Promremont34.ru

Авто мастеру
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Активная мощность двигателя на холостом ходу

Активная мощность двигателя на холостом ходу

В электрических цепях протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения, когда нагрузка имеет активный (резисторы) характер. Когда ток отстает от напряжения, нагрузка индуктивная (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение, нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы).

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой 1. Iа — активный ток 2. Iри — реактивный ток индуктивного характера .

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем. 1. Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно) 2. Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно) 3. A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметры определяющие потребление реактивной мощности называются POWER FACTOR или Cos (φ)

POWER FACTOR (PF) = P / A Cos (φ) = P1гарм / A1гарм P1гарм — активная мощность первой гармоники 50 Гц А 1гарм — полная мощность первой гармоники 50 Гц .

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности) 2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330…370 В, вместо 380 В) 3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Конденсаторы нужны чтобы скомпенсировать реактивную мощность двигателей.

Как компенсировать реактивную мощность?

Компенсация реактивной мощности производится путем подключения конденсаторных установок и конденсаторов. Подключая конденсаторы мы уменьшаем потребление реактивной мощности через силовые трансформаторы у энергоснабжающей организации и улучшаем сos (φ). Необходимо поддерживать сos (φ) = 0,9..0,95, для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы, и в тоже время, застраховаться о перекомпенсации (работы с избыточным количеством конденсаторов), возможной при сos (φ)=0,97 и выше.

Более того, при повышении сos (φ) от 0,9 до 0,99 полный ток уменьшается всего на 3% а мощность конденсаторной установки необходимая для этого увеличивается в 2 раза, ее стоимость в 1,5 раза, что экономически нецелесообразно.

Компенсация реактивной мощности может быть ОБЩЕЙ (ЦЕНТРАЛИЗОВАНОЙ) и ИНДИВИДУАЛЬНОЙ.
Индивидуальная компенсация – компенсация реактивной мощности каждой нагрузки отдельно (например на клеммах двигателя).

Индивидуальная компенсация – это наиболее простое техническое решение. Конденсатор подбирается мо мощности и сos (φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня, сos (φ) достаточно высок. Дополнительное преимущество индивидуальной компенсации реактивной мощности, это то что затраты на нее невелики.

Общая (централизованная) компенсация – компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки устанавливаемой на КТП или в составе главного распределительного щита (ГРЩ).

Дневной тренд (характер изменения нагрузки), является основным фактором, влияющим на выбор наиболее подходящей схемы компенсации реактивной мощности. На многих предприятиях не все оборудование работает одновременно, многие станки задействованы всего несколько часов в день. Поэтому индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением, при большом количестве оборудования и соответственно большом числе устанавливаемых конденсаторов. Большинство этих конденсаторов не будут задействованы долгий период времени. Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени. Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому использование автоматических конденсаторных установок предпочтительнее, чем нерегулируемых.

Средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.

Все средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения условно делят на пассивные и активные, причем реализация пассивных средств приводит к уменьшению объемов потребляемой реактивной мощности, а активные средства генерируют реактивную мощность и интегрируются в электрические сети в соответствии с оптимальным способом компенсации.

Пассивные средства компенсации реактивной мощности.

Типовыми средствами компенсации реактивной мощности, используемыми для разгрузки сети по реактивным токам, сегодня являются:

  • организационно-технические мероприятия по оптимизации административных, производственных и технологических процессов, позволяющие обеспечить улучшение энергетического режима работы энергоприемников – оборудования, устройств, систем.
    Это замена устаревшего не энергоэффективного оборудования, модернизация систем освещения, контроля и управления процессами, не одновременное, а распределенное (несмимметричное) пол времени включение реактивных нагрузок, оптимизация режима работы подразделений и т.д. и т.п;
  • использование переключения с треугольника на звезду статорных обмоток асинхронных двигателей с загрузкой в часы работы менее, чем на 40%;
  • снижение объемов потребляемой реактивной мощности за счет отключения асинхронных двигателей, работающих на холостом ходу, а также вывода из эксплуатации (или отключения) трансформаторов с загрузкой менее, чем на треть;
  • применение в проектах и замена в действующих приводах асинхронных двигателей синхронными, где это допустимо в техническом и технологическом аспектах;
  • модернизация приводов с применением тиристорного управления регулированием напряжения, преобразователей с заменой на модели с большим числом фаз выпрямления;
  • интеграция в электрические сети систем с искусственной коммутацией вентилей или ограничениями по генерации токов высших гармоник;
  • применение в новых сегментах электрической сети и поэтапная замена действующих реактивных нагрузок на оборудование, устройства, сертифицированные по энергосбережению.

