Совместная работа нескольких источников питания на одну нагрузку

Первое включение ИБП Eaton Powerware 9355

Первое включение любого большого UPS, в том числе и нашего Eaton Powerware 9355 на 15 кВА, — ответственная операция. Именно сейчас
выяснится, правильно ли мы подключили многочисленные провода, выяснится, будет ли работать UPS многие годы или нам сначала придется вызывать
ремонтников. В общем, «война… — это война». Производитель рекомендует перед первым включением
UPS проводить операцию,
которая чем-то сродни предполетной проверке самолета. Вот коротенький список пунктов, каждый из которых нужно проверить
(и отметить красивой галочкой в квадратике), прежде чем двигаться дальше:

правильность установки UPS на месте проверена; температура и влажность в помещении соответствуют
условиям эксплуатации UPS,
(см. инструкцию); система вентиляции (кондиционирования) готова к
работе;UPS правильно заземлен; напряжение в электрической сети примерно
соответствует номинальному напряжению UPS; все электрическое соединения входа выпрямителя, входа
байпаса и выхода UPS
выполнены правильно, кабелями нужного сечения; на входе и выходе UPS установлены автоматические
предохранители на нужные токи; на выходном щитке UPS установлены предупреждающие плакаты; внутри UPS нет забытых инструментов или мусора; все крышки UPS стоят на месте;UPS стоит на нужном месте, между ним и
другим оборудованием имеются нужные зазоры, воздух свободно обтекает
ИБП Eaton Powerware 9355

Теперь мы готовы первый раз включить наш
трехфазный ИБП Eaton Powerware 9355. Сначала подадим на него напряжение, включив соответствующий автомат во входном
щитке.

Переведем переключатели выпрямителя и батареи в положение «включено». (В этом
положении выключатели останутся долго — до профилактики или ремонта ИБП. А до тех пор, все переключения и настройки
будут проводиться с передней панели.) UPS сейчас находится в спящем режиме — дисплей не
светится, на выходе нет напряжения. Но аккумуляторная батарея
заряжается, а сам
Eaton 9355 готов к работе.

Ткнем пальцем в любую из кнопок на передней панели.
Eaton 9355 оживет — дисплей начнет светиться, на нем появится меню. Выбираем пункт «Turn UPS ON», а потом нажимаем и удерживаем
кнопку ввода пару секунд — UPS проверяет свои системы, включает инвертор и синхронизует его с байпасом, а потом подает напряжение
на нагрузку. На передней панели
Eaton Powerware 9355 светится зеленый светодиод — UPS находится в нормальном режиме работы —
потребители снабжаются стабилизированным, очищенным от помех напряжением.

Схема бесперебойного питания

На рисунке ниже — упрощенная однолинейная схема бесперебойного питнаия. На ней
вместо трех фазных проводов нарисован один (поэтому она называется однолинейной), и не показаны клемники и автоматы, без
которых построить реальную схему не удастся.

По сравнению со схемой бесперебойного питания, которая приведена на странице про
подключение небольшого ИБП, здесь два изменения.

Линия защитного заземления не проходит через UPS, а обходит его. В этом случае меньше
соспротивление заземляющих проводников.

В случае поломки UPS, его нужно вывести из эксплуатации
для ремонта, а оборудование запитать от электрической сети. Для небольшого UPS (до 3 кВА) это делается просто:
вилка UPS вынимается из
розетки, а оборудование подключается к той же розетке непосредственно. С
трехфазным ИБП этот фокус не пройдет. Все соединения будут сделаны клеммами, отсоединять их нежелательно из-за
возможных ошибок при обратном подключении, да и трудоемко это. Поэтому, пути для отступления прокладывают в этом случае
заранее — при первом подключении
трехфазного UPS делают линию ручного (сервисного) байпаса. Байпас — от английского bypass (обходная линия).
Ручным он называется потому, что включают его вручную, а сервисным — потому, что используется он во время ремонтных
работ.

Теперь самое время определиться, что мы будем подключать. Подключать мы будем
высококлассный трехфазный on-line UPS (ИБП с двойным преобразованием)
Eaton Powerware 9355 мощностью 15 кВА в комплекте с ручным байпасом и 64-ю специальными аккумуляторами для ИБП
емкостью 9 А*час. «А как там будет с гарантией?», — спросите вы. Насчет себя я договорился, а вы — спросите
у своего поставщика.

