Back-UPS APC500- главный герой этой статьи
Статья посвящена использованию Источников Бесперебойного Питания (ИБП) для питания промышленного оборудования. Рассказано подробно, как я использовал UPS мощностью 500 Вт для питания промышленного холодильника на 22 кВт. Приведены осциллограммы на выходе Smart и Back UPS.
Немного предыстории. Обратился ко мне один клиент с такой проблемой. У него имеется огромный холодильник-цистерна для хранения молока. У холодильника два трехфазных компрессора, оба по 11 кВт мощности.
Всё бы ничего, но иногда бывают внезапные отключения света, что может привести к прокисанию молока и недопустимым материальным потерям. Чтобы перестраховаться от таких форс-мажоров, которые бывают несколько раз в день (это сельская местность), было решено купить дизельный генератор мощностью 30 кВт для питания этого холодильника.
Получилось так, что генератор установлен на расстоянии около 100 м от холодильника, при этом используются 2 разъема, 1 болтовое соединение, и контакты двух автоматических выключателей. Жилы в кабеле сечением 6 мм² меди и 16 мм² алюминия. Устанавливал генератор не я, но последствия этого безобразия устранять пришлось мне.
Питание от генератора_старая схема
А безобразие проявлялось вот в чём. Генератор выдавал на холостом ходу честные 225В по каждой фазе. При включении холодильника напряжение на вводе холодильника опускалось до 125…145 В. Естественно, ни один компрессор не захочет запускаться в таких условиях.
И дело прежде всего в том, что блок управления не может нормально управлять запуском. Блок управления выдаёт напряжение на включение пускателей, которые включают компрессоры (не одновременно!). Пускатели (контакторы) включаются, компрессор запускается, напряжение падает, пускатель отпускает, компрессор отключается.
Я был на объекте со специалистом фирмы ИК Энергопартнер (благодарности ниже), и у нас был замечательный прибор — анализатор качества напряжения HIOKI 3197. C помощью этого прибора видно всё, что происходит в сети. Мы подключились на входе питания холодильника, и вот что увидели:
Провалы напряжения при включении холодильника
Как видно из графика, напряжение в момент запуска падало до примерно 125 В. А вот соответствующие скачки тока:
Скачки тока при включении питания
Налицо — большое падение напряжения, и повышением мощности генератора тут точно проблему не решить.
Была мысль посоветовать купить новый генератор, и установить на место старого. Но интуиция мне подсказывала, что при огромных материальных затратах с такой проводкой новый генератор не поможет — слишком большие пусковые токи, и слишком ржавые болты в соединениях.
Было предложено перенести генератор, чтобы схема питания выглядела примерно так:
Питание от генератора_новая схема
Но перенести генератор тоже было проблематично, не будем об этом.
Вот такой замкнутый круг. Конечно, я не собирался стабилизировать трехфазное напряжение, питающее весь холодильник. Достаточно было стабилизировать управляющее напряжение, которое берется от одной из фаз, питающих трехфазные компрессоры.
А это одна фаза 220В и мощность не более 300ВА.
Прежде всего, я убедился, что проблема действительно в том, что пускатели не могут удерживаться во включенном состоянии из-за низкого напряжения на их катушках. Для этого я просто зажал пальцем пускатель, и компрессор запустился!
Способ очень грубый и топорный, но для первоначального анализа поломок и приведения оборудования в чувство часто действует. Главное — делать это с пониманием.
Как же стабилизировать напряжение питания этих пускателей? Мощность при этом требовалась сравнительно небольшая.
Если бы питались только БП, которые преобразовывают из переменного в постоянное, проблема решилась бы очень просто установкой парочки электролитов в цепь постоянного напряжения 315В. И провалы напряжения 1-2 сек. были бы не страшны. Но пускатели питались переменкой…
Первое, что приходит в голову — стабилизатор напряжения. Однако, у стабилизаторов в данном случае очень долгое время включения. Лишь у тиристорных моделей она составляет приемлемое значение — около 2 периодов напряжения (40 мс). Однако, производитель не уточняет, сколько секунд понадобится стабилизатору, чтобы переключиться и поднять напряжение на выходе при мгновенном проседании питающего напряжения с 220 до 140 В. Экспериментировать у меня не было времени, да и минимальная стоимость такого стабилизатора — около 10000 руб.
Кстати, для сглаживания помех с сети используют варисторы, которые поглощают кратковременную импульсную помеху. Чем мощнее варистор, тем бОльшую энергию импульса он сможет погасить. Варисторы ставят на входах различных приборов, а также в «Пилотах» для питания офисной техники. А также — на входе питания цепей управления, и даже параллельно катушкам пускателей, чтобы сгладить нежелательные импульсы напряжения.
