Robert Wolfgang 2012-03-14

Podstawowe zasady dotyczące agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego do zastosowań IT (cz. 2)

Podstawowe zasady dotyczące agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego do zastosowań IT (cz. 2)

Wszyscy pracownicy działów IT, którzy są odpowiedzialni za działanie urządzeń komputerowych, powinni przygotować centrum danych lub serwerownię na wypadek dłuższej przerwy w zasilaniu. Zrozumienie podstawowych funkcji i koncepcji systemu agregatu prądotwórczego zasilania rezerwowego zapewni solidne podstawy, które pozwolą pracownikom działów IT określać, instalować i obsługiwać obiekty o znaczeniu krytycznym. Ten dokument stanowi wprowadzenie do tematyki agregatów prądotwórczych zasilania rezerwowego i podsystemów zasilających urządzenia elektryczne o znaczeniu krytycznym w sytuacjach, kiedy zewnętrzna sieć elektryczna nie jest dostępna.

Prądnica: element generujący prąd
Zadaniem prądnicy jest przekształcanie energii mechanicznej ze źródła energii w prąd zmienny. Przypomina to działanie alternatora w samochodzie, który jest zwykle napędzany paskiem. Prądnica agregatu prądotwórczego jest napędzana przez główny wał pędny źródła napędu. Prostą prądnicę można zbudować z magnesu i pętli wykonanej z metalowego drutu. Elektryczność powstaje, kiedy metalowa pętla jest przesuwana przez pole magnetyczne wytworzone przez dodatnie i ujemne bieguny magnesu. Możliwe jest także przesuwanie pola magnetycznego, podczas gdy drut pozostaje nieruchomy. Ta zasada działania została wykorzystana w dużych prądnicach stosowanych w agregatach prądotwórczych. Przez lata udało się poprawić niektóre cechy elementów prądnicy, aby zwiększyć wydajność, moc i niezawodność tego urządzenia. Wszystkie te cechy zostały przedstawione poniżej. Na rysunku 2 pokazano główne elementy typowej prądnicy używanej w systemie agregatu prądotwórczego.

Bezszczotkowy
Określenie „bezszczotkowy“ odwołuje się do faktu, że w przypadku tego urządzenia nie jest wymagany żaden kontakt z wirującymi częściami, aby przekazywać energię elektryczną z lub do poszczególnych elementów. Szczotki są używane w silnikach i małych prądnicach. Należy jednak pamiętać, że szczotki zużywają się, a ich aktywna kontrola nie jest możliwa. Duży agregat prądotwórczy wykorzystujący szczotki nie spełnia standardów niezawodności wymaganych dla operacji o znaczeniu krytycznym.

Prądnica samo wzbudna
Do generowania prądu w przedstawionym powyżej przykładzie używany był magnes. Duża prądnica wymaga znacznie silniejszego pola magnetycznego, aby generować prąd. Elektromagnes to magnes zasilany prądem elektrycznym. W nowoczesnych prądnicach wykorzystywane są „samo wzbudzające się“ magnesy. Oznacza to, że prąd wymagany do utworzenia pola elektromagnetycznego jest generowana w samej prądnicy. W ten sposób prądnica może wytwarzać prąd elektryczny bez konieczności dostarczania energii innej niż ta, która jest zapewniana przez źródło napędu.

Główny twornik lub uzwojenie twornika to nieruchome cewki wykonane z drutu, w których generowany jest prąd. Charakterystyka wygenerowanego prądu zmiennego jest powiązana z ilością i geometrią uzwojeń twornika. Dostępnych jest wiele konfiguracji, które pozwalają spełniać różne wymagania dotyczące natężenia prądu i napięcia.

Uzwojenie trójfazowe to trzy oddzielne cewki rozmieszczone pod kątem 120 stopni, na obwodzie twornika. Jeśli stator prądnicy ma tylko jedną parę biegunów, każdy obrót twornika powoduje wytworzenie jednego cyklu prądu zmiennego na fazę. Innymi słowy, aby wygenerować prąd zmienny 50 Hz, źródło napędu musi obracać twornik z prędkością 3000 obr./min. Jest to dość wysoka prędkość obrotowa dla systemu generatora z silnikiem wysokoprężnym, który będzie zużywał się dwa razy szybciej niż silnik pracujący z prędkością 1500 obr./min. Zapewnienie pola magnetycznego prądnicy z czterema biegunami pozwala obniżyć prędkość obrotową źródła napędu do 1500 obr./min. w celu uzyskania prądu o częstotliwości 50 Hz. Dostępne są również systemy agregatów prądotwórczych z jeszcze niższą prędkością obrotową, które wykorzystują prądnice z 6 lub 8 biegunami (odpowiednio 1000 i 750 obr./min.).

Uziemienie
Bardzo ważną kwestią jest uziemienie systemu agregatu prądotwórczego i podłączenie przewodu neutralnego. Aby możliwe było usuwanie uszkodzeń i zapewnienie jakości zasilania, metoda uziemienia powinna być zgodna z normami elektrycznym dla odpowiedniego regionu. Na przykład w Stanach Zjednoczonych stosowana jest norma zdefiniowana w kodeksie National Electrical Code (NEC) Article 250 Ref. 4 (oraz dodatkowe normy o mocy prawnej).

Uziemienie to prawdopodobnie jeden z aspektów okablowania instalacji o różnych wielkościach, który sprawia najczęściej problemów i jest zwykle stosowany w niepoprawny sposób. Odpowiednie informacje na ten temat zostały zawarte w podręczniku IEEE1 Standard 446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications (Orange Book). W przypadku zasilania wrażliwych urządzeń elektronicznych należy również rozważyć rekomendacje przedstawione w podręczniku IEEE Standard 1100-1999, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book).

Parametry temperaturowe
Parametry temperaturowe uzwojeń prądnicy to kolejna istotna kwestia, szczególnie w przypadku zastosowań związanych z nietypowymi warunkami środowiskowymi w zakresie wysokości, temperatury otoczenia lub wentylacji.

W celu utrzymania właściwej temperatury uzwojeń czasami stosuje się przewymairowanie agregatu prądotwórczego. Dostępne są również specjalne materiały izolacyjne, które wytrzymują wyższe temperatury. Konkretne środowisko pracy może cechować się określonymi problemami i trudnymi warunkami spowodowanymi wilgotnością, temperaturą, zagrzybieniem, szkodnikami itp. Istnieją specjalne wersje i materiały izolacyjne dla tych zagrożeń środowiskowych, dzięki czemu możliwe jest zachowanie suchości uzwojenia i uniknięcie zniszczenia izolacji.

Regulator: częstotliwość wyjściowa prądu zmiennego i jej regulacja
Regulator zachowuje stałą prędkość obrotową źródła napędu w różnych warunkach, dostosowując ilość paliwa podawanego do tego źródła napędu. Wymagana jest stabilna częstotliwość prądu zmiennego. Jest ona zależna od dokładności i czasu reakcji regulatora. Ten element stanowi podstawowy czynnik decydujący o jakości wyjściowego prądu zmiennego.

Odchylenia częstotliwości i ich wpływ na jakość zasilania nie stanowią problemu dla użytkowników połączonych ze stabilną siecią elektryczną. Wrażliwe urządzenia elektroniczne są jednak podatne na zakłócenia spowodowane nagłymi zmianami częstotliwości prądu dostarczanego przez agregat prądotwórczy. Możliwość generowania prądu elektrycznego o stałej częstotliwości jest zależna bezpośrednio od prędkości obrotowej źródła napędu, które jest sterowane przez regulator. Dostępnych jest wiele sposobów dynamicznego regulowania przepustnicy paliwa w celu zachowania stałej prędkości obrotowej silnika. Obejmuje to zarówno proste urządzenia oparte na sprężynach, jak i skomplikowane systemy hydrauliczne i elektroniczne. Dołączanie lub odłączanie zasilanych urządzeń powoduje zmiany obciążenia, na które regulator musi reagować.

Regulator izochroniczny (o tej samej prędkości) utrzymuje stałą prędkość niezależnie od poziomu obciążenia. Występują jednak pewne odchylenia prędkości źródła napędu, a ich zakres stanowi miarę stabilności regulatora. Istniejąca obecnie technologia regulatorów zapewnia regulację częstotliwości w zakresie ± 0,25 % z czasem reakcji na zmianę obciążenia wynoszącym od 1 do 3 sekund. Dzisiejsze elektroniczne układy półprzewodnikowe zapewniają wysoką niezawodność i wymaganą regulację częstotliwości dla wrażliwych urządzeń.

Jeśli w celu uzyskania większych możliwości lub nadmiarowości stosowane są układy równoległe agregatów prądotwórczych, należy zapewnić identyczną prędkość ich pracy za pomocą odpowiedniego urządzenia lub innego agregatu, który służy jako wzorcowe źródło częstotliwości. Jeśli dwa źródła pozostają niezsynchronizowane, jedno z nich przejmie większą część obciążenia, co spowoduje konieczność dokonania korekty.

Od niedawna projektuje się wyrafinowane elektryczne systemy regulujące dla urządzeń równoległych, które zapewniają niezrównane możliwości koordynacji oraz stabilność poziomu częstotliwości w różnych warunkach. Urządzenia tego typu stanowią cenne uzupełnienie centrów danych o wysokiej dostępności, co jest związane z ich niezawodnością, prostszą konserwacją i możliwością koordynacji.

Na wybór agregatu prądotwórczego wpływa typ stosowanego paliwa, a także zakres potencjalnych zmian obciążenia. Ponieważ oba te czynniki wpływają na dokładność i stabilność źródła napędu, należy uwzględnić je w ogólnym projekcie.



Robert Wolfgang
Na podstawie: eaton.com

Komentarze do artykułu

bardzo ładnie


Zapraszamy do skomentowania artykułu

Treść opini 
Popis 

Pozostałe artykuły z tej kategorii