Технические особенности Hot Sync

Управляющий цифровой процессор (DSP) каждого ИБП работает по определенному алгоритму, благодаря которому все ИБП в параллельной системе автоматически синхронизируются и делят нагрузку поровну. Если имеется общий байпас, то он используется в качестве источника синхронизации на выходе. При отсутствии общего байпаса каждый из процессоров, управляя своим инвертором на основе данных собственных измерений выходных параметров, плавно изменяет фазу своей выходной синусоиды так, чтобы синхронизировать ее с другими источниками и сбалансировать нагрузку.

Внутренние выходное сопротивление ИБП имеет индуктивный характер, т.е. его можно представить в виде индуктивности, включенной последовательно с источником напряжения. Если фазы выходного напряжения отличаются, это значит, что между устройствами присутствует поток мощности, который и приводит к неравномерному распределению нагрузки.

Чем больше фазовый сдвиг, тем хуже распределяется мощность. Разность фаз можно уменьшить с помощью микропроцесора, управляющего инвертором ИБП, для регулировки фазы напряжения выходной мощностью. Чтобы снизить разницу фаз до нуля и обеспечить равномерное распределение нагрузки, можно использовать измеренную разность фаз для корректировки выходной частоты. Для ускорения процесса изменения частоты и синхронизации ИБП в управляющий алгоритм микропроцессора вводится дополнительный коэффициент, учитывающий степень изменения нагрузки как отклик системы на изменение частоты.

Мониторинг выходного сигнала выполняется 3000 раз в секунду, производится расчет частоты тока. Эти же измерения, основанные на вычислении мгновенной мощности, также используются для целей диагностики и определения вышедшего из строя модуля.

Отрицательное значение, возникающее даже на короткий промежуток времени, свидетельствует о внутренней поломке, например, коротком замыкании инвертора IGBT. В этом случае ИБП сразу отключается, максимально снижая резкое отклонение напряжения. Это называется «селективным отключением».

Технология Hot Sync позволяет выполнять полное техническое обслуживание последовательно для резервных модулей ИБП без использования внешнего сервисного байпаса. Отключение критических нагрузок от сети не требуется. Запланированное или незапланированное техническое обслуживание может выполняться, оставляя нагрузку все время под защитой.

Подключаем кабели к ИБП Eaton Powerware 9355

Сначала подключим выходной кабель к выходному щитку.

Электрики привыкли к тому, что для
снятия напряжения с какого-то участка электрической сети достаточно отключить автомат «выше по течению».
С выходным щитком ИБП
это не так — в нем может быть опасное напряжение, даже, если отключится электричество во всем городе. Это ведь и есть работа
ИБП — поддерживать
напряжение во время отключения. Поэтому, для безопасности, на выходном щитке ИБП нужно повесить два (один снаружи, а другой
внутри щитка) ярких и страшных плакатика примерно такого содержания: «Перед работой в щитке, отключи источник
бесперебойного питания».

Затем откатим
ИБП (у него есть
колесики) от стены, так, чтобы можно было свободно работать с задней панелью, и убедимся, что входной
кабель не подключен к входному щитку, автоматы во входном щитке и автоматы на задней панели «вход выпрямителя»
и «вход батареи», расположенные на задней панели
ИБП Eaton Powerware 9355 — 15 кВА разомкнуты. Это гарантирует нам отсутствие напряжения на проводах и клеммах во время
подключения.

На задней панели ИБП видим модуль ручного (сервисного) байпаса.
Если модуля
байпаса нет, — возможно он приехал в отдельной коробке, и его нужно монтировать самим. Мы опустим эту несложную операцию
и продолжим в предположении, что ручной байпас установлен. Подключим сначала провод защитного заземления Pe.

Отвернув винты, откроем крышку задней панели байпаса. Перед нами два клеммника:
вход статического байпаса и выход ИБП. Подключаем входной и выходной кабели (в каждом по 4 проводника). Открыв верхнюю крышку задней
панели
Eaton Powerware 9355 подключаем в клеммам входа выпрямителя 3 короткие перемычки от клеммника байпаса — теперь две
входные линии ИБП подключены параллельно — ведь у нас одна электрическая сеть. Для работы выпрямителя
Eaton Powerware 9355 нужно нейтраль, которую мы к выпрямителю не
подключили, потому что это соединение есть внутри UPS.

Убедимся, что автоматы
сервисного
(ручного) байпаса зафиксированы в положении «OFF-ON_ON» — как на рисунке. Выключатели сервисного байпаса не
понадобятся — они будут нужны только тогда, когда ИБП будут ремонтировать (например, если
мы напортачим при подключении)

Обратим внимание на положение всех автоматов
ИБП в данный момент.
Вход сервисного байпаса соединен с входом статического байпаса. Автомат «батарея» и автомат «выпрямитель»
выключены

Теперь можно пододвинуть
ИБП Eaton Powerware 9355 к стенке и вывинтить опорные стойки снизу — во время эксплуатации, ИБП будет стоять на четырех «пятачках»,
а не на колесах. Теперь он не сдвинется с места, даже, если его толкнуть. После этого можно подключить входной кабель
ИБП к входному щитку.

Как проверить работоспособность терморегулятора?

Посмотрим на примере, как можно проверить, работает ли терморегулятор, при помощи обычной лампочки.

Шаг 1. Терморегулятор подключается к сети с соблюдением всех правил. То есть фазный провод подсоединяется к клемме L, а нулевой – к клемме N. Также подключаются датчик температуры и обычная лампочка, вкрученная в патрон. Она будет являться индикатором нагрузки.

Подключение терморегулятора

Лампочка послужит индикатором нагрузки

Шаг 2. Подключенный к сети терморегулятор включается при помощи тумблера.

Включается терморегулятор

Шаг 3. Рычажок, ответственный за увеличение температуры, устанавливается на максимум.

Задается максимальная температура

Шаг 4. Если терморегулятор исправен, то лампочка загорится.

Лампочка загорелась

Шаг 5. При помощи такой схемы можно проверить и датчик температуры. Для этого он берется в руку, а регулятор температуры устанавливается на среднее значение.

При помощи такой схемы можно проверить и датчик температуры

Шаг 6. Регулятор температуры опять поворачивается до более высоких значений. Лампочка снова загорится. Но когда датчик нагреется до температуры человеческого тела, она погаснет.

Лампочка снова загорелась

Шаг 7. После этого систему можно оставить в покое. Через некоторое время лампочка загорится вновь, когда датчик температуры остынет и подаст сигнал терморегулятору.

В очередной раз загорелась лампочка

Подготовка к подключению трехфазного ИБП (UPS). Кабели и предохранители.

В щитке, к которому мы будем подключать трехфазный
ИБП Eaton Powerware 9355 должна быть предусмотрена отдельная линия с автоматическим выключателем на 32 А.
Автомат могжет стоять самый обычный, наиболее распространенная в России серия С подойдет. У
Eaton Powerware 9355 предусмотрена возможность независимого питания выпрямителя и байпаса. В случае, если имеются
две принципиально независимые электрические сети (питающиеся от разных станций), можно подключить одну линию в выпрямителю
— от нее будет питаться ИБП и все подключенное к нему оборудование в нормальном режиме; а другую линию подключить к байпасу
— на нее нагрузка будет переведена в случае перегрузки. В чем же преимущество? В том, что если первая линия отключится
(ИБП, конечно, перейдет на
работу от аккумуляторной батареи) и будет полностью исчерпан
заряд батареи, питание нагрузки будет переведено на питание
через байпас, который питается от независимой линии, в которой осталось напряжение. Будем ли мы это делать? Нет, не будем, — у нас нет двух линий. Да и в случае наличия двух линий, лучше (много лучше) потратить еще немного денег и сделать
полноценную систему бесперебойного питания с АВР (автоматом ввода резерва), который будет стоять перед
ИБП.

На выходе
ИБП Eaton Powerware 9355 должен быть еще один щиток — выходной, для распределения нагрузки (вариант — автоматы во все
том же входном щитке). Номиналы автоматов и количество переключаемых полюсов зависят от мощности и количества фаз нагрузки.
Казалось бы можно не ставить общий автомат на выход
Eaton Powerware 9355, особенно, если имеется (как у нас) сервисный байпас, где общий выходной выключатель присутствует.
Но в сервисном байпасе этот автомат (как и все прочие) заблокирован, чтобы неправильными переключениями не нанести
вред ИБП и нагрузке. Поэтому мы поставим отдельный выходной автомат на 25 А, —
вся структура выходной электрической сети станет прозрачной для электриков и персонала, обслуживающего подключенное
к UPS оборудования — они смогут легко распоряжаться выходной сетью в соответствии со своими
потребностями, а в ИБП
эти люди совсем не обязаны разбираться.

Для подключения
БП Eaton Powerware 9355 мощностью 15 кВА,
понадобятся 5 медных проводников сечением 10 мм2 (три
фазных провода, нейтраль и защитная земля). Мы будем подключать ИБП к электрической сети с глухозаземленной
нейтралью, но все равно, для избежания путаницы, проведем два отдельных провода N и Pe.

Предупреждение

Если
подключение небольшого ИБП немногим сложнее, чем подключение к электрической сети пылесоса, то с большим
трехфазным UPS дело обстоит
совершенно иначе. Вся прецедура рассчитана на
профессионала, знакомого, как минимум с правилами электробезопасноти.
Еще он должен знать Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ). Т.е. быть квалифицированным (и сертифицированным, т.е.
сдавшим соответствующие экзамены) электриком. Очень желательно иметь еще и опыт подключения UPS. Вы так круты? Здорово. Но это еще не все.

Еще одной проблемой является гарантия. Некоторые поставщики
трехфазных ИБП требуют, чтобы ИБП, подключались только специалистами, сертифицированными производителем
UPS, в противном случае,
гарантия снимается. Это помогает избежать неправильного подключения (что уменьшает расходы производителя на гарантийное
обслуживание) и дает возможность немного заработать сертифицированным специалистам и тем, кто их обучает. Прежде чем
самостоятельно подключать
трехфазный ИБП, даже не очень мощный, узнайте, разрешает ли производитель или ваш поставщик самостоятельное
подключение и сохраняется ли гарантия в этом случае. Если ответы будут благоприятные, идем дальше.

Источник питания на примере гидравлики

Давайте рассмотрим водобашню, в которой есть автоматическая подача воды. То есть сколько бы мы не потребляли воды из башни, ее уровень воды будет неизменным.

Схематически это будет выглядеть вот так:

Башню с автоматической подачей воды можно считать источником питания. В химических же источниках питания происходит разряд, что ведет к тому, что уровень напряжения понижается при длительной работе. А что такое напряжение по аналогии с гидравликой? Это тот же самый уровень воды)

Давайте отпилим у водобашни верхнюю часть для наглядности. У нас получится цилиндр, который заполнен водой. Возьмем за точку отсчета уровень земли. Пусть он у нас будет равняться нулю.

Теперь вопрос на засыпку. В каком случае давление на дно будет больше? Когда в башне немного воды

либо когда башня полностью залита водой так, что даже вода выходит за ее края

Разумеется, когда башня наполнена только наполовину водой, на дне башни давление меньше, чем тогда, когда в башне воды под завязку.

Думаю, не надо объяснять, что если в башне вообще нет воды, то никакого давления на дне башни не будет.

По тому же самому принципу работает батарейка или аккумулятор

На электрических схемах ее обозначение выглядит примерно вот так:

Также, чтобы получить необходимое напряжение, одноэлементные источники питания соединяют последовательно. На схеме это выглядит вот так:

Любой аккумулятор или источник постоянного тока имеет два полюса: “плюс” и “минус”. Минус – это уровень земли, как в нашем примере с водобашней, а плюс – это напряжение, по аналогии с гидравликой это и будет тот самый уровень воды.

Кто здесь главный?

Чтобы надежно и предсказуемо функционировать в общей группе, источники питания, как правило, должны специально проектироваться для параллельной работы. Необходимы синхронизация при запуске, координация цепей защиты от неисправностей и стабильность контура обратной связи.

