«Спецназ» на рынке ИБП

26.03.09 | Рубрика: Рынок ИБП. Просмотры: 4 084

Из всех существующих ИТ-технологий наиболее консервативна в отношении инноваций отрасль ИБП. Новые разработки здесь в основном связаны с позиционированием оборудования для специальных сфер применения.

На протяжении последних 5–7 лет темпы мирового рынка ИБП оставались стабильно высокими, хотя в последние месяцы кризис внес свои коррективы. По данным ITResearch, в 2008 году в России было продано около 2,7 млн ИБП на сумму около 470 млн долл. По сравнению с 2007 годом рынок сократился на 12% в натуральном выражении и на 1,5% — в денежном. Столь негативными показателями рынок ИБП «обязан» IV кварталу, когда продажи упали на 42% в натуральном выражении и на 24% — в денежном по сравнению с аналогичным периодом 2007 года. Относительно меньшее снижение денежных показателей обусловлено произошедшим в 2008 году повышением стоимости ИБП за счет подорожания металлов и других материалов, а также меньшей эластичностью проектной составляющей рынка: она не так резко среагировала на кризис, как массовые устройства, во многом продвигаемые через розницу.

Как отмечает Сергей Ермаков, технический директор компании ЗАО «Индустриальная электротехника XXI», в настоящее время поставки ИБП идут прежде всего на те предприятия, где они обеспечивают непрерывность бизнес-процессов. Кроме того, во многих компаниях сохраняется довольно большой объем устаревшего оборудования электропитания, которое требует замены или ремонта. Не исключена вероятность возрастания интереса к более дешевым системам азиатского (в частности китайского) производства.

Фантазии на тему ИБП

В основном все технологические разработки последних лет в области ИБП сводились к улучшению параметров этих устройств путем комбинации схем и компонентов. В последнее время новый виток интереса возник в отношении возможности применения механических инерционных систем бесперебойного питания. Эту категорию устройств, известных на рынке под названием «роторный ИБП», или flywheel, сегодня можно встретить в офисах компаний, в центрах обработки данных, на предприятиях телекоммуникационной отрасли и военных объектах. Роторные ИБП обладают специфическими свойствами, которые отличают их от традиционных систем. По сравнению с мощными ИБП они меньше по размерам и значительно легче. Для роторных ИБП не существует таких строгих ограничений в отношении параметров окружающей среды (кондиционирование, вентиляция), как для ИБП. Их использование в отрасли ИБП связано с определенными ограничениями по применению аккумуляторных батарей.

Во-первых, батарея не всегда готова к работе: она может разрядиться либо вообще выйти из строя. В отличие от всей системы ИБП батарея — это расходный материал с ограниченным сроком службы. Даже если по EUROBAT срок службы аккумуляторной батареи составляет 10 лет, отсчет времени ее жизни начинается немедленно после того, как в нее залили электролит. То есть в момент приобретения ИБП необходимо принимать во внимание время, проведенное АКБ на складе завода-изготовителя и магазина, а также условия хранения. Время жизни аккумуляторной батареи ограничено количеством циклов заряда и разряда; стоимость АКБ, которая приобретается на длительное время, может быть весьма высока. «После двух-трех часов автономной работы становится экономически целесообразным приобретение пары — ИБП и ДГУ, — поясняет Сергей Ермаков. — В этом случае совокупная стоимость батареи становится больше, чем у дизеля подходящей мощности».

Роторные же ИБП полностью лишены такого свойственного аккумуляторным батареям недостатка, как ограниченное количество и частота циклов заряда и разряда. Системы на основе маховика потенциально готовы служить дольше, и у них не возникает проблемы утилизации, как в случае АКБ. Пожалуй, единственным недостатком является относительно короткое время автономной работы: такая система способна держать нагрузку в 160 кВА 30 секунд.

Идея заменить аккумуляторную батарею в схеме ИБП либо дополнить другим компонентом — генератором постоянного тока — оказалась заманчивой. Таким решением стал маховик — flywheel, представляющий собой емкость в виде большого цилиндра; в нем закреплен вал на подшипниках, на котором в свою очередь установлен массивный маховик. Из цилиндра откачан воздух, так чтобы в вакуумной среде сила сопротивления была сведена к минимуму: благодаря этому КПД такой системы превышает 0,99. Вращаясь с помощью двигателя постоянного тока, установленного на входе и подключенного к сети электропитания, маховик имеет большой момент инерции. На его валу установлен генератор, который преобразует энергию маховика в постоянный ток.