Активные средства компенсации реактивной мощности.

К активным средствам компенсации реактивной мощности, генерирующим реактивную энергию в электрические сети, относят:

  • единичные косинусные конденсаторы и конденсаторные батареи, применяемые в способах индивидуальной и групповой компенсации реактивной мощности;
  • конденсаторные батареи с коммутационной аппаратурой, средствами защиты и управления – комплектные установки повышения коэффициента мощности – нерегулируемые и автоматические с релейными контакторами;
  • синхронные двигатели и их разновидность – синхронные компенсаторы, работающие без нагрузки на валу и используемые для стабилизации напряжения в точке подключения в пределах интервала ±5% от номинального значения;
  • многоступенчатые установки коррекции коэффициента мощности на конденсаторных батареях и с тиристорными ключами. Установка устройств с тиристорными ключами дает возможность снизить броски тока при включении ступеней — конденсаторных батарей и риски перенапряжения при отключении ступеней;
  • статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности — мостовые генераторы реактивной мощности с индуктивным накопителем, реакторы насыщения с нелинейной или линейной вольтамперной характеристикой, а также последовательным подключением встречно-параллельных управляемых вентилей – работающие принципу прямой и косвенной компенсации.
  • тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сетей с резкопеременной нагрузкой напряжением 6-10 кВ, тиристорно-реакторные группы для ЛЭП и т.д.

Расчет характеристики двигателей

Все без исключения электрические двигатели имеют одинаковые технические параметры, которые позволяют определить мощность всей системы. Рассмотрим далее последовательно эти параметры.

Вращательный момент

Эта характеристика отражает ту силу, которая заставляет вращаться некую деталь. Чем эта сила больше, тем вращательный момент выше.

Рассчитывается момент по простой формуле: мощность, деленная на количество оборотов. Момент выражается в ньютонах на метр. Чтобы понять суть вращательного момента, достаточно привести простой пример: из двух автомобилей быстрее тронется с места тот, у которого выше вращательный момент мотора.

Читать еще:  Двигатель s5d технические характеристики

Согласно действующим стандартам, имеется унифицированное обозначение момента: крутящий момент. Именно этот термин применяется в технической документации.

Момент является векторной величиной, которая равна произведению вектора силы на вектор радиуса. Если рассматривать его с точки зрения физических принципов, то различие между крутящим и вращательным моментами заключается в том, куда направлена сила. Для крутящего момента это внутреннее усилие, для вращательного – внешнее. Единица измерения (Нм) при этом одинакова.

Момент двигателя рассчитывается так:

Чтобы вычислить номинальный момент, применяется формула:

Следовательно, формула определения мощности электромотора выглядит так:

В большинстве случаев информация, имеющаяся в открытых источниках, приводит номинальные значения характеристик. Поэтому реальные значения для конкретного мотора следует определять самостоятельно.

Мощность двигателя

Это физическая величина, выражающая работу двигателя в единицу времени, то есть то, какой объем тепловой энергии двигатель перевел в кинетическую. Ее обозначение в формулах – Р или W. Единица измерения – Ватт (Вт). Общая формула для расчета мощности электрического мотора:

Еще одна величина, используемая в формулах, – механическая работа. Она отражает воздействие силы на объект и зависит от перемещения этого объекта и направления перемещения. Механическая работа рассчитывается как вектор силы, умноженный на путь:

Работа отражает тот путь, который проходит точка приложения силы. В случае вращательного перемещения формула расчета такова:

Следовательно, угловая частота вращения вычисляется так:

А отсюда вытекает способ расчета мощности мотора:

Этот параметр отражает производительность электромотора и его эффективность и может быть использован, чтобы сравнить эффективность различных моторов, имеющих схожие характеристики и источники питания.

