М.Е. Вихров, С.А. Янченко, А.В. Рагуткин
Микропроцессорная защита SEPAM
Методическое пособие к лабораторным работам
по курсу
«Автоматизация управления системами электроснабжения»
для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению
«Электроэнергетика и электротехника»
Москва Издательство МЭИ 2017
УДК
Б754
УДК: 658.26:621.311:651.398 (072)
Утверждено учебным управлением НИУ МЭИ
Рецензент: канд. техн. наук проф. М.А. Слепцов
Подготовлено на кафедре электроснабжения промышленных предприятий
Вихров М.Е., Янченко С.А., Рагуткин А.В.
Микропроцессорная защита SEPAM: методическое пособие к лабораторным работам по курсу «Автоматизация управления системами электроснабжения» - М.: Издательство МЭИ, 2013. – 31 с.
Представлены описания стендов лабораторных работ для изучения принципов выполнения максимальной токовой защиты, защиты минимального напряжения и автоматического повторного включения линий на микропроцессорных терминалах SEPAM 1000+ серий 20, 40, 80.
1. Классификация электроприемников по надежности электроснабжения.
В отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на следующие три категории [1].
1.1. Электроприемники первой категории.
Электроприемники первой категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения [1].
Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания [1].
Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров [1].
Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания [1].
Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения [1].
1.2. Электроприемники второй категории
Электроприемники второй категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей [1].
Электроприемники второй категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания [1].
Для электроприемников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады [1].
1.3. Электроприемники третьей категории
Электроприемники третьей категории - все остальные электроприемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий [1].
Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток [1].
2. Ответственные потребители.
Последнее время всё большее распространение получают технологии и агрегаты, требующие бесперебойного электроснабжения. Особенно это актуально для таких передовых в технологическом и информационном плане городов, как Москва. С каждым годом доля чувствительной нагрузки увеличивается в основном за счет повсеместной компьютеризации производственных процессов. Практически все промышленные объекты и административные здания содержат в своей структуре ответственные электроприемники. Под ответственными потребителями понимаются потребители первой категории и особой группы по бесперебойности электроснабжения. Такие приемники в большинстве своем чувствительны к перерывам электроснабжения и отклонениям параметров качества электроэнергии от номинальных. Перерыв электроснабжения ответственных потребителей может за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.
К таким объектам относятся [2]:
· нефтеперерабатывающие предприятия – I-ая категория: все электроприемники, относящиеся к технологическому процессу и системам пожаротушения. Особая группа: электродвигатели воздушных охладителей продуктов, электрозадвижки, автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) (распределенная система управления и противоаварийная защита – РСУ/ПАЗ), релейная защита и автоматика (РЗиА), эвакуационное освещение;
· химические комбинаты;
· металлургические предприятия – I-ая категория: линии непрерывной разливки стали, прокатные станы, электроножницы, холодильники, печи для разогрева проката; особая группа: АСУ ТП, РЗиА, эвакуационное освещение;
· цементные заводы;
· газо- и нефтепроводы - I-ая категория: все электрооборудование компрессорных и перекачивающих станций; особая группа: электрозадвижки, АСУ ТП, РЗиА, эвакуационное освещение;
· карьеры;
· информационно-вычислительные комплексы;
· системы собственных нужд электростанций – особая группа.
Для обеспечения электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого источника питания. В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы:
1) Местные электростанции,
2) Электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения),
3) Предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания,
4) Аккумуляторные батареи.
3. Выбор системы заземления нейтрали при питании ответственных потребителей
Электрические сети напряжением до 1 кВ с разными системами заземления значительно отличаются друг от друга по степени бесперебойности электроснабжения потребителей, условиям и способам обеспечения электробезопасности, требованиям к заземляющим устройствам, простоте и удобству проектирования и эксплуатации [3]. В [4,5] приводится сравнительный анализ сетей TN, IT и TT.
Тип системы заземления обозначают двумя буквами. Первая буква указывает на характер заземления источника электропитания:
Т — непосредственная связь нейтрали источника электропитания с землей;
I — нейтраль источника электропитания изолирована или соединена с землей через большое сопротивление.