В качестве резервного компонента системы запасающий энергию маховик может быть установлен параллельно батареям. Как только маховик отработал, напряжение снижается до определенного уровня, и, если питание в сети не восстановилось, открывается переключающий элемент и начинают разряжаться аккумуляторные батареи.

Статистика свидетельствует, что короткие пропадания электропитания происходят часто, а вот крупные аварии, как на подстанции «Чагино», — редкость. Существуют три статистических локальных максимума в перерывах работы основной электропитающей сети. Первый — когда нарушения в электропитании короткие, около 100 миллисекунд. Это те отключения, исправление которых происходит с помощью различного рода автоматики, без участия человека. Второй локальный максимум приходится на длительность в прекращении подачи питания около 3 минут. Это те аварии, которые ликвидируются путем вмешательства человека. Третий локальный максимум составляют нарушения в работе сети продолжительностью 15 минут, но таких случаев существенно меньше. Как правило, это плановые отключения, в течение которых электрики могут провести ремонтные работы.

Работа маховика параллельно с аккумуляторными батареями позволяет существенно продлить срок их службы. Ведь в 90% случаев отключения носят краткосрочный характер, и крутящийся маховик с запасенной энергией успевает переключиться на генератор постоянного тока, а вся система — поддержать нагрузку и при возвращении питания от основной цепи вернуться к обычному режиму работы. В результате в подавляющем большинстве случаев такое переключение будет происходить без участия батареи, которая от частого переключения в режимы заряд-разряд быстро изнашивается. При наличии маховика большую часть переключений он принимает на себя. Маховик также подвержен износу, но механическому, который проще устранить. К тому же в отличие от батареи, которая заряжается в десятки раз дольше, чем работает, маховик раскручивается буквально на глазах. Время зарядки этого устройства сопоставимо с временем работы. При замене аккумуляторной батареи на механический маховик заказчик получает устройство, практически всегда готовое к работе и не имеющее расходных материалов. Недостаток маховика — ограниченное время автономной работы —компенсируется установленной в параллель АКБ. В параллель может быть поставлено и несколько маховиков, но целесообразность такого масштабирования системы ограничена общей стоимостью конструкции и ее габаритами.

Привлекательной выглядит идея работы подобного устройства с двигателем переменного тока — но к такому генератору уже не добавишь обычную аккумуляторную батарею. Чтобы добиться большого времени автономной работы, можно вместо двигателя переменного тока установить дизель-генератор. «Маховики, работающие в цепи переменного тока, появятся, скорее всего, в паре с ДГУ, — считает Сергей Ермаков. — Но это уже система иного класса, с иными требованиями…»

На рынке хорошо известны системы класса flywheel производства американского концерна Eaton, а также американской компании APC, входящей в состав концерна Schneider Electric. Первой гибридной инновацией ИБП, где в качестве добавления к АКБ применяется маховик, стала компания CHLORIDE, которая использует для построения таких решений оборудование фирмы VYCON. В России две такие системы — VDC и VDC-XE — предлагает компания «Клорайд Рус». На тех предприятиях, где входная линия электропитания зарезервирована (имеется несколько фидеров), и нагрузку надо защитить лишь на короткое время переключения, ИБП на основе маховика могут быть использованы вообще без батарей.

Когда на море качка

Юрий Копылов, технический директор компании Eaton в России

Всевозрастающий объем и сложность технологического оборудования, применяемого в самых разнообразных областях человеческой деятельности — в промышленности, на транспорте, в добывающих и обрабатывающих отраслях, в автомобилестроении, на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих платформах, на морских судах, — увеличивает риск и создает потенциальную угрозу возникновения проблем, связанных со сбоями в системе электроснабжения. Современные устройства, решающие самые критичные задачи управления и ответственные за безопасность людей и объектов, могут не только дать сбой, но даже полностью выйти из строя из-за нестабильности питающего напряжения или его полного пропадания. Eaton специализируется на проектировании и сборке «заказных» ИБП, обеспечивающих чистое, защищенное и бесперебойное электропитание.

Системы бесперебойного питания специального назначения корпорации Eaton сегодня установлены в самых разных отраслях народного хозяйства. Для Eaton морской бизнес, и в частности ИБП морского назначения (не в России), всегда был и есть ключевым направлением. Например, в обороте норвежского офиса Eaton продажи и установка подобного оборудования на судах в общем объеме бизнеса занимает большую долю. По всему миру на судах работает много ИБП Eaton серии Powerware в морском исполнении, — даже тех, серийные аналоги которых в обычном исполнении уже сняты с производства (например, модельный ряд 9305 и 9120). ИБП 9120М (2–3 кВА), 9155М (8–15 кВА), 9355М (8–40 кВА) и 9390М (60–160 кВА) — это специально разработанные для установки на судах ИБП с двойным преобразованием.