В общем смысле, КПД представляет собой отношение полезной работы, совершенной двигателем, к общей затраченной работе. Вычисление КПД базируется на основной формуле расчета мощности мотора и выглядит так:

Либо следующим образом::

Как правило, КПД рассчитывается именно по формуле мощности мотора, поскольку ее достаточно просто измерить

Механическая работа – еще один параметр, который отражает степень воздействия силы на некий объект. Работа напрямую зависит от перемещения объекта и направления вектора силы.

Уменьшение КПД и, следовательно, снижение эффективности работы мотора может происходить вследствие разных причин. Перечислим наиболее распространенные из них:

  • электрические потери – нагревание проводников, по которым проходит ток,
  • Магнитных потерь. Вследствие излишнего намагничивания сердечника появляется гистерезис и вихревые токи, что важно учитывать в формуле мощности электродвигателя.
  • магнитные потери – сердечник намагничивается слишком сильно, образуются вихревые токи,
  • механические потери вследствие трения деталей мотора друг о друга и о воздух,
  • дополнительные факторы – потери иного типа могут возникать вследствие образования гармоник магнитного поля. Кроме того, в обмотках имеются высшие гармоники.

КПД мотора имеет определяющее значение для вычисления реальной мощности.

Обороты

Если речь идет о моторах переменного тока, то значимым параметром становится частота вращения (обороты вала за минуту). При этом это число различно для двигателя, работающего под нагрузкой, и при холостом ходе.

Для вычисления количества оборотов применяется формула:

Мощность также можно вычислить, имея под рукой расчеты оборотов. Однако в этом случае формула должна быть приведена к формуле вычисления угловой скорости и будет выглядеть так

Иннерционный момент

Инерционный момент представляет собой меру инертности некого тела, вращающегося вокруг неподвижного объекта. Момент является постоянной величиной, вычисляемой для любого конкретного мотора. В формулах она измеряется в килограммах на квадратный метр (кг*м2). Расчет ведется по формуле:

ММоменты силы и инерции имеют взаимосвязь, которая отражается формулой:

Угловое ускорение вычисляется так:

Следовательно, если масса и радиус ротора известны, может быть рассчитана и производительность мотора.

Номинальное напряжение

Номинальное (расчетное) напряжение – одно из тех напряжений, которые определяют степень изоляции сети и оборудования. Эти напряжения различны в разных местах системы, однако их величина никогда не превышают максимальных значений, которые гарантируют длительную эксплуатацию мотора.

В большинстве случаев под расчетным напряжением понимается та стандартная величина, которая определена разработчиком системы при условии нормального рабочего режима. Стандартный вольтаж для разных систем установлен ГОСТ. Кроме того, эти параметры обязательно прописываются в техпаспорте изделия.:

Чтобы рассчитать производительность мотора, применяется такая формула::

Электрическая постоянная времени

Данная величина отражает то время, которое должно быть затрачено, чтобы ток стал равным 63% (с момента подачи напряжения). Постоянная времени вычисляется по формуле:

Важно, однако, иметь в виду, что электромеханическая постоянная всегда превышает электромагнитную. Она может быть выражена через уравнение динамических характеристик мотора, при этом ротор должен разгоняться на холостом ходу до максимума. И формула расчета становится такой:

А отсюда логично вытекает следующая:

Электромеханическая постоянная определяется по пусковому моменту. Если предположить, что двигатель находится в идеальных условиях, а все характеристики – прямолинейны, то формула будет выглядеть так:

Данные формулы могут быть применены для вычисления точной мощности мотора насоса, в случаях, если ход поршня прямо зависит от вращения вала.

Базовые расчеты мощности

Чтобы рассчитать ключевые характеристики моторов, необходимо принимать во внимание ряд параметров. В первую очередь, необходимо понимать, постоянный или переменный ток используется для питания оборудования. От этого зависит способ расчета.