Для группы источников питания, соединенных параллельно с целью увеличения полезного тока нагрузки, требуется использование таких методов управления петлей обратной связи, которые учитывают совместную работу источников. Распространенной стратегией является включение источников питания без внутренних усилителей сигналов ошибки, когда вместо этого все источники объединяются в группу с общим входом управления, подключенным к одному усилителю ошибки. Этот усилитель регулирует выходное напряжение системы, а затем его сигнал обратной связи распределяется между всеми источниками питания в системе.

Основным преимуществом этой популярной стратегии управления является отличная стабилизация выходного напряжения. Кроме того, ошибки распределения уходят на второй план перед производственным разбросом коэффициентов усиления широтно-импульсных модуляторов преобразователей. С другой стороны, использование одного усилителя ошибки и однопроводной шины управления создает уязвимую для неисправностей точку, которая может стать источником проблем в некоторых высоконадежных системах. Кроме того, параметрические отклонения в модуляторе трудно контролировать, что вынуждает производителя к компромиссному решению в пользу управления распределением токов нагрузки.

В варианте с общей петлей регулирования ошибки распределения токов можно сделать минимальными, если жестко ограничить разброс параметров цепей управления источников. Во избежание перегрузки какого-либо источника в группе из-за больших ошибок распределения необходимо либо снизить расчетную нагрузку группы, либо использовать определенные меры противодействия. Для выравнивания ошибок распределения токов, обусловленных разбросом параметров цепей управления, может использоваться заводская регулировка для калибровки выходных ошибок (дорогостоящий метод), или добавление в каждый источник массива локального контура стабилизации тока (что увеличит сложность схемы и количество компонентов). Для измерения тока этих локальных петель, как правило, к источнику питания добавляют резистивный шунт.

Еще один проблемой, возникающей в случае группирования изолированных источников питания, имеющих собственные узлы управления с опорными уровнями на первичной стороне DC/DC преобразователя, является передача сигнала усилителя ошибки через изолирующий барьер между первичной и вторичной частями схемы. Использование изоляции часто увеличивает стоимость решения, отбирает существенную часть ценной площади печатной платы и, в зависимости от используемых для изоляции компонентов, может неблагоприятно влиять на надежность.

Вторая стратегия организации контура управления, позволяющая объединять источники в параллельные группы, основана на использовании сопротивлений силовых проводников в качестве балластных резисторов для метода, изображенного на Рисунке 1. При реализации технологии, называемой «droop-share» (распределенное снижение напряжения), каждый источник питания имеет свое опорное напряжение и интегрированный усилитель ошибки, но вслед за увеличением тока нагрузки опорное напряжение намеренно и линейно снижается на некоторую определенную величину.

Запараллеливание источников питания может оказывать негативное влияние на переходную характеристику и качество стабилизации выходного напряжения. В методе droop-share для распределения мощности между модулями в группе намеренно используется обратная характеристика регулирования. Из-за этого стабильность выходного напряжения группы droop-share, как правило, бывает хуже, чем у группы, созданной с одним традиционным усилителем ошибки. Если это нежелательно, для эффективной компенсации отрицательного наклона характеристики управления можно использовать внешний контур регулирования. Получающаяся погрешность статического регулирования идентична погрешности для случая традиционного усилителя ошибки, так как внешний контур сам по себе является интегратором ошибки.

Этот «ИЛИ» тот?

Казалось бы, «простое» решение дилеммы прямого подключения состоит в том, чтобы всего лишь использовать диод между каждым источником питания и общей точкой, объединяющей все источники. Такой метод (Рисунок 2) обычно называют диодным «ИЛИ». Диодное «ИЛИ» очень эффективно тогда, когда нужно исключить возможность протекания тока вне общей нагрузки, но, как правило, недостаточно для устранения ошибок распределения между источниками питания с независимыми усилителями ошибки, поскольку излом характеристики проводимости диода достаточно резок для того, чтобы параметрические различия в уставках по-прежнему оставались причиной значительного дисбаланса источников.

Рисунок 2.

В принципе, выходы нескольких источников питания могут быть
объединены с помощью диодов, изолирующих источники друг от
друга, но при такой конфигурации возникает множество проблем,
связанных с балансировкой и распределением токов.

Как правило, диодное «ИЛИ» требуется для работающих независимо источников питания, выходные токи которых могут быть как вытекающими, так и втекающими (работа в двух квадрантах). Эффект прямого параллельного соединения таких источников питания без использования диодов будет намного хуже, чем в случае одноквадрантных источников. В то время как одноквадрантные источники питания лишь теряют точность при подключении к общей нагрузке, двухквадрантные источники будут активно бороться за контроль над общим выходным напряжением. Это приведет к превышению токов, циркулирующих в группе источников питания, над током в нагрузке, и, возможно, станет причиной немедленной перегрузки одного или нескольких источников.

Кроме того, если диоды имеют отрицательный температурный коэффициент порога проводимости, они даже будут способствовать нарушению распределения токов в группе источников. Один из способов смягчения этой проблемы заключается в использовании выпрямителей с положительным температурным коэффициентом – на диодах Шоттки, или на полевых транзисторах, выполняющих функции диодов в схеме активного «ИЛИ», однако диоды могут снизить общий КПД за счет прямого падения напряжения, а активное «ИЛИ» может увеличить стоимость и сложность схемы.

В некоторых случаях диодное «ИЛИ» может способствовать повышению надежность на системном уровне. Особенно интересен случай, когда в одном из блоков питания происходит короткое замыкание выходного полевого транзистора или конденсатора, что может поставить под угрозу работу общей шины выходного напряжения. Диоды схемы «ИЛИ» быстро отсекут короткое замыкание от общей выходной шины и обеспечат устойчивость и надежность системы.

Параллельное соединение проводников

Параллельное соединение проводников выглядит вот так.

параллельное соединение резисторов

Ну что, думаю, начнем с сопротивления.

Сопротивление при параллельном соединении проводников

Давайте пометим клеммы как А и В

В этом случае общее сопротивление R_AB будет находиться по формуле

Если же мы имеем только два параллельно соединенных проводника

То в этом случае можно упростить длинную неудобную формулу и она примет вид такой вид.

Напряжение при параллельном соединении проводников

Здесь, думаю ничего гадать не надо. Так как все проводники соединяются параллельно, то и напряжение у всех будет одинаково.

Получается, что напряжение на R1 будет такое же как и на R2, как и на R3, так и на Rn

Сила тока при параллельном соединении проводников

Если с напряжением все понятно, то с силой тока могут быть небольшие затруднения. Как вы помните, при последовательном соединении сила тока через каждый проводник была одинакова. Здесь же совсем наоборот. Через каждый проводник будет течь своя сила тока. Как же ее вычислить? Придется опять прибегать к Закону Ома.

Чтобы опять же было нам проще, давайте рассмотрим все это дело на реальном примере. На рисунке ниже видим параллельное соединение трех резисторов, подключенных к источнику питания U.

Как мы уже знаем, на каждом резисторе одно и то же напряжение U. Но будет ли сила тока такая же, как и во всей цепи? Нет. Поэтому для каждого резистора мы должны вычислить свою силу тока по закону Ома I=U/R. В результате получаем, что

I₁= U/R₁

I₂= U/R₂

I₃= U/R₃

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

I_n= U/R_n

В этом случае, сила тока в цепи будет равна:

Задача

Вычислить силу тока через каждый резистор и силу тока в цепи, если известно напряжение источника питания и номиналы резисторов.

Решение

Воспользуемся формулами, которые приводили выше.

I₁= U/R₁

I₂= U/R₂

I₃= U/R₃

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

I_n= U/R_n

Следовательно,

I₁= U/R₁= 10/2=5 Ампер

I₂= U/R₂= 10/5=2 Ампера

I₃= U/R₃= 10/10=1 Ампер

Далее, воспользуемся формулой

чтобы найти силу тока, которая течет в цепи

I=I₁ + I₂+ I₃= 5+2+1=8 Ампер

2-ой способ найти I

I=U/R_общее

Чтобы найти R_общеемы должны воспользоваться формулой

Чтобы не париться с вычислениями, есть онлайн калькуляторы. Вот один из них. Я за вас уже все вычислил. Параллельное соединение 3-ех резисторов номиналом в 2, 5, и 10 Ом равняется 1,25 Ом, то есть R_общее = 1,25 Ом.