Устройства ИБП 9120М (2–3 кВА), 9155М (8–15 кВА) предназначены для защиты однофазной критической нагрузки, а 9355М (8–40 кВА) и 9390М (60–160 кВА) — для создания защиты питания систем трехфазного оборудования. Все эти модели широко используются для защиты навигационного и коммуникационного оборудования, систем интегрированных судовых мостиков, судовой автоматики, компьютерных систем и оборудования аварийного освещения.

Системы Eaton судового применения созданы на базе современной единой технологической платформы, тщательно отработанной на большом количестве источников. Как и многие другие заказные решения, ИБП морского применения Eaton являются удачной комбинацией продвинутой базовой технологии и модификаций, обязательных для применения в морских условиях. Все модели адаптированы для работы с незаземленными электрическими распределительными системами и нагрузками, имеют усиленную механическую конструкцию, высокий IP-класс защиты, механические амортизаторы и отвечают особым положениям и требованиям безопасности классификационных обществ.

Альтернатива дизелю

Ряд компаний уже заявил о начале промышленных поставок источников резервного питания на основе топливных элементов. Эта технология известна давно: работавший в середине XIX века в этой области Уильям Грув оставил интересные научные труды. Надо заметить, что технология топливных ячеек успешно применялась в 1960–1980 годах в ряде космических программ — в частности Appolon, Space Shattle, Gemini. Интерес к альтернативным способам получения энергии с помощью топливных ячеек стал возрождаться в середине 1990-х.

Сегодня в самых разных областях, включая телекоммуникации (на базовых станциях), корпоративный сектор ИТ (в центрах обработки данных), эта технология находит применение для поддержания работы измерительных приборов.

Топливный элемент — это экологически чистое электрохимическое устройство, преобразующее химическую энергию различного горючего (водород и водородосодержащие газы, спирты, углеводороды) и окислителя в электрическую энергию постоянного тока. Побочными продуктами этого процесса являются вода и выделяемое тепло.

На вход элемента подается горючее (например, водород), который смешивается с кислородом из воздуха, а на выходе образуются электричество, вода и тепловая энергия. С помощью параллельного соединения можно сформировать пакет топливных элементов; общее напряжение этой системы суммируется из величин напряжений, создаваемых отдельными элементами. Сила тока зависит от площади мембраны элемента, мощность — от величины пакета ячеек, а продолжительность работы — от габаритов топливного резервуара. Наиболее известные изготовители топливных ячеек — компании Grove, 3M, Ballard, IdaTech, Sulzer Hexis, Plug Power, Viessman, European Fuel Cells.

Одним из важных преимуществ использования этой технологии является продолжительность автономной работы. Сопоставимые по цене с батареями и дизель-генераторами системы резервного питания на топливных элементах могут стать им хорошей заменой.

На российском рынке системы резервного питания предлагают три производителя. Резервный источник питания на топливных элементах мощностью 10 кВт производства APC предназначен для центров обработки данных. Система работает на водороде и обеспечивает несколько часов работы ответственных приложений. Это решение, интегрированное в комплексную систему InfraStruXure, представляет собой 19-дюймовую стойку, способную обеспечить до 30 кВт мощности. Система хорошо масштабируется путем соединения в параллель с другими такими же устройствами. Компания Rittal предназначает свои системы Electra Gen TM для уличного применения на базовых станциях операторов сотовой связи. Устройство вырабатывает до 5 кВт напряжения 48 В постоянного тока.

В рамках этой же технологии Chloride строит свои системы с использованием топливных элементов фирмы IdeTech. На российский рынок такие решения поставляет компания «Клорайд Рус». Генераторы тока IdeTech могут работать на двух видах топливных элементов — с уже готовой водородно-кислородной смесью либо с использованием метанола. Правда, оба варианта иногда вызывают недоверие у руководства заказчика: в первом случае из-за опасения взрывоопасных свойств водорода, а во втором — из-за возможности применения не по назначению и нанесения тем самым вреда здоровью.

Системы Chloride на основе топливных элементов мощностью 3 и 5 кВт могут использоваться как автономно, так и в гибридных комбинациях с маховиками и батареями. «Основное применение таких систем — там, где невозможно установить дизель генератор, — говорит Олег Становов, генеральный директор компании «Клорайд Рус». — В некоторых случаях они могут использоваться параллельно с батареями». У таких решений очень высокий уровень готовности и практически отсутствуют ограничения по сроку службы. Системы на топливных ячейках могут одинаково хорошо работать на коротких и длинных интервалах.

