ИБП в промышленном исполнении

Офисное оборудование — наиболее массовая область применения источников бесперебойного питания. Эксплуатация ИБП в специфических промышленных условиях требует нестандартного подхода к проектированию таких решений.

Прекращение подачи воды, неработающие кондиционеры, остановка поездов метро и пригородных электричек, погасшие светофоры и гигантские автомобильные пробки. Тысячи людей, заблокированных в тоннелях под землей и лифтах зданий... Описываемая картина стала если не обыденной, то весьма распространенной составляющей нашей жизни. В конце августа 2003 г. в системе энергоснабжения США и Канады произошла масштабная авария. Без света остались около 50 млн человек. Электричества не было в Торонто, Оттаве, Нью-Йорке, Детройте. Спустя две недели подобная ситуация повторилась в столице Великобритании. Чуть позже аналогичные аварии прокатились по островам Дании и западному побережью Швеции. На сутки прекратилась подача энергии на значительной территории Италии. Центральная часть Чили протяженностью около 1000 км к северу и югу от столицы надолго погрузилась во мрак.

Только в шт. Нью-Йорк в результате упомянутой аварии были остановлены девять ядерных реакторов и по одному — в Мичигане, Нью-Джерси и Огайо. В центре Нью-Йорка на Манхеттене без электричества осталась штаб-квартира ООН. Во многих типографиях вышли из строя печатные прессы. Газете The New York Times пришлось сократить количество полос и свести в один номер все свои региональные издания. Все вылеты из аэропортов Нью-Йорка были временно прекращены, а самолеты, находившиеся на подлете к ним, перенаправлялись в другие города. Практически заблокированной оказалась мобильная и обычная телефонная связь. В качестве одной из возможных причин произошедшего в Канаде и Америке фигурировала версия попадания молнии в здание электростанции Ниагарского энергоузла, которое привело к необратимым нарушениям в работе автоматики, и далее события развивались по сценарию «эффекта домино».

Количество факторов, влияющих на функционирование современных энергетических систем, увеличивается. Глобальные энергосистемы становятся сложнее, аварии на них — масштабнее и неотвратимее, а последствия все более грандиозными. К сожалению, приходится признать, что энергетический фундамент современных информационных технологий, проникающих во все сферы жизнедеятельности общества, не столь уж прочен. Опыт упомянутых происшествий в очередной раз напоминает о необходимости надежной и автономной защиты отраслевых объектов и средств управления ими.

Для того чтобы перебои в энергоснабжении не изменяли нормального течения жизни, разработано множество продуктов и технологических решений. Системы бесперебойного питания давно уже стали неотъемлемым компонентом средств защиты компьютерного оборудования — от настольных систем до мэйнфреймов. Внедрение электронных систем управления в промышленности и приложений для контроля за протекающими процессами открыло новые области их применения. Спектр таких приложений довольно широк — от распределенного управления на базе логических программируемых контроллеров до полностью распределенных систем управления, предназначенных в первую очередь для повышения эффективности процессов обработки информации. Часто они оказываются более требовательными к обеспечению параметров надежности, нежели системы обработки данных для офисных нужд. В отличие от ИБП массового спроса, используемых в коммерческих приложениях, системы индустриального класса остаются проектируемыми решениями ограниченного применения. В данной статье рассматривается специфика защиты промышленного оборудования с помощью систем бесперебойного питания, причем в силу данной специализации они даже выделены в отдельный класс — «промышленные ИБП». По причине нестандартных условий эксплуатации их чаще всего изготавливают на заказ, в виде комплексного решения, в целях соблюдения целого ряда предъявляемых требований. В соответствующей профессиональной литературе эта категория оборудования именуется каждым производителем по-своему: Industrial Products (термин, используемый компанией Poweware), Custom Made Systems (терминология Liebert-Hiross), Engeneer-to-Order (терминология Gutor, подразделения APC), Industrial UPS (Chloride), Industrial Solutions (MDE UPS Systems).

КАТЕГОРИИ ОБЪЕКТОВ ЗАЩИТЫ

По данным агентства Frost&Sullivan, объем продаж источников бесперебойного питания c двойным преобразованием растет ежегодно в среднем на 12%, при этом восемь из 10 производимых систем бесперебойного питания спроектированы для массового использования в сфере информационных технологий. Чем же отличаются системы промышленного назначения от ИБП офисного типа? В целом можно выделить три области применения тех и других.