Вторая буква определяет состояние заземления:
Т — раздельное (местное) заземление источника электропитания и электрооборудования;
N — источник электропитания заземлен, а заземление потребителей производится только через PEN-проводник.
3.1. Система заземления TN
В системе TN питающие сети имеют непосредственно присоединенную к земле точку. Открытые проводящие части электроустановки присоединяются к этой точке посредством нулевых защитных проводников.
В зависимости от устройства нулевого рабочего и нулевого защитного проводников различают следующие три типа системы TN:
Система TN-C (рисунок 1.3) — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники совмещены в одном проводнике на всем ее протяжении;
Система TN-S (рисунок 1.4) — система TN, в которой нулевой защитный и нулевой рабочий проводники разделены на всем ее протяжении;
Система TN-C-S (рисунок 1.5) — система TN, в которой функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном проводнике в какой-то ее части, начиная от источника питания.
Рисунок 1.3 – Система TN-С
1 — заземление источника питания; 2 — открытые проводящие части
Рисунок 1.4 – Система ТN-S
1 — заземление источника питания; 2 — открытые проводящие части
Рисунок 1.5 – Система TN-С-S
1 — заземление источника питания; 2 — открытые проводящие части
Однофазные замыкания сетях с системой заземления TN должны автоматически отключаться с помощью защиты от сверхтоков, для чего ток однофазного КЗ должен быть достаточно большим, а сопротивление петли фаза-нуль — весьма малым. Надежность срабатывания защиты от сверхтоков обеспечивается при проектировании путем расчета, а в период эксплуатации — путем измерения сопротивления петли фаза-нуль. Прямое прикосновение в сетях с системой TN всегда опасно, так как напряжение прикосновения равно фазному напряжению сети, но и косвенное также может быть опасно.
Преимущества сетей с системой TN:
· возможен отказ от УЗО;
· экономия средств при схеме TN-C благодаря устранению одного полюса выключателей и одного проводника;
· не требуется постоянный эксплуатационный надзор.
Однако для сети с системой TN характерны низкая степень бесперебойности электроснабжения вследствие отключения питания при однофазном замыкании на корпус (60 - 85 % всех повреждений в сети) и большой ток однофазного КЗ, часто являющийся причиной пожара. Кроме того, из-за необходимости проверки сопротивления петли фаза-нуль при проектировании и эксплуатации персонал должен иметь достаточно высокую квалификацию.
В настоящее время согласно [1] электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и промышленных зданий и наружных установок должны, как правило, получать питание от источника с глухозаземленной нейтралью с применением системы ТN (следует отметить, что в 1.1.17 [1] словосочетание «как правило» означает, что данное требование является преобладающим, а отступление от него должно быть обосновано).
Cистема TN нашла широкое распространение в Англии, Германии и США. Эта система позволяет иметь только одну защиту сети (защиту от сверхтоков), которая действует при всех видах КЗ, но большой ток однофазного КЗ является ее главным недостатком. Поэтому данную систему не следует рекомендовать, например, для питания потребителей, где существует высокая пожарная опасность.
3.2. Система заземления IT
В сети с системой заземления IT (рисунок 1.6) нейтраль изолирована от земли или присоединена к ней через большое сопротивление, а корпуса соединены между собой и с землей. Прямое прикосновение здесь может быть опасно при большой емкости сети или при плохой изоляции, косвенное же прикосновение безопасно, поскольку ток однофазного замыкания весьма мал.
Рисунок 1.6 – Система IT
1 — сопротивление; 2 — заземление источника питания; 3 — открытые проводящие части; 4 — заземление корпусов оборудования
При первом замыкании (единственном однофазном замыкании в сети) быстрое отключение не требуется. Первое замыкание сигнализируется с помощью устройства контроля изоляции, включенного между нейтралью и землей. Получив сигнал, персонал отыскивает повреждение и устраняет его в удобное для потребителей время. При двойном замыкании установка автоматически отключается с помощью защиты от сверхтоков. Надежность отключения при таком замыкании обеспечивается путем расчетов (при проектировании) или замеров сопротивления петли фаза–нуль (при эксплуатации).
