SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Новинки систем бесперебойного питания компании Schneider Electric на примере семейства Galaxy V

В статье представлены решения Schneider Electric для систем бесперебойного питания на примере ИБП Galaxy VM. Охарактеризованы преимущества таких решений, как конструктивное исполнение ИБП в виде секций и блоков, применение литий-ионных батарей и др. 

Schneider Electric, г. Москва

Schneider_site.gif

Компания Schneider Electric в части систем бесперебойного питания известна на российском рынке с 2007 года, когда портфель ее продуктов пополнился системами мировых брендов APC и MGE при покупке одноименных компаний. В свою очередь системы бесперебойного питания APC известны в России с 1993 года, чуть позже пришла на российский рынок и компания MGE. Оборудование обоих брендов продолжает надежно работать и защищать подключенную нагрузку, и иногда еще можно встретить работающие без проблем системы тех лет. Разумеется, за 20 с лишним лет электроника сделала большой шаг вперед. Что наиболее заметно обывателю при сравнении персональных компьютеров тогда и сейчас, появились новые технологии и системы: сотовая связь и смартфоны, Wi-Fi и интернет вещей. Системы бесперебойного питания являются более консервативными устройствами по сравнению с электроникой массового потребления, однако изменения происходят и с ними, делая их более дружественными и легкими для эксплуатации, более надежными, современными и эффективными.

В 2015 году Schneider Electric представила рынку первый ИБП, положивший начало целому классу систем, принципиально отличающихся от конкурентов своими характеристиками и возможностями. Речь идет о серии Galaxy V и ее представителе Galaxy VM мощностью 160 и 200 кВА. В основе всей линейки лежат три основных требования, поставленных потенциальными заказчиками перед компанией: обеспечение минимизации операционных и капитальных расходов, а также предоставление более высокого уровня надежности в сравнении с прошлыми сериями. 

Одним из ключевых блоков ИБП двойного преобразования является инвертор, работа которого происходит постоянно и который своим выходом соединен с нагрузкой. Имеет ли нагрузка стартовые токи или далекий от 1 коэффициент мощности, создает ли нагрузка гармоники при своей работе – всё это влияет на инвертор, поэтому ему было уделено особое внимание. Благодаря слаженной работе коллег из центра R&D в Дании, удалось разработать и запатентовать новую схему инвертора, отличающуюся от существующих систем. Речь идет о четырехуровневом инверторе, который при своей работе выдает сигнал четырех уровней на выходные фильтры ИБП, при этом форма этого сигнала больше приближена к синусоидальной, чем сигнал от трехуровневых или двухуровневых инверторов, которые использовались ранее. Это позволило сократить габариты выходных фильтров, снизить тепловыделение и повысить КПД и надежность системы. 

Стоит отметить, что проверка надежности решения осуществляется разными способами. Одним из параметров среды, на который производители ИБП не могут повлиять, является температура эксплуатации. При отказе систем кондиционирования или принудительной экономии заказчиком и эксплуатации ИБП при повышенных температурах очень важно, чтобы ИБП работал без ухудшения своих характеристик – как выходной мощности, так и перегрузочной способности. Для проверки архитектурно-компоновочного решения внутренних блоков ИБП Galaxy VM, он помещался в термокамеру, в которой продолжал работать вплоть до аварийного отключения при +80 °С. После охлаждения ИБП включался повторно и продолжал работу. Для проверки отдельных блоков проводились тесты ускоренного устаревания, путем использования знакопеременной температуры от -40 до +100 °С и одновременной вибрации с ускорениями до 40 G, что позволило проверить надежность системы при экстремальных воздействиях. Сам конструктив ИБП был проверен на вибростенде, что позволило получить заключение о сейсмостойкости изделия (для систем от 500 кВт – 2-я категория сейсмостойкости в соответствии с ГОСТ 30546.1: выдерживают 9 баллов на высоте до 35 м), а также морской сертификат DNV. После всего этого декларируемая работа при +40 °С без ухудшения свойств изделия уже не кажется чем-то фантастическим.

ECOnversion.jpg

Рис. 1. ИБП с режимом экономии электроэнергии ECOnversion на испытательном стенде

Для удобства обслуживания и инсталляции ИБП выполнен в виде секций и блоков. Если блочным или модульным ИБП сейчас никого не удивить, то ИБП такой мощности мало кто делит на секции, гордо сообщая об экономии десятых долей квадратного метра. Мы пошли по другому пути, и причиной тому не только российские реалии. При инсталляции оборудования (транспортировке его на объект) зачастую на площадке еще ведутся строительные работы, в помещении грязь и беспорядок, и, как следствие, нередки ситуации, когда уже при проведении пусконаладочных работ оказывается, что необходим разбор ИБП для очистки от толстого слоя строительной пыли. Конечно, можно было снабдить ИБП дополнительными фильтрами, повысить степень защиты IP, но заказчики голосуют рублем, поэтому предпочитают, где возможно, обойтись без этого. ИБП имеет две секции (шкафа): один с электроникой и один – ввода/вывода, в котором расположены клеммы для подключения силовой части (вход/выход) и батарей, а также панель механического байпаса. Соединение шкафов – жесткое шинное. На этапе подключения устанавливается только шкаф ввода/вывода, а по окончании строительных работ и уборки помещения – силовой. Это минимизирует влияние человеческого фактора и гарантирует надежную работу оборудования в будущем.