Защита электронной обработки данных. Информационные технологии породили массовый рынок ИБП, с которыми стал ассоциироваться термин «коммерческие ИБП», поскольку вместе с компьютерным оборудованием, как правило, приобретаются и источники бесперебойного питания. Типичные области применения таких систем в сфере информационных технологий — центры обработки данных, банки, страховые компании. Нарушения в системе подачи переменного тока могут негативным образом повлиять на процесс обработки данных и работу систем связи. Однако они не создают существенных рисков для жизни людей или их собственности.

Защита общих производственных процессов. Используемые в данном сегменте источники бесперебойного питания относят к промежуточному классу «легких промышленных систем». Они предназначены для защиты процессов, не приводящих к необратимым тяжелым последствиям даже в случае длительного пропадания входного тока. Нарушения в работе электроснабжения этих объектов способны привести к потере не только выпускаемой продукции, но и времени для повторного пуска производственной линии. Типичные примеры областей применения — фармакологическая и пищевая отрасли.

Защита критических процессов. ИБП, предназначенные для этой цели, традиционно называются промышленными ИБП, при этом сфера их применения не ограничивается защитой систем автоматического управления на промышленных предприятиях. Наглядный пример критических приложений — нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие комплексы, электростанции и транспорт, где последствия нарушения в системе электроснабжения настолько велики, что к оборудованию, предназначенному для защиты многочисленных узлов, предъявляются гораздо более строгие требования, нежели к коммерческим ИБП.

ОТРАСЛЕВАЯ СПЕЦИФИКА

В силу существенных различий в условиях эксплуатации и требованиях к ИБП на транспорте, в нефтехимической отрасли, на энергетических объектах (атомных станциях, гидроэлектростанциях, тепловых электростанциях) каждый проект, в котором задействуются подобные системы, уникален. Оборудование должно работать в агрессивных индустриальных средах с повышенным уровнем вибрации и запыленности, в расширенном диапазоне температуры и влажности, в окружении сильных электромагнитных полей. Так, например, системы бесперебойного питания, установленные на ректификационных колоннах, где осуществляется процесс сепарации нефти на более легкие фракции, должны иметь довольно высокую мощность, поскольку, как правило, защищают не только системы контроля и автоматики, но также осуществляют автономное питание различных исполнительных механизмов (старт работы какого-либо двигателя при закрытии определенного клапана). На нефтедобывающих платформах, функционирующих в открытом море, присутствуют сразу несколько неблагоприятных факторов: влага, соль, расширенный температурный диапазон, неустойчивость самой платформы. Мощность промышленной критической нагрузки, которую защищает система бесперебойного питания, иногда не столь велика, но вот риск, связанный с ее потерей, может оказаться огромным. Любой сбой автоматики на нефтезаводе в пределах города способен привести к катастрофе национального масштаба.

На предприятиях энергетического комплекса довольно часто встречается нестандартное напряжение 220 В постоянного тока. С учетом такой практики было построено большинство электростанций и все понижающие подстанции в Советском Союзе. Автоматика и технологический цикл любой электростанции должны работать независимо от станции в целом. На данных объектах, как правило, предусмотрены цеха аккумуляторных батарей, где устанавливаются линейки по 110 ячеек с напряжением 2 В. Для их профилактики и обслуживания создают специальные подразделения. К оборудованию электростанций предъявляются достаточно высокие требования по виброустойчивости, предписывающие тщательное закрепление всех внутренних деталей ИБП (особенно трансформатора). На таких объектах ИБП функционируют в условиях повышенных температур.

Особенность железнодорожного транспорта и метрополитена — высокая степень вибраций и большое разнообразие специфических видов напряжения. Например, тяговое напряжение может достигать 650 В. Известны случаи применения однофазных систем с напряжением более 5 кВ. С помощью ИБП защищаются различные сигнальные огни, электрические стрелки и т. д. Еще одна отличительная особенность условий эксплуатации оборудования в этой отрасли — нестандартные частоты. К вращающему двигателю локомотива подключается генератор, который вырабатывает электроэнергию с частотой до 400 Гц.