Преимущества сети с системой IT:
· высокая степень бесперебойности электроснабжения и электробезопасности как при прямом, так и при косвенном прикосновениях (при условии хорошей изоляции остальных фаз и нейтрали);
· наименьшая опасность пожара;
· возможен отказ от УЗО.
Наряду с указанными преимуществами имеются следующие недостатки:
· необходим эксплуатационный надзор;
· персонал должен иметь достаточно высокую квалификацию для отыскания места первого замыкания на корпус и не допускать длительной работы сети с заземленной фазой или нейтралью;
· требуется высокий уровень изоляции сети, для чего протяженные сети делят на участки, электроприемники с плохой изоляцией подключают через разделительные трансформаторы и т. п.;
· прямое прикосновение в поврежденной (с заземленной фазой), но работающей сети более опасно, чем а сетях с системами ТТ и TN, поскольку напряжение прикосновения равно линейному напряжению сети;
· велика вероятность дуговых перенапряжений, связанных с появлением перемежающейся дуги при однофазном замыкании на землю и приводящих к переходу однофазного замыкания в двух- и трехфазное;
· при однофазном замыкании трёхфазные потребители работают при линейном напряжении, соответственно, потребители должны быть готовы к работе в таком режиме.
Автоматическое отключение должно происходить только при двойном замыкании. В этом случае напряжение косвенного прикосновения может быть опасным. Защита от сверхтоков должна обеспечить отключение хотя бы одного из двух поврежденных участков.
Если нейтральный провод не распределен по сети (распределены три фазы и РЕ-проводник), то ток двойного замыкания Iк — это ток двухфазного (междуфазного) КЗ. Если рабочий нейтральный провод распределен, то возможно двойное замыкание между нейтральным и фазным проводами (однофазное КЗ), тогда ток Iк — ток однофазного КЗ (он меньше тока междуфазного КЗ). Кроме того, этот ток может быть примерно вдвое меньше соответствующего тока в аналогичной сети TN. Если два электроприемника, в которых произошли замыкания на корпус (в первом — фазы, во втором — нейтрали) равноудалены от источника питания, то длина и сопротивление петли фаза–нуль будут вдвое больше, чем для одного электроприемника в сети с системой TN, а ток Iк — примерно вдвое меньше (сопротивлением источника пренебрегаем). Именно этот ток должен быть принят за расчетный для проверки автоматического отключения.
В сети с системой IT необходима установка пробивного предохранителя между нейтралью трансформатора и землей (или между фазой и землей, если нейтраль недоступна) - п. 1.7.63 ПУЭ [1]. Он предназначен для защиты сети НН от опасного повышения напряжения в случае пробоя изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Система IТ обеспечивает самую высокую степень бесперебойности электроснабжения, пожаро- и электробезопасности, но это не означает, что ее нужно использовать во всех случаях [6,7,8].
Система IT применяется во всех развитых странах в сетях, используемых для питания потребителей с высокими требованиями к бесперебойности и электробезопасности, например, в системах питания аэропортов, госпиталей, информационно-вычислительных центров.
3.3. Система заземления TT
В сети с системой ТТ (рисунок 1.7) нейтраль источника питания глухо заземлена, а корпуса оборудования соединены между собой и подключены к другому заземляющему устройству. При однофазном замыкании защита от сверхтоков не может обеспечить его автоматическое отключение, так как ток замыкания ограничен двумя сопротивлениями заземляющих устройств (корпусов и нейтрали источника), включенными последовательно. В такой сети прямое прикосновение всегда опасно, поскольку напряжение прикосновения равно фазному напряжению сети, но и косвенное прикосновение также может быть опасно. Для автоматического отключения однофазных замыканий необходима установка хотя бы одного УЗО в начале сети, а лучше — на всех отходящих линиях (п. 1.7.59 ПУЭ [1]).
Рисунок 1.7 – Система TT
1 — заземление источника питания; 2 — открытые проводящие части; 3 — заземление корпусов оборудования
Преимущества сети с системой ТТ:
· простота эксплуатации (не требуется проверка сопротивления петли фаза–нуль с целью обеспечения срабатывания защиты от сверхтоков, достаточно лишь периодически проверять исправность УЗО);
· отсутствие необходимости постоянного эксплуатационного надзора;
· меньшая по сравнению с сетью TN опасность возникновения пожара и порчи оборудования, поскольку ток однофазного замыкания невелик.
