Sistemas de suministro de energía
Zakharov Leonid Fedorovich, candidato de ciencias técnicas
CONCEPTO MODERNO DE CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE SUMINISTRO DE ENERGÍA.
Los sistemas de suministro de energía modernos (PSS) están diseñados para convertir, regular, distribuir electricidad y garantizar el suministro ininterrumpido de diversos voltajes de CC y CA necesarios para el funcionamiento normal de equipos de comunicación, dispositivos de radio, sistemas informáticos, computadoras personales, equipos de protección y alarma.
El PDS puede incluir dispositivos rectificadores, baterías, unidades de suministro de energía ininterrumpida con corriente continua y alterna, convertidores y estabilizadores de voltaje, equipos de conmutación y redes de distribución de corriente que conectan equipos de suministro de energía y consumidores de electricidad.
El sistema de suministro de energía puede realizarse según una estructura centralizada, descentralizada y mixta.
Con una estructura centralizada, las fuentes de alimentación se agrupan en armarios o bloques separados, y varias cargas se alimentan a través de uno o más circuitos de alimentación desde una única fuente de alimentación. unidad (EPU).
La ventaja de un sistema de suministro de energía centralizado es su facilidad de mantenimiento y operación. Desventajas: la dificultad de transmitir grandes corrientes a través de cables, la necesidad de unidades redundantes, así como las dificultades de miniaturizar las fuentes de alimentación secundarias (PSS) que forman parte del PDS.
Con una estructura descentralizada, individual las cargas se alimentan a través de uno o más circuitos de alimentación de la EPU individual.
Además, los avances en el desarrollo de convertidores de semiconductores de potencia y baterías selladas permiten implementar sistemas descentralizados, cuya EPU puede ubicarse en las mismas habitaciones (o bastidores) que los equipos alimentados. Acercar la EPU al equipo alimentado le permite mejorar la calidad del voltaje de suministro, ahorrar metales no ferrosos (necesarios para la red de distribución actual), aumentar la eficiencia y confiabilidad de la EPU y reducir las influencias mutuas entre diferentes equipos alimentados.
Un PDS mixto contiene dispositivos de suministro de energía tanto centralizados como descentralizados. La ventaja de un sistema de suministro de energía mixto es la capacidad, al unificar el sistema de suministro de energía, de realizar los cambios necesarios en el circuito de suministro de energía con un gasto mínimo de tiempo y recursos materiales.
Para la construcción racional de un circuito de alimentación, es fundamental una elección técnica y económicamente adecuada del número, la potencia y el tipo de alimentación eléctrica, así como del número de circuitos de alimentación.
Una de las características más importantes que caracterizan el funcionamiento y la fiabilidad de un sistema de suministro de energía es la presencia de una batería recargable en su composición y método de funcionamiento.
Sobre esta base, las instalaciones de suministro de energía se pueden dividir en: buffer (con una batería recargable conectada al equipo alimentado), con la batería separada del equipo alimentado; de dos haces (sin batería) y combinados.
Las EPU de búfer (Fig. 1) se utilizan ampliamente para alimentar equipos de comunicación.
Fig. 1. Sistema de suministro de energía de búfer.
La ventaja de un sistema de suministro de energía de búfer es: proporcionar al equipo un suministro de energía ininterrumpible; dotar a AB del papel de filtro dinámico; la capacidad de aumentar la potencia del sistema conectando dispositivos convertidores en paralelo.
Las EPU con una batería separada del equipo alimentado se utilizan ampliamente en dispositivos de suministro de energía ininterrumpida (UPS — Sistema de alimentación ininterrumpida) de computadoras personales (PC) y sistemas informáticos.
Dichos UPS son la única protección de una computadora y equipos periféricos de interferencias de la red.
Dependiendo del principio de funcionamiento, existen tres tipos de UPS:
-
- Arquitectura UPS fuera de línea. En modo de red, el UPS fuera de línea alimenta PC a través de una rama que contiene solo el filtro de entrada (Fig. 2). Al mismo tiempo, el cargador del UPS recarga las baterías. Si el suministro de energía se detiene o el voltaje de la red cae por debajo de un cierto valor permitido, el UPS enciende la energía de la batería. La alimentación para la PC y los equipos periféricos se proporciona mediante alimentación de CA industrial. La tensión CC de la batería debe convertirse en tensión CA con un valor correspondiente al valor nominal de la tensión de red. Para ello, UPS utiliza un dispositivo especial: inversor. Entre las ventajas del SAI fuera de línea, cabe destacar la sencillez del diseño del circuito, el bajo coste, las mínimas dimensiones y peso.
Fig. 2 Diagrama de bloques de UPS fuera de línea
-
- .Arquitectura en línea de UPS. Los UPS de este tipo también se denominan fuentes de doble conversión. En ellos, el voltaje de CA de entrada se convierte en CC mediante un rectificador y se suministra a un convertidor de alta frecuencia (HF) (Fig. 3). Desde la salida del convertidor de RF, se suministra voltaje de alta frecuencia al inversor y de éste a la salida del dispositivo. La necesidad de utilizar un convertidor de RF se debe al hecho de que los cambios significativos en el voltaje de la red se convierten en cambios relativamente pequeños en el voltaje de frecuencia de la señal de RF en su salida. El hecho es que la electrónica de la PC es más crítica para los cambios en el nivel del voltaje de suministro que para su frecuencia. El cargador y la batería están conectados directamente a la salida del UPS. Además, el diseño del UPS en línea proporciona aislamiento galvánico entre la red industrial y la fuente de alimentación de la PC. Las fuentes de alimentación ininterrumpida de arquitectura en línea tienen un coste mayor y se utilizan cuando se necesita una protección fiable y de alta calidad de equipos vitales, que a menudo funcionan las 24 horas (servidores de red, equipos médicos, ordenadores personales que realizan funciones especialmente importantes, etc.). necesario.
Fig. 3 Diagrama de bloques del UPS en línea
- Arquitectura híbrida UPS (línea interactiva). Básicamente, estos UPS son una mejora de los UPS fuera de línea. Para tales fuentes, el inversor está conectado continuamente a la salida, asegurando así el aislamiento galvánico. En principio, estas fuentes de alimentación se pueden utilizar para proteger equipos de las dos categorías descritas anteriormente. A menudo, la elección entre SAI interactivos en línea y en línea no está determinada tanto por las características funcionales como por su precio.
A partir de los diagramas de bloques del SAI considerados, actualmente se están implementando sistemas de alimentación ininterrumpida de pequeño tamaño con un circuito de control inteligente, capaces de regular suavemente la tensión de salida y aislar perfectamente la carga del ruido, pulsos y distorsiones sinusoide.
En un sistema de dos haces (sin batería) (Fig. 4), el suministro de energía a grupos individuales de consumidores del mismo voltaje se realiza directamente desde dos redes de CA independientes a través de dispositivos rectificadores (estabilizadores).
En este caso, los dispositivos rectificadores de cada haz se cargan a no más del 50% de su potencia nominal. Y cuando una de las fuentes de alimentación de CA se apaga, la carga se alimenta desde el haz restante.
Las desventajas de un sistema de suministro de energía de dos haces incluyen:
- baja calidad de la electricidad generada en modos de funcionamiento transitorios de la EPU;
- la necesidad de un suministro de energía de red confiable.
Una dirección prometedora en el desarrollo y creación de energía eficiente Los sistemas de suministro son sistemas combinados, una de las variantes de cuyo diagrama estructural se presenta en la Fig. 7.
Según esta estructura (Fig. 5), se han implementado, por ejemplo, instalaciones de sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) de la mundialmente famosa empresa BENNING.
El principio de funcionamiento del sistema (Fig. 5) es el siguiente.
La tensión de red alterna se suministra a un rectificador controlado por fases con un convertidor de válvula. El rectificador convierte la tensión de red en tensión continua suministrada al inversor y simultáneamente carga la batería.
Fig. 5. Sistema de alimentación combinado
La característica IU de funcionamiento del rectificador cumple con la norma DIN 41773.
En el inversor, utilizando modulación de ancho de pulso, el voltaje directo se convierte en voltaje alterno para obtener una sinusoide optimizada. Gracias a la conversión de alta frecuencia y la regulación óptima del sistema de suministro de energía, se logra una baja distorsión armónica con bajos costos de filtrado.
Esto, a su vez, mejora las características dinámicas del sistema cuando cambia la carga.
En caso de interrupciones o daños en la red, la batería encendida en la entrada de CC automáticamente y sin demora se hace cargo del suministro de energía al inversor. Se controla el grado de descarga de la batería. Si la descarga de la batería supera el valor límite, el inversor se apaga automáticamente.
La conmutación automática del consumidor a la alimentación de la red se realiza mediante un dispositivo de conmutación electrónico (EUE) si, por ejemplo, la sobrecarga del inversor excede el valor permitido.
El dispositivo de conmutación electrónico EUE permite a los consumidores cambiar ininterrumpidamente a energía directa desde la red de derivación manteniendo las desviaciones de parámetros permitidas. La conmutación se puede realizar automáticamente mediante una señal de control o manualmente. Cada conmutación ininterrumpida, automática o manual, es posible sólo si la tensión, la frecuencia y la posición de fase del inversor están sincronizadas con los parámetros de la línea de bypass. Las desviaciones en la frecuencia de la red (más allá de los límites aceptables) causan el bloqueo de la conmutación.
La conmutación inversa solo se puede realizar después de que se haya eliminado la falla del inversor. Esto ocurre en cualquier caso sin interrumpir el suministro de energía del consumidor, incluso si se simula una falla de red al verificar la conmutación.
El equipo estándar del UPS es una línea de derivación de servicio conmutada manualmente para trabajos de mantenimiento y reparación.
Una de las tareas de desarrollo más difíciles es la elección (entre las opciones previstas) de un sistema de suministro de energía con los mejores indicadores técnicos y económicos.
En este caso, para seleccionar la opción óptima para el sistema de suministro de energía, es necesario resolver tres problemas técnicos y económicos interrelacionados:
- determinar la confiabilidad de las opciones del sistema de suministro de energía en consideración (los requisitos de confiabilidad dependen principalmente de la categoría de consumidores);
- determinación de los costos de capital y costos operativos anuales correspondientes a cada opción de PDS;
- evaluación de las pérdidas de los consumidores por interrupciones de energía dependiendo de la confiabilidad de la energía.
Expresión de los costos anuales dados 
para cada variante de los sistemas analizados se puede presentar de la siguiente forma:
,
Dónde: 
— costos de capital anuales de la i-ésima opción, teniendo en cuenta el coeficiente estándar 
— costos operativos de la i-ésima opción; 
— pérdidas del consumidor de energía eléctrica por interrupciones del suministro eléctrico; 
; 
— pérdida por el hecho mismo de un corte de energía; 
— pérdida por unidad de duración de la interrupción del suministro eléctrico; 
— número de cortes de energía por año; 
— la duración total de las interrupciones del suministro eléctrico de la i-ésima opción durante el año. Normalmente, los costos de capital 
y los costos operativos anuales 
en comparación con la pérdida anual 
están inversamente relacionados. En la figura. La Figura 6 muestra las curvas de dependencia de costos anuales (curva 1), pérdidas (curva 2) y totales (+
) característica (curva 3), en función de la confiabilidad del suministro de energía.
Fig. 6 Curvas de dependencia de los costos actuales anuales 
, pérdidas 
y (
) sobre la confiabilidad del fuente de alimentación R.
Como se desprende de la Fig. 6, con costos crecientes, la confiabilidad del PDS aumenta y, en consecuencia, la pérdida anual por interrupciones en el suministro de energía disminuye.
La confiabilidad del PDS depende del índice de redundancia y puede estar determinada por un cierto número de circuitos de alimentación conectados en paralelo, EPU, IVEP, dispositivos de conmutación, etc.
Para las opciones consideradas para sistemas de suministro de energía (centralizado, descentralizado y mixto), los circuitos equivalentes para los cálculos de confiabilidad se pueden presentar de la siguiente forma (Fig. 7).
Figura 7 a, b, c. Circuitos equivalentes para PDS centralizado, descentralizado y mixto para cálculos de confiabilidad.
Los diagramas (Figura 7 a, b, c) indican: n el número de elementos en cada circuito PDS; 
7 a) puede haber una interrupción en el suministro de energía a los consumidores inmediatamente o después de un tiempo, y en el sistema de suministro de energía (Fig. 7 b), en ausencia de voltaje en una de las redes, la unidad de energía en funcionamiento restante. puede proporcionar (con sobrecarga) energía a todos (o parte de) los consumidores.
La probabilidad general de funcionamiento sin fallas del sistema de respaldo 
se verá así:
.
Donde: m es el número de circuitos de energía de respaldo; p es la probabilidad de funcionamiento confiable de cada uno de los n elementos del circuito de potencia del PDS.
La probabilidad global de funcionamiento sin fallos del sistema suele conocerse a la hora de elegir un sistema de suministro de energía, porque es un valor dado.
Para un SES mixto se debe cumplir la siguiente condición: 
.
Si se conoce la probabilidad de funcionamiento confiable de cada uno de los n elementos del circuito de energía del PDS (igual a p), entonces es posible encontrar un número (m+1) de circuitos de energía de respaldo en los cuales la confiabilidad general de la energía sistema de suministro no será inferior a un valor determinado .
;
;
, desde 
Por lo tanto, puede encontrar el número requerido (m+1) de circuitos PDS de respaldo con un número dado de n elementos en cada circuito y una probabilidad conocida de operación confiable de todos los elementos que satisfacen la condición: 
.
La dependencia de la probabilidad de funcionamiento sin fallos de un sistema redundante del tiempo medio 
de funcionamiento sin fallos de este sistema puede determinarse mediante la fórmula: 
, donde P(t) es la probabilidad de funcionamiento confiable del sistema en función del tiempo t .
La moderna tecnología informática y los equipos de comunicación radioelectrónicos, implementados en circuitos integrados de bajo voltaje, imponen mayores exigencias a la calidad del voltaje de suministro. Por lo tanto, además de evaluar los indicadores cuantitativos de los equipos PDS, es necesario considerar el funcionamiento del sistema de suministro de energía en modo estático y dinámico, es decir. evaluar sus características de calidad.
Además, el análisis de la construcción de sistemas de suministro de energía confiables, económicos y eficientes nos permite concluir que las tareas de optimización de PDS se reducen a lo siguiente:>p>
- reducir al mínimo el número de etapas de conversión de electricidad;
- reducir las pérdidas de energía en los nodos individuales y en el propio sistema, así como en la red de distribución de corriente eléctrica;
- uso de nuevas soluciones de circuitos y métodos de conversión de energía, que permitan mejorar no sólo la energía, sino también las características de calidad de las fuentes secundarias de suministro de energía que forman parte del PDS;
- el uso de correctores de potencia reactiva;
- racionalización del PDS y de la red de distribución actual, conduciendo a la reducción de costes materiales e improductivos;
- integración de elementos y unidades de los sistemas de suministro de energía como vía principal para aumentar la confiabilidad de los sistemas de suministro de energía;
- unificación y diseño modular funcional.
Al mismo tiempo, una dirección prometedora para el desarrollo y la creación de sistemas confiables y económicos Los sistemas de suministro de energía son sistemas de suministro de energía fabricados sobre la base de unidades de control electrónico combinadas en una estructura descentralizada con control inteligente.