Приведем далее упрощенную формулу мощности:

Формула для асинхронного двигателя будет такой:

Помимо активной мощности, имеются реактивная и полная:

При проведении вычислений также следует принимать во внимание индукционные потери и теплопотери, учитывать трение. В связи с этим общая формула для моторов постоянного тока такова:

Активная и реактивная мощность

В понятиях активная и реактивная мощность сталкиваются противоречивые интересы потребителей электрической энергии и ее поставщиков. Потребителю выгодно платить только за потребленную им полезную электроэнергию, поставщику выгодно получать оплату за сумму активной и реактивной электроэнергии. Можно ли совместить эти кажущиеся противоречивыми требования? Да, если свести количество реактивной электроэнергии к нулю.

Активная мощность

Существуют потребители электроэнергии, у которых полная и активная мощности совпадают. Это потребители, у которых нагрузка представлена активными сопротивлениями (резисторами). Среди бытовых электроприборов примерами подобной нагрузки являются лампы накаливания, электроплиты, жарочные шкафы и духовки, обогреватели, утюги, паяльники и пр.

Указанная у этих приборов в паспорте, одновременно является активная и реактивная мощность . Это тот случай, когда мощность нагрузки можно определить по известной из школьного курса физики формуле, перемножив ток нагрузки на напряжение в сети. Ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В), мощность в ваттах (Вт). Конфорка электрической плиты в сети с напряжением 220 В при токе в 4,5 А потребляет мощность 4,5 х 220 = 990 (Вт).

Реактивная мощность

Иногда, проходя по улице, можно увидеть, что стекла балконов покрыты изнутри блестящей тонкой пленкой. Эта пленка изъята из бракованных электрических конденсаторов, устанавливаемых с определенными целями на питающих мощных потребителей электрической энергии распределительных подстанциях. Конденсатор – типичный потребитель реактивной мощности. В отличие от потребителей активной мощности, где главным элементом конструкции является некий проводящий электричество материал (вольфрамовый проводник в лампах накаливания, нихромовая спираль в электроплитке и т.п.). В конденсаторе главный элемент – не проводящий электрический ток диэлектрик (тонкая полимерная пленка или пропитанная маслом бумага).

Читать еще:  Чем мыть двигатель трактора
Реактивная емкостная мощность

Красивые блестящие пленки, что вы видели на балконе – это обкладки конденсатора из токопроводящего тонкого материала. Конденсатор замечателен тем, что он может накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее – своеобразный такой аккумулятор. Если включить конденсатор в сеть постоянного тока, он зарядится кратковременным импульсом тока, а затем ток через него протекать не будет. Вернуть конденсатор в исходное состояние можно, отключив его от источника напряжения и подключив к его обкладкам нагрузку. Некоторое время через нагрузку будет течь электрический ток, и идеальный конденсатор отдает в нагрузку ровно столько электрической энергии, сколько он получил при зарядке. Подключенная к выводам конденсатора лампочка может на короткое время вспыхнуть, электрический резистор нагреется, а неосторожного человека может «тряхнуть» или даже убить при достаточном напряжении на выводах и запасенном количестве электричества.

Интересная картина получается при подключении конденсатора к источнику переменного электрического напряжения. Поскольку у источника переменного напряжения постоянно меняются полярность и мгновенное значение напряжения (в домашней электросети по закону, близкому к синусоидальному). Конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, через него будет непрерывно протекать переменный ток. Но этот ток не будет совпадать по фазе с напряжением источника переменного напряжения, а будет опережать его на 90°, т.е. на четверть периода.

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности.

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр). Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А. Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Реактивная индуктивная мощность

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Реальные потребители электрической энергии и полная электрическая мощность

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно. Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга. Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации. Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи. Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники. Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Таинственный «косинус фи»

Отношение активной мощности к полной называется в электротехнике «косинусом фи». Обозначается cos φ. Это отношение называется также и коэффициентом мощности. Нетрудно видеть, что для случая чисто активной нагрузки, где полная мощность совпадает с активной, cos φ = 1. Для случаев чисто емкостной или индуктивной нагрузок, где нулю равна активная мощность, cos φ = 0.