Вместе с тем для этой сети характерна низкая степень бесперебойности электроснабжения вследствие отключения питания при однофазном замыкании на корпус (60 - 85 % всех повреждений в сети). Кроме того, в них обязательно применение УЗО, стоимость которых довольно высокая, а отключения будут происходить часто.
В настоящее время согласно п. 1.7.59 ПУЭ [1] применение системы ТТ допускается "только в тех случаях, когда условия электробезопасности в системе TN не могут быть обеспечены".
Система ТТ наиболее проста в проектировании и эксплуатации, обеспечивает сравнительно небольшой ток однофазного КЗ, что благоприятствует пожарной безопасности и сохранности электрооборудования, но требует большого количества УЗО. Она широко распространена в странах Западной Европы (кроме Англии и Германии) и в Японии [9].
При выборе режима нейтрали учитывают отличительные особенности разных режимов и местные условий, в частности:
· техническую характеристику электроустановки;
· эксплуатационные требования и условия;
· условия обеспечения безопасности персонала.
3.4. Анализ систем заземления нейтрали и выбор наилучшей с точки зрения бесперебойности питания потребителя
В качестве меры по повышению бесперебойности питания ответственных потребителей можно предложить использование системы заземления IT, которая в нашей странен имеет широкого применения. С точки зрения бесперебойности электроснабжения система заземлении IT гораздо более выгодна, чем система заземления TN, которая сейчас применяется в большинстве случаев, и система заземления TT. Это связано с тем, что при первом замыкании быстрое отключение не требуется. Первое замыкание сигнализируется с помощью устройства контроля изоляции, включенного между нейтралью и землей. Получив сигнал, персонал отыскивает повреждение и устраняет его в удобное для потребителей время. Таким образом, получается, что однофазное замыкание на корпус электрооборудования отключать не обязательно. А однофазные замыкания на корпус оборудования составляют до 80% процентов всех повреждений сети. Ввиду того, что наибольшее количество сетей до 1 кВ имеют систему заземления типа TN, предлагается осуществлять переход на сеть с системой заземления типа IT посредством установки разделительных трансформаторов, которые будут размещаться непосредственно у потребителей, бесперебойная работа, которых нам важна.
Принимая во внимание постоянный рост числа потребителей, схема электроснабжения которых требует использование системы заземления IT (например, госпитали, вычислительные центры и т.д.), можно констатировать, что разработка методики обеспечения защиты для сети с переходом системы заземления нейтрали с заземленной на изолированную является актуальной научной задачей.
Соответственно, говоря о выборе той или иной системы заземления в качестве системы заземления для сетей питания ответственных потребителей, мы делаем выбор в пользу системы заземления с изолированной нейтралью, поскольку системы заземления TN и TT не устраивают нас, так как в них происходит отключение сети при однофазном замыкании на землю.
4. Виды источников бесперебойного питания.
Для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей особой группы первой категории все чаще используются источники бесперебойного питания (ИБП). На данный момент можно выделить три основных типа таких источников: статического, динамического (вращающегося) и гибридного типа.
4.1. Динамические ИБП.
Рисунок 1 - Динамический ИБП.
Динамические ИБП – ИБП, использующие электромеханические накопители энергии.
Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется устройство для запасания и хранения механической энергии, с последующим ее преобразованием в электрическую.
Электромеханический или маховичный накопитель энергии работает за счет разгона ротора (махового колеса) до высокой скорости и накапливания энергии вращения (кинетической энергии). При торможении махового колеса происходит возвращение энергии.
Для разгона или торможения маховика в большинстве систем с динамическими ИБП применяется электричество, но разрабатываются также устройства, напрямую использующие механическую энергию.
В передовых системах роторы изготовлены из высокопрочных углеродоволокнистых композиционных материалов. Они могут развивать скорость от 20000 до 50000 об/мин в вакуумной камере, в которой закреплены на магнитных подшипниках. Разогнать такие маховики можно за считанные минуты – намного быстрее любых других типов накопителей энергии.
Обычно динамический ИБП состоит из ротора, удерживаемого в вакуумной камере в подвешенном состоянии с помощью подшипников для уменьшения трения, который подсоединяется к электрическому двигателю/генератору.