Решено было использовать источник бесперебойного питания (ИБП). Но надо было выбрать, какой использовать ИБП — Back (OFFLINE) или Smart. Думаю, большинство моих читателей примерно знают, чем отличаются эти виды ИБП.
Коротко. Back тупо переключает нагрузку на питание от батарей при выходе входного напряжения за пределы. Smart UPS действуют умнее, как следует из названия. Они ещё дополнительно переключают внутренний автотрансформатор, в некотором смысле стабилизируя входное напряжение. И только в крайнем случае переходят на батарею.
Напряжение на выходе Back UPS
Напоминаю, что мне нужен был UPS с одной целью — устранить кратковременный (около 1 сек.) провал входного напряжения. Поэтому я провёл исследование с использованием осциллографа Fluke 124. Осциллограммы привожу и комментирую ниже.
Back UPS. Осциллограмма при переходе с сети на батарею.
Что видно по этой временной диаграмме? Период 20мс, частота 50Гц, амплитуда 315В. Стоит отметить, что фаза синуса и генерируемых импульсов совпадает, что хорошо. При пропадании сетевого напряжения ИБП мешкается 5-7 мс, и затем идут импульсы, которые называются «квази-синус». Вот они:
Back UPS. Напряжение на выходе при питании от батарей.
Осциллограф померял RMS напряжение (среднеквадратическое), оно соответствует норме. Однако, когда я измерил это же напряжение мультиметром, я получил значение 155 В. Дело в том, что мультиметр меряет только первую гармонику с частотой 50Гц. Для синуса всё гладко. Но если измерять напряжение таких вот импульсов, надо мерять именно RMS, среднеквадратическое, иначе не будут учтены следующие гармоники — 100, 150, 200 Гц. А они составляют значительную часть энергии, до 30%. Эту особенность знают производители UPS, и чтобы не заморачиваться (и не повышать цену на свои изделия), выдают на наши приборы такие импульсы с амплитудой около 370В.
Для любителей чистого синуса существуют Online UPS.
Вот укрупненный график, где видно, что напряжение после переключения сначала повышается на пол секунды до 400В, а потом стабилизируется:
Back UPS. Выход, длительность 2 секунды
А вот как меняется форма напряжения на выходе Back-UPS в момент перехода с батарейного на сетевое питание:
Back UPS_Напряжение на выходе ИБП при переходе с батареи на сеть
Тоже фаза не меняется, всё замечательно. Подключал на выход ИБП пускатель 2-й величины, переключал туда сюда режимы питания — пускатель втянут надежно, никаких проблем.
В качестве испытуемого был ИБП, морда которого приведена в начале статьи, а его параметры на фото ниже:
Параметры Back UPS — задняя панель
Напряжение на выходе Smart UPS
Теперь приведу для полноты картины осциллограммы напряжений на выходе Smart UPS. Испытаниям подвергался UPS Ippon Smart Power Pro 100.
Скажу сразу (поверьте на слово), что с поставленной задачей прекрасно справляются оба ИБП.
Smart UPS_Сеть-батарея
А зачем платить больше?
Поэтому я решил использовать для решения проблемы Back UPS.
Прежде всего, надо разобраться, где что на выходе ИБП. Буковкой L я отметил фазовые входы-выходы:
Панель для подключений
Это нужно для того, чтобы случайно не перепутать фазу и ноль и не сделать КЗ.
ИБП был установлен в отдельный металлический ящик и подключен кабелем длиной 4м и сечением 1,5мм2. Провод, выходящий из блока управления на вход ИБП, защищен автоматом 6А.
Вот, если кому интересно, плата управления холодильником. Через реле внизу платы включаются те самые пускатели на 220 VAC.
Плата управления холодильником
Вот какая схема питания получилась:
Схема питания с использованием ИБП
Под нагрузкой при питании от батареи квазисинус искажался ещё больше, на выходе было напряжение такой формы:
Back UPS_Напряжение на выходе под нагрузкой
Стоит сказать, что применяю я источники бесперебойного питания в таких случаях не в первый раз. Чаше всего это требуется там, где питание по каким-то причинам нестабильно, но вполне приемлемо для питания силовой части (двигателей).
А вот в первый раз пользовался такими замечательными приборами. Анализатор напряжения, цифровой осциллограф, и даже тепловизор, которым мы посмотрели температуру клеммных и болтовых соединений. По этому поводу выражаю благодарность Дмитрию, специалисту таганрогской фирмы «ИК Энергопартнер«. Фирма занимается энергоаудитом, энергосберегающими технологиями, системами энергоснабжения в Таганроге.