Еще одним решением, внедренным в данном устройстве, которое выгодно отличает его от ИБП других производителей, является наличие режима экономии электроэнергии ECOnversion. Сам принцип не нов, наверное, даже старожилы не вспомнят, когда он появился: питать нагрузку напрямую «грязным» питанием, если оно укладывается в рамки стандартов (например, имеет отклонение от номинального в пределах 10 %), с быстрым переключением в режим двойного преобразования (или на батареи) при возникновении проблем в сети электропитания. Этот принцип имел всего три проблемы, однако весьма существенные: в таком режиме ИБП пропускал все гармоники нагрузки напрямую в сеть «грязного» питания, батареи эксплуатировались в режиме циклического подзаряда, что снижало их срок службы, и, главное, время переключения измерялось несколькими миллисекундами (обычно – до 10 мс), что влияло на подключенную нагрузку не лучшим образом. Компании Schneider Electric удалось решить все три проблемы за счет… инвертора (рис. 2, 3). В этом режиме он работает «в обратную сторону», то есть через байпасную линию обеспечивает подзарядку батарей, активную коррекцию коэффициента мощности по входу ИБП, а главное, длительность переходных процессов нулевая, в чем по графикам на осциллографе неоднократно убеждались не только владельцы ИБП, но и приглашенные в R&D-центр гости из числа потенциальных заказчиков и партнеров. Стоит отметить, что КПД ИБП в режиме двойного преобразования более 96 % при нагрузке от 30 до 100 %, а в описанном режиме ECOnversion составляет более 98,5 %, что привносит существенную экономию при росте тарифов естественных монополий.

Ris_1.png

Рис. 2. Традиционная работа инвертора


Ris_2.png

Рис. 3. Инвертор через байпасную линию обеспечивает подзарядку батарей

Идеи витают в воздухе, и была реализована еще одна технология – SPOT, позволяющая провести нагрузочное тестирование без подключения нагрузки, что дает возможность экономить средства заказчика на всех этапах. Ведь подключение реальной тестовой нагрузки для проверки работоспособности ИБП и подтверждения заданных характеристик не делается без подготовки – это должно быть отражено и проработано в проекте: мощность и местоположение нагрузки, количество и местоположение силовых кабелей до нее, наличие и местоположение аппаратов защиты. Материалы, работы, время – всё это должно быть учтено и посчитано для того, чтобы в конце повлиять на стоимость проекта. При использовании SPOT ничего этого не требуется – нет ни материальных, ни временных затрат: режим активируется бесплатно при проведении пусконаладочных работ. В этом режиме ИБП работает как источник тока сам на себя, потребляя из сети лишь необходимую малую часть для компенсации потерь на КПД, что таким образом позволяет производить подобное тестирование, даже если объект запитан по временной схеме, например, от ДГУ или иного источника с ограничением потребляемой мощности относительно проектных значений.

С момента покупки APC компания Schneider Electric (а до нее еще APC самостоятельно) начала прорабатывать альтернативные технологии хранения энергии для ИБП. Если решения на суперконденсаторах или маховиках имеют ограниченные применения в силу короткого времени автономной работы (единицы – десятки секунд), а решения на базе топливных элементов слишком экзотичны для массового применения, то в отличие от них решения на базе литий-ионных батарей (LI-Ion) оказались той золотой серединой, которая оптимальна для использования. Еще в 2011 году был реализован ряд инновационных проектов для тестирования решений вместе с заказчиками, общей мощностью 35 МВт. Более 5 лет непрерывной реальной эксплуатации и наблюдений позволили нам убедиться в высоком качестве и подтвердить характеристики батарей при этом, поэтому мы вывели их на рынок и сделали доступными всем желающим в декабре 2016 года. 

Говоря о преимуществах подобных решений, стоит отметить, что они позволяют экономить занимаемое пространство в несколько раз по сравнению с устройствами на свинцово-кислотных батареях. Литий-ионные аккумуляторы гораздо легче свинцовых при равной запасаемой мощности, имеют в 10 раз больше циклов заряда-разряда, который и проходит быстрее благодаря их возможности заряжаться более высокими токами и меньше подвержены влиянию повышенных температур. Разумеется, не все Li-Ion-батареи одинаковы. Существует порядка пяти различных технологий с разными особенностями: по плотности мощности, скорости заряда, безопасности. Например, используемые в телефонах батареи серьезно отличаются от использующихся в решениях вместе с ИБП по своей химии, а следовательно, и свойствам. Я не зря говорю про решения, ведь в состав батарейного массива на базе Li-Ion входят не только сами ячейки, но и система их балансировки при заряде, и аппараты защиты (предохранители и управляемый автомат), и система BMS, состоящая из нескольких уровней, для контроля множества важных компонентов шкафа (напряжения, токи, температуры) в разных точках и взаимного дублирования ключевых параметров измерений. Благодаря этому, а также различным пассивным средствам защиты, реализованным на базе самой ячейки, которая выполнена в алюминиевом корпусе и имеет емкость 67АЧ, можно говорить о том, что подобные решения более предсказуемы по сравнению с решениями на свинцово-кислотных батареях. Также наличие BMS позволяет правильно эксплуатировать батареи, а срок их службы составляет 15 лет при гарантийном сроке 3 года. 

Таким образом, линейка Galaxy V и ее представители Galaxy VM (160–200 кВА) и Galaxy VX (500–4000 кВт) вобрали в себя множество технических преимуществ и современных технологий, благодаря чему удалось предложить заказчикам системы, наиболее удовлетворяющие потребности их бизнеса.


П. Пономарёв,_менеджер по развитию 
направления «Трехфазные ИБП» подразделения IT Division,
Schneider Electric, г. Москва,
тел.: +7 (495) 777-9990,
сайт: schneider-electric.com
e-mail: ru.ccc@schneider-electriс.com