В сравнении с другими способами накопления энергии данный способ характеризуются долговечностью (могут работать десятилетиями при незначительном сервисном обслуживании или совсем без него), высокими показателями плотности энергии (~ 130 Вт*ч/кг или ~ 500 КДж/кг) и большой максимальной генерируемой мощностью. КПД энергии (отношение количества переданной энергии к количеству полученной энергии) в маховичных накопителях может достигать 90%. Показатели емкости насчитывают от 3 кВт*ч до 133 кВт*ч. Быстрая зарядка системы осуществляется менее чем за 15 минут.
Производимые в настоящее время маховичные аккумуляторные системы обладают теми же показателями накопительных мощностей, что и простые аккумуляторы, а отдают энергию быстрее. Они в основном используются для обеспечения необходимого уровня нагрузки в больших энергонакопительных системах, в частности для осуществления бесперебойного питания и для поддержания необходимого качества электроэнергии в возобновляемых энергетических системах.
Общие эксплуатационные расходы для маховичных накопителей равняются примерно половине стоимости издержек для обычной аккумуляторной системы бесперебойного энергоснабжения. Все техническое обслуживание заключается в ежегодном проведении общих профилактических мероприятий и замене подшипников раз в три года – на эту процедуру уходит около четырех часов.
4.2. Статические ИБП.
Статические ИБП - ИБП, использующие электрохимические накопители энергии.
Рисунок 2 - ИБП статического типа
Рассмотрим основные конструктивные элементы источника бесперебойного питания [10]:
1. Выпрямитель / зарядное устройство
Преобразует переменный ток в постоянный для:
· питания инвертора;
· зарядки и подзарядки батареи.
2. Инвертор получает питание от:
· выпрямителя в нормальном режиме;
· батареи в автономном режиме.
Инвертор предназначен для преобразования постоянного тока в переменный и выдает синусоидальный выходной сигнал с заданной амплитудой и частотой.
3. Батарея предназначена для обеспечения автономной работы в случае:
· отсутствия питания от основной сети;
· несоответствия параметров основной сети установленным параметрам ИБП.
4. Байпас статический предназначен для электроснабжения нагрузки при перегрузке или неисправностях в ИБП.
5. Байпас ручной предназначен для электроснабжения нагрузки во время проведения регламентных работ с ИБП.
4.3. Гибридные ИБП.
Рисунок 4 - Структура гибридного ИБП.
Отличия данных типов ИБП заключается в совместном использовании аккумуляторной батареи и двигатель-генератора.
Принцип работы данного типа ИБП напоминает ИБП статического типа с двойным преобразованием, в сочетании с динамическим фильтром. Питание гибридного ИБП осуществляется через выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный. Выпрямители бывают 6 и 12 импульсные, чем выше разрядность, тем ниже искажение напряжения. В нормальном режиме работы через выпрямитель осуществляется питание инвертера и батареи. При отключении сети, питание инвертера осуществляется с помощью батареи. На выходе из инвертера питание получает блок (синхронный двигатель-генератор), выполняющий роль динамического фильтра. Искажение входного напряжение не влияет на скорость вращения ротора синхронной машины, так как скорость определяется номинальной частотой двигателя, то на выходе генератора получаем качественную электроэнергию. Достоинства динамического фильтра - изоляция входного напряжения двигателя и выходного напряжения генератора.
Если есть отказ в электронике, установка выводится через байпас статической части, и напряжение подаётся сразу на двигатель, что даёт почти 100%-ую защиту линии электропередачи, за исключением аварии всей системы, что мало вероятно. Системный байпас, осуществляет полный обход системы от входа к выходу. Преимущества гибридного ИБП, в его высокой надежности.
5. Особенности работы статических ИБП.
Эти источники не только питают, но и защищают питаемое ответственное оборудование от помех, от внезапного пропадания, повышения, понижения или искажения сетевого напряжения.
5.1. Классификация статических ИБП
Согласно современным стандартам ГОСТ 62040-1-2013 [11], IEC 62040-1-1 [12], IEC 62040-1-2 [13], IEC 62040-1-3 [14] используется универсальная трехступенчатая классификация ИБП.
ИБП классифицируются по зависимости выходного напряжения от сетевого питания, форме кривой выходного напряжения, а также динамических кривых допустимых значений выходного напряжения. Получившаяся трехступенчатая классификация позволяет ликвидировать путаницу с обозначениями ИБП различных производителей и обеспечить лучшую сравнимость различных продуктов. МЭК обязывает заводы-изготовители использовать следующую трехступенчатую классификацию, базирующуюся на эксплуатационных характеристиках ИБП:
ААА – ВВ – ССС.
Первая ступень «ААА» – характеризует зависимость выходных характеристик ИБП от входной силовой сети. Возможны три варианта исполнения:
- «VFD» (voltage frequency dependent) – выходные параметры ИБП зависят от отклонений напряжения и частоты на входе ИБП. Такие ИБП не обладают разделительными трансформаторами, фильтрами электромагнитных помех или варисторами для улучшения характеристик напряжения. При потере питания они переключают нагрузку на питание от батареи в течении 4-8 мс и защищают только от отказов сети, резкого падения напряжения и его пиков. К этому типу относятся устройства, до сих пор именовавшиеся «ИБП резервного типа».
- «VI» (voltage independent) – выходные параметры ИБП практически не зависят от отклонений входного напряжения, но зависят от отклонений частоты питающего напряжения на входе ИБП. Амплитуда напряжения регулируется в пределах 20%. Кроме того, устройства снабжены сетевым фильтром высокочастотных помех. Как и ИБП класса VFD, устройства класса VI защищают от отказов сети, резкого падения и пиков напряжения и дополнительно позволяют, в небольших пределах, сглаживать повышение или понижение напряжения. Классическими обозначениями этой технологии являются «линейно-интерактивные ИБП», «ИБП с дельта-преобразованием».
- «VFI» (voltage frequency independent) – выходные параметры ИБП полностью не зависят от входных отклонений напряжения и частоты. ИБП данного типа защищают от всех возможных вариантов отказов сети и проблем с качеством электроэнергии на входе ИБП. Любые отклонения напряжения, в том числе и перепады нагрузки, могут быть полностью компенсированы. Такие ИБП строят непрерывный промежуточный контур постоянного тока и защищают от воздействия ударов молний, бросков напряжений и колебаний частот, искажений напряжения и гармонических колебаний в питающем напряжении. За счёт преобразования электрического тока из переменного в постоянный и обратно часто именуются «ИБП с двойным преобразованием энергии».
Вторая ступень – «ВВ» – характеризует форму кривой выходного напряжения ИБП в режиме работы от сети (первая буква) и режиме работы от батареи (вторая буква). Возможны следующие варианты:
- «SS» – выходное напряжение синусоидальной формы, при этом коэффициент искажения синусоидальности напряжения не превышает 8%, коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения по каждой гармонике не превышает допустимых нормированных значений во всех режимах работы (при линейных и нелинейных нагрузках).
- «XX» – выходное напряжение несинусоидальной формы при подключении нелинейной нагрузки и синусоидальное при подключении линейной нагрузки;
- «YY» – выходное напряжение несинусоидальной формы при подключении любой нагрузки.
Третья ступень – «ССС» – определяет максимально допустимые динамические отклонения выходного напряжения ИБП в трех режимах:
- при изменении режима работы, например, нормальный режим - питание от батареи - байпас (первая буква);
- при набросе линейной нагрузки в нормальном режиме работы или режиме питания от батареи (вторая буква);
- при набросе нелинейной нагрузки в нормальном режиме или питании от батареи (третья буква).
В каждом из этих трех режимов производитель должен указать, какой из трех кривых допустимого динамического отклонения напряжения [12-14] соответствуют характеристики работы ИБП (рисунок). В обозначении третьей ступени указываются цифры 1, 2 или 3, которые соответствуют номеру кривой в стандарте.
Первая кривая соответствует очень узкому диапазону допустимых значений динамического отклонения напряжения (не более 30 %, в течении 5 мс). Данная характеристика требуется для питания самой критичной и чувствительной нагрузки. Вторая кривая соответствует намного более широкому диапазону динамического отклонения напряжения, что допустимо для большинства критичной нагрузки. Третья кривая допускает еще большую допустимую величину динамического отклонения напряжения, что позволяет запитывать нагрузки систем информационных технологий общего назначения.
5.2. Принципы работы ИБП разных классов
Принцип работы ИБП класса VFD.
В режиме работы от сети (нормальная работа) напряжение от входа ИБП поступает к нагрузке напрямую или через фильтры. Батарея получает зарядный ток, если она разряжена, или поддерживается в заряженном состоянии. В случае отклонения входного напряжения от заданных параметров, которые могут разнится у каждого производителя, ИБП переключается в режим работы от батареи. Нагрузку начинает питать инвертор, разряжая батарею. Батарея поддерживает работу нагрузки в течение некоторого времени, которое зависит от потребляемой нагрузкой мощности, номинальной емкости батареи, ее возраста и степени заряда (обычно это 5 – 10 минут). После разряда батареи, схема управления ИБП, которая следит за разрядом батареи, подает команду на отключение нагрузки. Если через некоторое время напряжение в сети становится нормальным, ИБП возвращается в режим работы от сети и начинает подзарядку батареи.
Для большинства ИБП с переключением характерно:
• Отсутствие хорошей фильтрации и стабилизации выходного напряжения (практически все помехи в городской электросети поступают прямиком в нагрузку, что иногда приводит к выходу её из строя);
• Постоянный переход ИБП в режим работы от встроенных аккумуляторов даже при незначительных падениях и бросках входного напряжения, и, как следствие, для большинства моделей этого класса - низкий срок службы аккумуляторных батарей - до 3 лет (учитывая, что стоимость аккумуляторных батарей может составлять до 40% от общей стоимости ИБП);
• Большое время перехода на аккумуляторы и обратно;
• При работе ИБП от батарей выходное напряжение чаще всего имеет прямоугольную и трапециевидную форму (т.е. таким напряжением нельзя питать нагрузку, имеющую трансформаторный блок питания).
Недостатки данной топологии приводят к тому, что этот тип ИБП применяется преимущественно в сегменте низких мощностей (до 2 кВА).
Принцип работы ИБП класса VI.
В режиме работы от электрической сети входное напряжение фильтруется от шумов и импульсов и поступает к нагрузке. Батарея получает зарядный ток, если она разряжена, или поддерживается в заряженном состоянии также как у ИБП класса VFD. В случае, если напряжение сети становится слишком низким или слишком высоким, ИБП пытается скорректировать величину напряжения, переключая отводы автотрансформатора. Напряжение на выходе ИБП повышается или понижается, приближаясь к номинальному значению. Если напряжение становится настолько низким, что переключение отводов уже не помогает, то ИБП переключается на работу от батареи. Если на вход ИБП поступает напряжение искаженной формы, ИБП также переключается на режим работы от батареи. При переключении в режим работы от батареи, инвертор ИБП, немедленно начинает вырабатывать переменное напряжение, синфазное напряжению сети. Инвертор поддерживает напряжение на нагрузке в течение некоторого времени, зависящего от заряда батареи. Если сетевое напряжение за это время не становится нормальным, после разряда батареи ИБП отключает нагрузку.
Для большинства ИБП класса VI характерно:
• относительная стабилизация и фильтрация выходного напряжения при работе в нормальном режиме;
• псевдосинусоидальная форма выходного напряжения при работе от внутренних батарей, и только у лучших моделей этого класса синусоидальная;
• более широкий диапазон колебаний входного напряжения (в сравнении с ИБП класса VFD), при котором ИБП не переходит на аккумуляторные батареи.
К недостаткам можно отнести отсутствие разделение нагрузки и питающей сети, отсутствие регулировка выходной частоты, слабая защита от перенапряжений и бросков напряжения, низкий КПД при работе на нелинейную нагрузку. ИБП такого класса обычно применяются в диапазоне мощностей до 10 кВА.
Принцип работы ИБП класса VFI.
Работа этих ИБП коренным образом отличается от устройств описанных выше. Выпрямитель этого ИБП не только подзаряжает батарею ИБП, но и снабжает постоянно работающий инвертор ИБП постоянным напряжением. Если в сети есть "нормальное" напряжение, то вся мощность,