ПО ФАБРИКАМ ДЫМНЫМ

К сроку службы промышленных ИБП предъявляются повышенные требования — 15—25 лет, в то время как офисные ИБП работают без замены запчастей от пяти до семи лет. Кроме того, промышленные системы должны быть оснащены средствами предупреждения о необходимости замены компонентов, чтобы гарантированное время наработки на отказ превышало срок службы этих систем. К температурным условиям наиболее чувствительны батареи, но продолжительность работы других составных частей ИБП может оказаться короче предусмотренной из-за эксплуатации в неподходящих условиях. Это касается, в частности, конденсаторов, применяемых в пассивных LC-фильтрах. Поэтому в промышленных ИБП используются специальные высокотемпературные конденсаторы. Коммерческие ИБП устанавливаются в помещения с температурой 25—350C, где должны соблюдаться строгие требования к содержанию пыли в воздухе. Столь же жесткие условия предъявляются и к влажности.

Как уже отмечалось, наиболее чувствительны к температурному режиму аккумуляторные батареи: повышение темперпатуры на 100С сокращает срок их службы вдвое, поскольку во время нагрева все химические процессы протекают более интенсивно. Для оптимизации их срока службы и характеристик при подзарядке необходимо соблюдать режим температурной компенсации, т. е. обеспечить корректировку зарядного напряжения на элемент в соответствии с рекомендациями для каждого типа батарей.

Примером химически агрессивной среды могут служить станции по производству геотермальной энергии. Выделяемый в качестве побочного продукта газообразный диоксид серы при соединении с влажным воздухом образует пары серной кислоты. В таких средах для защиты самого источника применяют эпоксидное покрытие или медную шину с никелевым покрытием, а также антикоррозийные разъемы и специальные внешние корпуса, устойчивые к воздействию кислоты. Для поддержания работоспособности ИБП в его корпус под давлением нагнетается охлажденный очищенный воздух, который затем отводится, как правило, через верхнюю часть корпуса.

Эксплуатация ИБП в условиях вибрации или сейсмической неустойчивости предполагает усиление плотности разъемов. Процедура монтажа ИБП предусматривает проверку коммутации всех кабелей и шлейфов, поскольку при перевозке возможна потеря контакта. На некоторых предприятиях предъявляются повышенные требования к прочности корпуса оборудования. Из-за деформации корпуса внутренняя стенка может касаться клемм трансформатора и замыкать их. При изготовлении корпусов без использования жесткой рамы применяют внутреннюю изоляцию, однако во время такелажных работ такие устройства нельзя кантовать. Для повышения устойчивости к сейсмическим колебаниям электроустановки фиксируют с помощью консольных креплений.

Индустриальным системам бесперебойного питания приходится работать в неблагоприятных условиях сильных электромагнитных полей. На заводе, металлургическом комбинате, буровой шахте постоянно включаются и выключаются мощные агрегаты. Возникающие в результате электромагнитные импульсы создают помехи на входе источника бесперебойного питания. Всплески напряжения и высокий уровень искажений переменного тока, подаваемого на вход выпрямителя и зарядного устройства промышленных ИБП, а также на вход статического байпаса, ведут к появлению ощутимых электромагнитных и радиочастотных помех, которые могут спровоцировать неадекватное срабатывание автоматических переключателей из-за увеличения температуры их внутренних компонентов и следующего за этим нарушения работы цепей синхронизации.

В типовом центре обработки данных внешняя среда, как правило, хорошо защищена от таких помех. В соответствии с рекомендациями IEEE, в таких помещениях предусматривается установка специальных молниеотводов, а схема распределения электроэнергии обычно защищает ИБП от влияния входных электромагнитных и радиочастотных помех, создаваемых на фидерах. В отличие от центров обработки данных, где использование изолирующего трансформатора с фидерами носит рекомендательный характер, в зданиях промышленных предприятий его применение обязательно.

