Особенности применения трехфазных источников бесперебойного электропитания в системах автоматизированного управления зданием

If one of network phases tests considerable loadings, and two others aren't loaded at all, then the pressure in a three-phase electric network will be deformed. Three-phase UPSes in difference from the single-phase have a number of advantages. Three-phase UPSes effectively unload a neutral wire from harmonics of a current and promote more safe and reliable work of the large computer systems. Also three-phase UPSes distribute loading on phases that in turn rescues the electric system from overloads.

Keywords: the Three-phase UPS, a warp of phases, linear pressure, overloads

Если одна из фаз сети испытывает значительные нагрузки, а две другие не нагружены вовсе, то напряжения в трехфазной электрической сети будут искажены. Трехфазные источники бесперебойного электропитания в отличие от однофазных имеют ряд преимуществ. Трехфазные источники бесперебойного электропитания эффективно разгружают нейтральный провод от гармоник тока и способствуют более безопасной и надежной работе больших компьютерных систем. Трехфазные источники бесперебойного электропитания распределяют нагрузку по фазам, что, в свою очередь, спасает электросеть от перегрузок.

Ключевые слова: трехфазный источник бесперебойного электропитания, перекос фаз, линейное напряжение, перегрузки

напряжение трехфазный электрический сеть

Одной из проблем при использовании однофазных источников бесперебойного электропитания (далее по тексту ИБП) является распределение нагрузки по фазам. Если потребители электроэнергии неравномерно распределены по фазам электрической сети, то, при значительной нагрузке сети, возникают два эффекта: одна из фаз сети оказывается перегруженной, в то время как другие фазы не используют свои возможности полностью.

Перекос фаз, или несимметрия токов и напряжений, - это явление, при котором амплитуды фазных напряжений (токов) и/или углы между ними не равны между собой, (напряжение в перегруженной фазе меньше номинального, а напряжение в недогруженных фазах больше номинального).

При соединении обмоток звездой и четырехпроводном питании потребителей (с нулевым проводом), возможны следующие ситуации.

§ Обрыв нулевого провода -- в этом случае линейное напряжение остается неизменным, а фазовые напряжения распределяются между однофазными потребителями пропорционально их электрическому сопротивлению. Пусть, например, в момент обрыва нулевого провода в подъезде многоквартирного дома, в одной из квартир (подключённой, к примеру, к фазе А) работает компьютер мощностью 242 Вт (сопротивление 200 Ом), а в другой квартире (фаза Б) -- утюг мощностью 2420 Вт (сопротивление 20 Ом). Такая ситуация является перекосом фаз. Пока ток протекает по нулевому проводу, не возникает разбаланса фазных напряжений -- у обоих потребителей напряжение останется равным 220В. При обрыве нулевого провода, линейное напряжение между фазами А и Б остаётся таким же, как и до обрыва, -- равным 380В, но в связи с отсутствием тока в оборванном нулевом проводе напряжения между электроприёмниками распределятся так: компьютер получит (380)*(200)/(200+20)=345В, а утюг -- 35В. В результате такой аварии компьютер может выйти из строя [1].

§ Короткое замыкание фазного провода на нулевой -- в этом случае, если не сработает защита от коротких замыканий, напряжение между оставшимися фазами и нулевым проводом также увеличится.

Рис. 1. Перекос фаз

Следствием неравномерного распределения нагрузки по фазам является также перегрузка нейтрального провода (рис. 1). Традиционно в отечественных электрических сетях нейтральный провод имеет в 1,5-2 раза меньшее сечение, чем фазные провода. Поэтому токи, возникающие в нейтрали при перекосе фаз, могут приводить к перегрузке нейтрального провода. Это, как правило, сказывается на эффективности работы заземления и может привести к сбоям в работе оборудования. Трехфазные ИБП решают проблему перекоса фаз автоматически. На входе ИБП нагрузка всегда равномерно распределена по фазам за счет того, что выпрямитель и инвертор ИБП работают независимо. Поэтому нейтральный провод нагружен меньше. Заземление работает максимально эффективно, помехи для работы компьютеров малы. С одной фазы трехфазного ИБП мощностью 30 кВА нельзя снять больше 10 кВА. Но даже если нагрузить одну из фаз полностью, а другие будут недогружены, то хороший трехфазный ИБП с независимым регулированием напряжения по фазам будет нормально работать, и влияние неравномерного распределения нагрузки скажется только во время переходного процесса, возникающего при резком изменении нагрузки.

Гармоники в трехфазной электрической сети

Трехфазная электрическая сеть была изобретена для использования синусоидальных токов и идеально подходит для них. Применение нелинейных потребителей (например, компьютеров) в трехфазной электрической сети имеет очень серьезные особенности.

Представим себе осциллограмму токов в трехфазной электрической сети (рис. 2). Пусть в электрической сети присутствуют только линейные нагрузки. Следовательно, во всех проводах протекают только синусоидальные токи. Допустим, что эти токи примерно равны [2].

Рис. 2. Синусоидальные токи в трехфазной электрической сети

В этом случае нагрузка в электрической сети распределена примерно равномерно: токи в каждой из фаз примерно одинаковы (среднеквадратичное или действующее значение тока изменяется от 70 до 85А). В нейтральном проводе протекает ток, являющейся геометрической (векторной) суммой всех токов в линейных проводах. Токи частично компенсируют друг друга, и результирующий ток в нейтральном проводе намного меньше тока в каждом из линейных проводов. В данном случае действующее значение тока в нейтральном проводе равно 12А. Нейтральный провод нужен для компенсации отличий токов линейных проводов. В случае, когда во всех линейных проводах протекают одинаковые токи, компенсация не требуется: ток в нейтральном проводе равен нулю. Случай, когда вся нагрузка сети сосредоточена в одной из фаз, самый плохой: ток в нейтральном проводе равен току в фазном проводе. Но обычно электрики следят если не за равномерностью распределения нагрузки по фазам, то, по крайней мере, за тем, чтобы, ни одна из фаз не была перегружена. Поэтому, как правило, нагрузка в трехфазной сети распределена более или менее равномерно, и ток в нейтральном проводе мал [3].

На рисунке 3 приведен вид осциллограммы токов нелинейных нагрузок в трехфазной электрической сети. Все три фазы сети одинаково нагружены «компьютерной» нагрузкой со значительным коэффициентом гармонических искажений и коэффициентом амплитуды (пик-фактором) равным 3.

Рис. 3. Нелинейная нагрузка в трехфазной электрической сети

Действующее значение тока в каждой из трех фаз равно 85А. Оно примерно такое же, как и действующие значения токов (рис. 2). Несмотря на полностью симметричную нагрузку, в нейтральном проводе наблюдается очень большой ток. Его действующее значение равно 120А. Амплитудное значение тока равно 226А. Это значит, что нейтральный провод не выполняет свою функцию компенсации токов при нелинейной нагрузке. На рисунке видно, что амплитуда тока в нейтрали даже немного меньше амплитуды тока в линейных проводах. Действующее значение получается намного больше из-за того, что частота тока в нейтрали не совпадает с частотой тока в линейных проводах. В нейтрали течет ток с частотой 150 Гц. При протекании равных несинусоидальных токов в линейных проводах трехфазной сети действующее значение тока в нейтральном проводе складывается из токов гармоник, номер которых кратен 3. Интенсивность девятой и последующих гармоник в токе потребления импульсного источника питания не слишком велика. Но третья гармоника является главной (после первой) гармоникой в токе потребления компьютера - ее интенсивность может достигать 60%, именно ей в основном обязан перегрузкой нейтральный провод [4].

Возьмем небольшое здание, к которому подведен трехфазный кабель. Пусть три из проводов имеют сечение 25 кв. мм, а четвертый провод - 16 кв. мм. На входе в здание установлен трехфазный автомат на 100А, примерно соответствующий предельному току линейных проводов. Предельный ток нейтрального провода равен 80А, но на нейтральном проводе не устанавливают предохранители из-за опасности сильного перекоса трехфазной системы переменного тока при обрыве нейтрального провода. При линейной нагрузке, равной примерно 80% от максимальной (рис. 2), линейные провода хорошо нагружены, но не перегружены. Нейтральный провод, рассчитанный на ток до 80А находится практически в режиме холостого хода.

При нелинейной нагрузке, равной 85% от номинальной (рис. 3), линейные провода нагружены так же, как при протекании в сети синусоидальных токов. Ток в нейтральном проводе превышает ток в линейных проводах почти в полтора раза (нейтральный провод рассчитан на ток не более 80А.) На данную перегрузку не отреагирует ни один прибор защиты. Ведь на нейтральном проводе обычно не устанавливают измерительных приборов. В качестве защиты есть два варианта: создать новую электрическую сеть с двух- или трехкратным запасом по мощности или установить трехфазный ИБП.

ИБП с трехфазным входом имеет в качестве входного устройства выпрямитель. Выпрямитель - нелинейная нагрузка. Но в спектре тока, потребляемого трехфазным выпрямителем, нет третьей гармоники и всех высших гармоник, номер которых кратен трем. Если из спектра токов (рис. 3) исключить третью и девятую гармонику, то действующее значение тока в нейтральном проводе станет равным нулю, что в свою очередь спасет электрическую сеть от значительных перегрузок.

Заключение

Кратковременные импульсы высокого напряжения - основная причина выхода из строя электрооборудования, трехфазные ИБП благодаря независимому регулированию напряжения по фазам позволяют не только избежать этой проблемы, но и регулировать значительные перегрузки в электросети. В целом же трехфазные ИБП обеспечивают новое качество защиты просто за счет того, что ИБП имеет трехфазный вход.