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

За что платим?

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем. Но бес, как известно, кроется в деталях. Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Потребитель находит возможность платить меньше

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается.

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято. Бытовые однофазные счетчики электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е. в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку. За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Читать еще:  Холодный запуск двигателя триммера

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

ЦОД в Ярославле: инженерные решения для бесперебойной работы

Сама идея строительства большого дата-центра в Ярославле вызвала оживление среди технических специалистов. Задача — создание оптимального по площадям и максимально эффективного технического сооружения.


ДДИБП

Вот заданные параметры:

  • Среднегодовой показатель Power Usage Effectiveness не должен превышать 1,3 при потреблении одной стойки около 20 кВт;
  • Должна быть возможность поэтапного (модульного) строительства;
  • Категория надежности электроснабжения по требованиям UPTIME INSTITUTE – TIRE 4 (100% дублирование узлов);
  • ЦОД должен быть удобным в эксплуатации.

Ещё вводные: система охлаждения должна продолжать работу даже после отключения основного питания, плюс кейс дожен быть экономически-обоснованным. Про другие условия можно прочитать в предыдущем топике про строительство дата-центра.

Выбор решения

В качестве источников гарантированного и бесперебойного электроснабжения решили применить ДДИБП (дизельный динамический источник бесперебойного питания), он же Flywheel UPS или DRUPS. Технология применялась ещё в СССР и носила название УГП (установка гарантированного питания). Принцип работы машины основан на обеспечении вращения альтернатора (синхронной обратимой электрической машины), которая может работать в режиме мотора или генератора.

Непрерывность вращения электрической машины во время проблем с внешним питанием обеспечивается за счет накопленной кинетической энергии. В качестве накопителя кинетической энергии используется громадный маховик прикрепленный к валу обратимой машины.

Маховики в качестве накопителей кинетической энергии используются в ДДИБП, ограничиваясь линейкой в 1 МВт. В более мощных устройствах ДДИБП имеют применение так называемые кинетические модули. Работа этих устройств основана на сочетании механических и электрических принципов.

Как это работает

При наличии удовлетворительного внешнего питания (из города)

  1. Синхронная электрическая машина (альтернатор — 3) вращается на холостом ходу в режиме электрического мотора;
  2. Кинетический модуль (накопитель энергии — 4) вращается на одном валу с синхронной электрической машиной (альтернатором);
  3. Дизель (1) с подогретым картером находится в режиме ожидания быстрого старта;
  4. Сцепление (2), соединяющее дизель с электрическими машинами, разомкнуто;
  5. Дроссель (5), используя энергию альтернатора «чистит» питание и на выходе получается почти идеальная синусоида.
  6. Байпасный автомат (9) разомкнут.

Если внешнее питание пропадает или становится неудовлетворительным
Раскрученный маховик по инерции продолжает вращаться, отдавая накопленную кинетическую энергию синхронной электрической машине. Она, в свою очередь, из режима электрического мотора переходит в режим генератора и вырабатывает электричество к потребителю.

  1. Кинетический модуль (накопитель энергии — 4) вращается и продолжает вращать синхронную электрическую машину (альтернатор — 3);
  2. Дизель (1) получает команду старт и раскручивается до необходимой скорости;
  3. Включается сцепление (2), соединяя вал дизеля с валом электрической машины;
  4. Электрическая машина продолжает вращаться за счет энергии дизеля;
  5. Кинетический модуль (накопитель энергии — 4) вращается, накапливая энергию.

Потребители электрической энергии продолжают получать электричество, не замечая проблему.

По статистике производителей ДДИБП, 98% инцидентов с внешним электричеством носит кратковременный характер, и времени автономии ДДИБП на раскрученном маховике достаточно для их устранения. Проблемы, которые носят более длительный характер, сопровождаются запуском и подключением дизельного двигателя к электрическим машинам путем сцепления муфты.

12 «за»

  1. Единичная система способна зарезервировать большую мощность;
  2. Просто в эксплуатации (особенно важно в регионах);
  3. Не требует установки кондиционеров для охлаждения (экономим на кондиционерах и мощности для них);
  4. Низкие операционные затраты на содержание в эксплуатации;
  5. Высокий КПД при минимальном объеме загрузки (практически линейный график от 40%);
  6. Минимальное количество силовой электроники.;
  7. Высокая наработка до вывода в капитальный ремонт (10 лет);
  8. Не требует резерва мощности для заряда аккумуляторных батарей (10-15% от объема мощности потребления систем ИБП);
  9. Устойчив к токам короткого замыкания;
  10. По стоимости сопоставимы с классическими системами гарантированного и бесперебойного питания применяемыми в современных ЦОД;
  11. Занимает меньшую площадь чем классический статический ДДИБП.
  12. На холостом ходу работает, как синхронный компенсатор.

На последнем остановится чуть подробнее. Перевозбуждённый синхронный двигатель на холостом ходу применяют в качестве компенсатора реактивной мощности. Мы получаем возможность не оплачивать реактивную составляющую электрической мощности, компенсируя ее применением ДДИБП.

Что такое активная и реактивная мощность?

В большинстве случаев электрические цепи содержат как активное, так и реактивное сопротивление. В цепях с активным сопротивлением электрическая энергия полностью преобразуется в тепло, совершая полезную работу. Единица измерения Ватт (Вт). В цепях переменного тока, содержащих наряду с активными сопротивлениями индуктивные и емкостные нагрузки, имеют место потери на реактивную мощность, обусловленную наличием магнитных и электрических полей в электрических цепях. Условно эта мощность не расходуется на полезную работу. Единица измерения вольт-ампер реактивный (вар) или киловольт-ампер реактивный (квар).

Учитывая, что ЦОД в Ярославле строится, как ранее писалось, у стен пивного завода Ярпиво, для наглядности можно рассмотреть пример на бокале пива. Бокал наполнен слоем бесполезной пены (реактивной мощности). Мы платим за нее в составе выпитого пива, но полезную работу выполняет только объем активной жидкости (активной мощности).

Сумма активной и реактивной мощности, — полная мощность.

Отношение активной мощности электрической цепи к полной мощности принято называть коэффициентом мощности или «косинусом фи» (cos φ):

Коэффициент мощности = Активная мощность/Полная мощность

Коэффициент мощности не может быть больше единицы. В случае, если активная мощность равна полной мощности, а это говорит об отсутствии реактивной нагрузки, cos φ = 1 (единице). Для практического примера,- cos φ сервера = 0,95, а cos φ кондиционера = 0,7. Отсюда уже видно, сколько в процентах заплатим за пену).

Практический выбор

При исследовании рынка мы выяснили, что передовых производителей, чье оборудование установлено в ЦОД всего четыре, все расположены на территории европейских стран.

  1. Piller – Германия
  2. Hitec – Голандия
  3. Hitzinger – Австрия
  4. Evrodisel – Бельгия

Все работают в больших диапазонах мощностей, имеют хорошую производственную базу, все представлены в ЦОДах и имеют положительную историю и отзывы. Соответственно конкурентная среда есть.

Интересные конструктивные особенности

Hitzinger, Evrodisel, Hitec
ДДИБП данных производителей имеют классическую схему размещения агрегатов (соосно). Кинетический накопитель двухопорный. Имеет жесткое соединение с альтернатором.

Вот так выглядит:

Преимущества: простота и минимальное количество силовой электроники.

Piller
Он работает по тому же примерно принципу, что и классические ДДИБП – но накопитель кинетической энергии не размещен на одной раме с остальными компонентами устройства. Кинетический накопитель имеет вертикальное расположение, по принципу «волчка». В данных устройствах применяется не механическая связь агрегатов а электрическая.

Выглядит это так:

Преимущества: кинетический накопитель может быть установлен отдельно от самого силового агрегата, накопитель помещен в герметичную оболочку заполненную газом, таким образом снижено сопротивление, что позволяет увеличить время автономии без запуска дизеля.

А вот фотографии устройств в реальности (не в нашем ЦОД):

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector