Дизельные роторные ИБП-системы (DRUPS)

Рассмотрим принцип работы одной из моделей DRUPS, представленных на рынке.

Алгоритм работы DRUPS

Электрическое питание из городской сети (так называемое «грязное»), проходя через дроссель, питает синхронный генератор, выступающий в роли двигателя. Соответственно, запитывается ответственная нагрузка. Вал генератора переменного тока вращается со скоростью 1500 об./мин. В обычном режиме работы синхронный генератор выполняет функцию стабилизатора и фильтра напряжения: устраняет гармонические искажения и короткие перебои (до 50 мс), импульсы помех, нивелирует скачки и провалы напряжения городской электросети. Благодаря ему частота и амплитуда выходного напряжения, подаваемого на нагрузку, неизменно стабильны.

Принцип работы дизельных роторных ИБП-систем не нов, подобные установки появились еще в 1950–1960%х гг. Прототипы DRUPS можно встретить на старых российских заводах. Но технологическое решение, пред назначенное для бесперебойного питания именно дата%центров, было предложено вендорами лишь недавно.

На одном валу с синхронной машиной вращается кинетический модуль – аккумулятор кинетической энергии, состоящий из двух роторов: внутреннего и внешнего. Внутренний ротор вращается с той же частотой, что и синхронный генератор – 1500 об./мин, внешний – около 3000 об./мин (относительно внутреннего – те же 1500 оборотов). При этом обмотка постоянного тока внутреннего и короткозамкнутая обмотка внешнего ротора вступают в электромагнитное взаимодействие.

Кинетический модуль в процессе нормальной работы системы накапливает кинетическую энергию. В случае кратковременного (в течение 5 с) пропадания внешнего электропитания или выхода его параметров за границы нормы синхронный генератор продолжает вращаться и питать нагрузку за счет передачи ему энергии модулем. Магнитное поле внутреннего ротора кинетического модуля замедляет скорость вращения внешнего ротора и благодаря электронному блоку управления автоматически поддерживает частоту синхронного генератора на уровне необходимых 1500 об./мин.

Если пропадание «грязного» электропитания происходит на более длительное время, или напряжение питания изменяется больше, чем на 10%, в игру вступает дизельный двигатель. Входной выключатель при этом размыкается, и синхронный генератор из электрической машины трансформируется в генератор тока. Панель управления в это время модулирует индуктивную связь между валом генератора и ротором кинетического модуля, который обеспечивает время автономной работы, необходимое для запуска дизеля. Отметим, что предоставляемое за счет кинетической энергии время автономии гораздо меньше, чем у статических ИБП, позволяющих в этом случае рассчитывать на довольно продолжительный период. В настоящее время производители DRUPS стремятся продлить время автономии: оно увеличивается, если ИБП будет работать при неполной нагрузке (~30%

.

В течение этой пятисекундной паузы срабатывает электромагнитное сцепление, обеспечивающее соединение дизельного двигателя и генератора (продолжительность процесса – в среднем не более 1 сек). Дизель вращается на оптимальных для системы оборотах – 1500 и передает энергию вращения синхронному генератору. Выходное напряжение снимается с обмоток генератора и идет через ответственную нагрузку. Кинетический модуль в это время накапливает энергию, возвращаясь к 3000 об./мин. Когда электропитание от сети возобновляется, синхронный генератор переходит на режим синхронного двигателя.

Игроки на рынке дизель-роторных ИБП

В настоящее время на рынке присутствуют четыре производителя DRUPS: Hitzinger, EURO-DIESEL, Hitec Power Protection и Piller, из них пристального внимания заслуживают два вендора – Hitzinger и EURO-DIESEL. Решения этих производителей не отличаются друг от друга по принципу работы, при этом между их продуктами есть определенное конструктивное отличие. Кинетический модуль в решении EURO-DIESEL располагается между синхронным генератором и дизельным двигателем, Hitzinger предпочитает устанавливать его, не разделяя остальные компоненты системы. Свой выбор Hitzinger обосновывает оптимальным расположением модуля в случае его поломки. DRUPS не потребуется останавливать на время проведения ремонта кинетического модуля, поскольку всегда можно будет оперативно осуществить его временную замену. Решение EURO-DIESEL подразумевает режим полного резервирования (2N) во избежание простоев оборудования в случае аварии и выхода из строя одного из DRUPS.

Качество работы дизельного роторного ИБП напрямую зависит от уровня технологического исполнения его компонентов. EURO-DIESEL и Hitzinger производят все детали DRUPS на собственных заводах, что позволяет говорить о том, что вендоры осуществляют полную технологическую цепочку: от проектирования решения до его предэксплуатационного тестирования.

Оба производителя предусмотрели в своих DRUPS дополнительный механизм старта дизельного двигателя. Если двигатель по той или иной причине не вступает в работу, происходит электромагнитное сцепление (через 3–4 с) и, как следствие, прокручивание стартера. Двигатель в этом случае гарантированно «заводится с толкача», что увеличивает надежность пуска ДГУ в аварийном режиме.

Максим Михайличенко, Генеральный директор ООО «ИНГРОСС Лтд» – партнера EURO-DIESEL на территории РФ, так оценивает DRUPS: «Дизельные роторные ИБП-системы демонстрируют высокий уровень надежности и эффективности при совокупной низкой стоимости с учетом поставки оборудования и его сервисного обслуживания. Основными заказчиками решения на сегодняшний день в большей степени являются владельцы ЦОДов, в меньшей – телекоммуникационная и авиационная отрасли промышленности.

Среди преимуществ DRUPS компании EURO-DIESEL можно назвать моноблочнуюконструкцию агрегата и двигатель MTU с пониженным уровнем шума и вибраций. Электромагнитная муфта STROMAG, в отличие от муфты сцепления механического типа, не требует смазки и обслуживания, за счет чего увеличивается срок службы решения. DRUPS также оснащен кинетическим модулем в виде асинхронной бесщеточной машины и бесщеточным бескольцевым синхронным генератором с системой смазки подшипников.

Решению не требуется кондиционирование воздуха для охлаждения кинетического модуля».

Где в плюсе, где в минусе

Как любое решение, DRUPS имеет свои преимущества и недостатки. Имеет смысл провести сравнительный анализ статических и динамических ИБП с целью выбора оптимальной технологии для того или иного проекта.

Использование дизельных роторных ИБП целесообразно, когда требуется обеспечить мощность от 200 КВт и выше.

С учетом окупаемости и рентабельности бизнеса владельцев дата-центров применять DRUPS рекомендуется для обеспечения ЦОД мощностью от 1 МВт и более. В то же время эта величина является минимальным шагом для наращивания, что потребует значительных первичных инвестиций, не соответствующих увеличению мощности серверного оборудования. Например, если вы владеете ЦОД мощностью в 1 МВт, резервирование придется обеспечивать с помощью двух DRUPS по 1 МВт каждый (схема 1+1). Когда энергопотребление дата-центра начнет расти, нужно будет установить дополнительный DRUPS мощностью 1 МВт, чтобы сохранить резервируемость (схема 2+1). В случае со статическими ИБП ситуация иная: на рынке они представлены в широком диапазоне, поэтому мощность можно наращивать постепенно.

По нашим оценкам, эффективность DRUPS начинает появляться в расчетах ТСО на 7 лет при мощности >1 МВт на серверную нагрузку.

При отсутствии капитальных затрат на аккумуляторные батареи имеют место расходы на ремонт дизельных двигателей и другие сопутствующие издержки на эксплуатацию.

По сравнению с классическими ИБП, которые предусматривают резервирование с помощью ДГУ, DRUPS требует гораздо более частых запусков дизеля.

В случае возникновения чрезвычайных ситуаций практически не остается времени на размышления, необходимо ли запускать дизель. Частое количество запусков логично требует большого количества дизельного топлива, для которого необходимы дополнительные емкости для хранения. В то же время емкости нуждаются в повышенных мерах безопасности, таких, как возможность резервного сброса дизельного топлива в случае аварии. Хранилища дизельного топлива в конечном итоге накладывают свой отпечаток на общую стоимость решения.

Необходимо также обратить внимание на такой параметр, как время восстановления системы в случае отказа. При соответствующей конфигурации ЗИП любая авария в статических ИБП может быть устранена за 8 часов. Минимальный срок для полного восстановления DRUPS составляет 24 часа.

Табл. 1. Комплексное сравнение систем бесперебойного электропитания на базе динамических и статических ИБП

При этом вероятность возникновения неожиданных аварий при использовании дизельных роторных ИБП значительно выше в сравнении с использованием аккумуляторных батарей. Это объясняется тем, что химические элементы в составе батарей и происходящие химические процессы в значительной степени поддаются контролю (например, с помощью специальных систем мониторинга). Это позволяет заблаговременно осуществлять проактивные действия для предупреждения неисправностей. В случае с DRUPS имеет место вероятность скачкообразного возникновения аварии, поскольку поведение механической системы практически невозможно спрогнозировать.

Поскольку DRUPS – кинетическая конструкция с наличием большого количества подвижных частей, она требует максимально ровного фундамента и тщательных выравниваний горизонтов при установке. Иногда оптимально отвести под DRUPS отдельное здание, в нем в обязательном порядке должны присутствовать кран-балки для проведения сборочно-разборочных работ и эксплуатационного обслуживания ИБП.

Одно из преимуществ DRUPS состоит в том, что этот продукт поставляется «под ключ» в виде готового решения. В случае со статическими ИБП требуются проектирование дизельного генератора и разработка схемы его взаимодействия с батареями. К DRUPS нужно лишь подвести питание (вход) и обеспечить его подачу на нагрузку (выход). За качественное выполнение остальной работы отвечает производитель решения.

В отличие от статических ИБП, DRUPS оптимально использовать для электропитания кондиционеров. Компрессоры кондиционеров характеризуются очень высокими стартовыми токами, которые статические источники бесперебойного питания не всегда могут обеспечить. В то же время DRUPS позволяют частично сократить инвестиции в систему кондиционирования за счет своей терпимости к переменам температур. Аккумуляторные батареи требуют строгого режима эксплуатации – не более +25 °C и постоянного кондиционирования воздуха. С другой стороны, в этом вопросе немаловажную роль играет человеческий фактор: температура помещения, в котором установлен DRUPS, может достигать +40 °C, при этом дизельные роторные ИБП периодически требуют проведения эксплуатационных работ. Не каждый сотрудник согласится провести даже ограниченное время в помещении при +40 °C, вполне приемлемых для DRUPS.

Важным аспектом при использовании любого решения является наличие нормативно-правовой документации. К сожалению, необходимого пакета документов на дизель-роторные ИБП в России пока нет. При их ввозе в страну и прохождении таможни возникают значительные трудности.

Но полагаем, что этот вопрос достаточно быстро разрешится.

Инсталляции DRUPS в России – пока вопрос будущего.

В то же время существует определенный круг заказчиков компании «Инфосистемы Джет», проявляющий интерес к данному решению.

Фотографии, используемые в статье, принадлежат компании EURO-DIESEL.