 минут и ДГУ. Решение оказалось втрое дешевле, чем первоначальное. При этом компания «РубаТе» взяла на себя разработку проекта, его согласование и установку оборудования.