Довольно часто промышленные ИБП подключаются к общей шине, на которую подается питание от фидера, получающего напряжение непосредственно с распределительной подстанции или электростанции. К ней же подключается и другая нагрузка, имеющая нелинейный характер и способная вызвать гармонические искажения, например механическая нагрузка с регуляторами скорости вращения приводов. В зависимости от электромагнитной среды, в которой предполагается установка ИБП, иногда имеет смысл на входе выпрямителя использовать дополнительный изолирующий трансформатор. К тому же, в отличие от коммерческих систем средней мощности, батареи которых обычно устанавливаются внутри корпуса ИБП, конструктивное исполнение промышленных систем, которым нужно обеспечивать высокий уровень выходной мощности, предусматривает внешнюю схему подключения батарей и использование зарядного устройства. Эта особенность также диктует необходимость применения изолирующего трансформатора на входе выпрямителя ИБП.

Во второй половине 1990-х гг. в Европе наблюдался всплеск интереса к ИБП, реализованным в соответствии с альтернативными принципами, — так называемым мотор-генераторам и кинетическим батареям с использованием маховика. Такое решение эффективно только при больших мощностях — от нескольких сот киловаттёампер. Модельный ряд меньшей мощности не выпускается. Известны гибридные схемы, когда в ИБП офисного назначения, вместо электрохимических аккумуляторов, используют кинетические батареи. Основная задача подобных систем — обеспечить выходную мощность до 70% от номинала в течение примерно 20 с. Этого вполне достаточно, чтобы запустить дизель-генераторную станцию в режиме «холодного старта». Вполне приемлемое решение, если ДГУ запускается нечасто. Недостатком устройств является повышенный уровень вибраций. В ряде случаев их эксплуатация обходится дешевле, поскольку не требует поддержания специального микроклимата. Кроме того, мотор-генераторы обеспечивают механическую развязку, а попадание молнии не приводит к проблемам в нагрузке. Мотор-генераторы нашли широкое применение на промышленных предприятиях восточного побережья США, где часто свирепствуют грозы и ураганы.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАНДАРТЫ

Для определения параметров внешних воздействий, которым могут подвергаться электроустановки, разработан ряд международных и национальных стандартов. Стандарт МЭК 60364-3 устанавливает требования для следующих типов внешних воздействий: проникновение воды и посторонних твердых тел, механические удары и вибрации, наличие химически агрессивных компонентов. Интенсивность воздействий зависит от условий эксплуатации электроустановки. Например, уровень влагозащищенности определяется восемью степенями: первая из них специфицирует защиту от вертикально падающих капель, а восьмая — защиту от проникновения жидкости при постоянном погружении, т. е. подводное исполнение.

Международный стандарт МЭК 529, европейский EN 60529, французский NF C 20-010, немецкие DIN 40050 и DIN-VDE 0470 сходным образом определяют код IP, где специфицируются степени защиты корпуса электроустановки от поражения током, проникновения твердых тел и жидкостей. Данные стандарты не устанавливают степени защиты от взрывов и такие условия, как влажность, коррозийные испарения, появление плесени и паразитов. Код IP состоит из двух цифр. Первая цифра нормирует защиту от проникновения твердых тел, в то время как вторая — защиту от проникновения жидкостей, обеспечиваемую кожухом, к ним может добавляться буква, если реальная степень защиты выше, чем указанная первой цифрой.

Рабочая среда индустриального оборудования, как правило, агрессивна. Большинство установленных на промышленных объектах ИБП (особенно на электростанциях, вблизи бойлерных) функционирует при повышенной (более 300С) температуре окружающей среды, увеличенном содержании в воздухе пыли или испарений химически активных соединений. В общем случае рабочий температурный диапазон таких ИБП составляет 15—550С, они проектируются с учетом специфики конкретного производства.

Повышенное содержание пыли в окружающей среде, помимо прочего, создает угрозу возгорания. Промышленные ИБП часто снабжают автоматическими средствами тушения пожаров. Сопровождающая стекольное производство мелкодисперсная пыль действует как абразив, из-за чего происходит быстрый износ лопастей вентиляторов и подшипников. Чтобы ИБП на таком предприятии не вышел из строя до начала регламентных работ, его оборудуют резервными компонентами.

ПРОСТОТА И НАДЕЖНОСТЬ

В промышленных решениях основное внимание уделяется надежности и функциональным свойствам самого ИБП, и в меньшей степени, по сравнению с обычными коммерческими системами, — уровню шума, габаритам, весу, дизайну. Все компоненты устройств, используемых на критическом производстве, как правило, разрабатываются с запасом прочности, чтобы источник обеспечивал время наработки на отказ свыше 100 тыс. ч при работе в индустриальной среде. Промышленные системы рассчитаны на срок эксплуатации не менее 10—15 лет в нефтехимической отрасли и 15—30 лет на предприятиях энергетического комплекса. Приобретая их, пользователь получает план с указанием сроков замены компонентов, например охлаждающих вентиляторов и конденсаторов.

Ввиду быстрой смены технологий ИТ долголетие типичного центра обработки данных исчисляется пятью—семью годами. Примерно за тот же срок устаревают и компоненты коммерческих ИБП. Что же касается ответственных приложений, то поставщики обязаны обеспечить их долгосрочную поддержку и решение всех технических проблем. Безусловно, стоимость этих систем намного выше стоимости систем массового спроса. Однако при правильной эксплуатации, неукоснительном соблюдении режима профилактики, своевременной замене изношенных компонентов совокупные затраты владения промышленными решениями оказываются намного ниже стоимости коммерческих систем.

ИБП офисного назначения (используемые в банках и центрах обработки данных) для повышения надежности обычно комплектуют 6- и 12-импульсными выпрямителями. Последний — намного сложнее и дороже, в нем задействовано больше плат управления. В ИБП промышленного исполнения часто идут по пути упрощенных решений, устанавливая даже трехимпульсный выпрямитель, несмотря на более низкий КПД.

Серийно выпускаемое оборудование с широким перечнем разнообразных опций по ряду параметров удовлетворяет индустриальным требованиям. Для эффективного функционирования в сложных условиях индустриальной среды источник массового назначения оснащается дополнительными опциями — высокочастотными фильтрами и входными изолирующими трансформаторами как внешнего, так и внутреннего исполнения. Защищая ИБП от внешних электромагнитных воздействий и выполняя функцию гальванической развязки по входу и выходу, такой трансформатор решает дополнительную проблему подавления пульсаций от самого инвертора.

Принцип простоты ради повышения надежности реализуется и в схемах управления самого источника бесперебойного питания. В начале 90-х гг. во всем мире производители различного оборудования стали внедрять более дорогую технологию микропроцессорного управления. Во избежание ошибок и сбоев для особо критичных приложений требуется дублировать схемы управления и устанавливать дополнительные процессоры. Один из возможных путей (по нему и пошли разработчики) — гибридное использование микропроцессорного управления наряду с аналоговым.

Если при отказе микропроцессора выходит из строя вся система, это приводит не только к потере выходного напряжения, но и к невозможности переключения статическим переключателем нагрузки на байпас. В некоторых случаях выпрямители и инверторы и сами ИБП создаются при минимальном использовании микропроцессоров, благодаря чему достигается высокий показатель надежности.

В промышленных ИБП потенциальные точки общего отказа тщательно продумываются и по возможности устраняются. В хорошо спроектированных системах, управляемых микропроцессором, как внутренние, так и внешние контролирующие цепи постоянно следят за его работой. При обнаружении ошибки критическая нагрузка немедленно переводится на байпас. Ручное переключение на байпас критической нагрузки дает обслуживающему персоналу возможность заняться обслуживанием ИБП. В коммерческих ИБП функция ручного переключения обычно реализуется путем разрыва цепи и в значительной степени зависит от работоспособности статического переключателя. Промышленные ИБП основаны на ином принципе перехода на байпас — без разрыва цепи с помощью барабанного переключателя. В некоторых промышленных ИБП ручное переключение на байпас имеет дополнительные переключающие контакты, которые изолируют статический переключатель от байпаса и инвертора в целях упрощения обслуживания.

Для офисных ИБП достаточно выполнить типовой тест и проводить полное тестирование обычно не требуется. Промышленные системы должны быть сертифицированы в соответствии с требованиями NEMA PE-1, NEMA PE-5, IEE-944, IEC-146.

Основные отличительные особенности ИБП промышленного назначения в сравнении с ИБП офисного назначения представлены ниже: