Рубрика «Стеклоэнергетика». Пути обеспечения гарантированного электроснабжения стекольного производства: от простого стабилизатора к интеллектуальным системам компенсации

Уважаемые коллеги!

Предлагаем вашему вниманию статью, подготовленную Комитетом по энергоэффективным технологиям Ассоциации «СтеклоСоюз» России (ССР). Данный материал входит в серию публикаций, посвящённых проблемам энергоснабжения предприятий стекольной промышленности.

В условиях растущих требований к качеству продукции и стабильности технологических процессов стекольных предприятий вопросы бесперебойного и качественного электроснабжения выходят на первый план. Любая просадка напряжения, «моргание» света или полное отключение энергии могут привести к браку, потере дорогостоящего оборудования и миллионным убыткам. В продолжение темы, поднятой в наших предыдущих публикациях, мы подробно разберем основные технологические решения для защиты от сбоев в сети: ИБП, ИКПП и ДКИН.

Исторически первым и довольно распространенным способом поддержки напряжения являлся стабилизатор – устройство, обеспечивавшее поддержание напряжения нагрузки в определенном интервале при более широком изменении напряжения сети. Классически стабилизаторы работали по принципу автотрансформатора с коммутируемыми дополнительными обмотками. Технология развивалась, на смену более простым релейным стабилизаторам пришли тиристорные. Однако ключевой недостаток этого класса оборудования оставался неустранимым: отсутствие собственного источника энергии. При глубоких и длительных просадках напряжения стабилизатору просто неоткуда «взять» недостающую мощность, что оставляет критическое оборудование беззащитным.

Рисунок 1 – Схема классического релейного стабилизатора

С развитием полупроводниковой техники и появлением управляемых инверторов стабилизаторы получили серьезного конкурента в лице источников бесперебойного питания (ИБП). Представляя собой, по сути, вставку постоянного тока, эти устройства полностью развязывают входное напряжение от синусоиды, которая поступает на нагрузку. При этом наличие аккумуляторной батареи дает возможность долгое время обеспечивать питание нагрузки при глубоких просадках или полном исчезновении напряжения сети. Однако при этом возникает сразу несколько проблем:

1. Появляются потери при преобразовании энергии переменного напряжения в постоянное и обратно. Даже самые качественные преобразователи теряют около 2,5% при преобразовании. Это дает как минимум 5% потерь, которые происходят постоянно – ведь для обеспечения защиты нагрузки оба преобразователя ИБП должны работать всё время.
2. Как быть при перегрузках или стартовых токах двигательной нагрузки? Преобразователь нельзя рассчитывать с превышением мощности в несколько раз. С этой целью начали применять схемы с автоматическими байпасными выключателями, которые шунтируют оба преобразователя и позволяют питаться напрямую от сети. Правда, при этом на время работы байпаса теряется защита нагрузки.
3. Как быть с расчетом релейной защиты нагрузки и сети? Необходимо исключить возможность подачи напряжения от инвертора в сеть (что может произойти, например, при включенном байпасе). Кроме того, необходимо учитывать предельный ток, который может выдать инвертор при расчете устройств РЗА на данном участке сети

Рисунок 2 – Источник бесперебойного питания двойного преобразования

В попытке справиться с первым из приведенных вопросов была разработана схема параллельного включения преобразователя, на основе которой разработаны линейно-интерактивные ИБП.

Рисунок 3 – Схема источника бесперебойного питания параллельного включения

В отличие от первоначальной схемы в них применяется двунаправленный преобразователь – он может выступать в роли выпрямителя при заряде аккумуляторов или инвертора при разряде. Однако в данной схеме имеется свое слабое место. При исчезновении напряжения прежде, чем преобразователь сможет подать напряжение в нагрузку необходимо отключить передаточный ключ. В противном случае энергия преобразователя будет расходоваться на все нагрузки сети, мощность которых во много раз превышает мощность преобразователя – он отключится по перегрузке. На отключение передаточного ключа также требуется некоторое время. В итоге при провале напряжения в синусоиде, поступающей в нагрузку образуется просадка длительностью до 30-50 мс (время отключения механического контактора). Существует вариация схемы, в которой применяются тиристорные ключи. При этом время искажения напряжения снижается до приемлемых для большинства типов нагрузки 5-7 мс. Однако, необходимо помнить, что при этом появляются потери из-за рассеивания на полупроводниках ключа (порядка 1,5%).

Важным минусом ИБП является сравнительно низкий срок жизни аккумуляторных батарей. Свинцово-кислотные живут, как правило 2-3 года. В результате при использовании такой батареи никогда не знаешь точно, отработает ли устройство при возникновении критической ситуации или нет. С появлением литий-ионных аккумуляторов, имеющих лучшие токовые характеристики и менее чувствительных к температуре эксплуатации этот срок увеличился до 10 лет.

Однако в некоторых случаях – скажем, если основной проблемой являются исключительно кратковременные просадки напряжения («моргушки») и длительного резервирования не требуется, необходимость аккумуляторов в принципе неочевидна. Для таких применений существуют несколько модифицированные устройства – источники кратковременного поддержания питания (ИКПП). Их отличие от схем ИБП в применении в качестве элемента накопления суперконденсаторов. Подробный обзор ИКПП приводился в предыдущей статье.

Однако, если существует необходимость поддержки питания нагрузки большой мощности (как правило, мощность более 1,5 – 2 МВА не поддерживается существующими ИБП) возникает большой вопрос. Решить его может достаточно редкое устройство – динамический компенсатор искажения напряжения ДКИН.

Рисунок 4 – Схема динамического компенсатора искажений напряжения

Принцип действия ДКИН основан на применении вольт-добавочного трансформатора специальной конструкции. При появлении просадок напряжения он через последовательно включенную первичную обмотку индуцирует необходимую вольт-добавку, стабилизируя таким образом напряжение нагрузки. Источником при этом служит остаточная энергия сети (напряжение которой просаживается при этом еще сильнее). Основным преимуществом схемы является отсутствие в ней элементов хранения с низким сроком службы. Впрочем, на наш взгляд, добавление суперконденсаторной или аккумуляторной батареи в звено постоянного тока между инвертором и выпрямителем лишним бы не было и позволило минимизировать негативное влияние ДКИН на остальную сеть.

Основным минусом ДКИН является сложная конструкция трансформатора, что делает его крайне сложно ремонтируемым или заменимым устройством.

Не существует универсального решения, подходящего для всех. Выбор между ИБП, ИКПП и ДКИН зависит от конкретных проблем в сети, типов защищаемого оборудования, требуемой мощности и длительности автономной работы.

Специалисты Ассоциации «СтеклоСоюз» совместно с инженерами ООО «РиМтехэнерго» готовы предложить вам комплексный подход:

• Проведем детальный аудит системы электроснабжения вашего предприятия.
• Выявим все типы сетевых проблем и их источники.
• Подберем оптимальное, экономически обоснованное техническое решение для гарантированного энергоснабжения.

Не позволяйте сетевым помехам диктовать вам условия производства! Обращайтесь к экспертам для консультации.

P.S. В следующих выпусках мы планируем подробно рассмотреть практические кейсы внедрения источников бесперебойного питания на предприятиях стекольной отрасли.

Публикации по данной теме:

✔ О создании Комитета по энергоэффективным технологиям. Ассоциации «СтеклоСоюз» России (открыть).

✔ Рубрика «Стеклоэнергетика». Энергетическая инфраструктура стекольного завода. Скрытые риски и точки роста (открыть).

✔ Рубрика «Стеклоэнергетика». Кратковременные просадки напряжения — невидимый враг стекольного производства (открыть).

✔ Рубрика «Стеклоэнергетика». ИКПП «Фарадей»: Технология суперконденсаторов на страже непрерывного цикла (открыть).