Заслуживающая внимания проблема заключается в том, что топливная ячейка не может храниться при отрицательной температуре. В процессе работы устройство само себя обогревает, но если в зимнее время вовремя не подать топливо системе, установленной на улице, то ячейка может погибнуть.

ИБП на заказ

Наряду с ИБП серийного уровня существует промежуточный класс «легких промышленных систем», предназначенных для защиты процессов, не приводящих к необратимым тяжелым последствиям даже в случае длительного пропадания входного тока. Третий класс ИБП предназначен для защиты критически важной нагрузки — систем автоматического управления на промышленных предприятиях, на атомных реакторах, на нефтедобывающих платформах и нефтеперерабатывающих комплексах, на электростанциях и транспорте, где цена останова очень велика. Все компоненты устройств, используемых на критическом производстве, разрабатываются с запасом прочности. Международный стандарт МЭК устанавливает требования для различных типов внешних воздействий — таких как проникновение воды и посторонних твердых тел, механические удары и вибрации, действие химически агрессивных компонентов.

«На различных отраслевых предприятиях оборудованию ИБП часто приходится работать в сложных условиях — в агрессивных индустриальных средах с повышенным уровнем вибрации и запыленности, в расширенном диапазоне температуры и влажности, в окружении сильных электромагнитных полей, в условиях нестандартного напряжения, — говорит Юрий Копылов, технический директор компании Eaton. — На железном и морском транспорте, в метрополитене оборудование работает в условиях высокой вибрации и большого разнообразия специфических видов напряжения. На нефтедобывающих платформах, функционирующих в открытом море, присутствуют сразу несколько неблагоприятных факторов: влага, соль, расширенный температурный диапазон, неустойчивость самой платформы. В дополнение к этому на платформе в открытом море приходится решать и такую проблему, как заземление».

Специализированные системы, о которых идет речь, являются заказными. Их производством занимаются специальные подразделения в структуре ряда ведущих производителей ИБП. «Тяжелые» системы промышленного назначения изготавливаются на заводах Benning, AEG, GUTOR (последний вместе с APC вошел в состав концерна Schneider Electric). В составе компании Chloride есть специальное подразделение Chloride Industrial Systems. Структурным подразделением корпорации Eaton является компания BORRI.

В конце 2006 — начале 2007 года произошла интеграция APC в Schnieder Electric. В конце 2007-го подразделение GUTOR было переведено из департамента Critical Power Cooling Services, где находятся APC и MGE, в департамент PEC (Project Engineering Center) концерна Schneider Electric, который занимается проектными инженерными решениями. «Для каждой задачи разрабатывается техно-рабочий проект, — поясняет Юрий Симаков, руководитель подразделения GUTOR в России. — Документация согласовывается и утверждается проектной организацией, заказчиком, при необходимости — Ростехнадзором. После этого начинается собственно этап производства оборудования, которое в результате проектного подхода оптимально соответствует по функциональности, характеристикам и цене специфичным требованиям заказчика». Помимо повышенных требований к сроку службы, ИБП промышленного исполнения должны быть оснащены средствами предупреждения о необходимости замены компонентов.

«Вместе с компанией MGE UPS Systems, — говорит Юрий Симаков, — концерн Schneider получил серию оборудования для легких применений в промышленности и в гражданском строительстве (для защиты интеллектуальных зданий). GUTOR все же работает в тех областях, где требуется продемонстрировать гораздо более высокие характеристики по надежности, безопасности, сроку службы. Типичное применение GUTOR — это так называемый цеховой уровень, системы аварийного электроснабжения на атомных станциях, АСУТП реакторов, агрегаты бесперебойного питания в традиционной энергетике на тепловых и гидроэлектростанциях, системы оперативного тока на подстанциях сетевых предприятий, защита непрерывных процессов в нефтегазовой области, в добыче, нефтепереработке, в нефтехимии, то есть на взрывопожароопасном производстве. В отличие от ИТ-ИБП, которые решают задачу обеспечения непрерывности бизнес-процессов, GUTOR занимается обеспечением непрерывности производственных и технологических процессов, где стоимость останова процесса чрезвычайно высока — или возможный останов, потеря электроснабжения могут привести к аварии».

С появлением в 2008 году российской дочерней компании — ООО «Клорайд Рус», обеспечивающего полный цикл ведения проектов силами локальных специалистов (от разработки технического задания до импорта оборудования и доставки его конечному потребителю в России), — Chloride как производитель существенно приближается к потребителю. Это позволило заметно оптимизировать процессы согласования технических и коммерческих вопросов и значительно сократить время проработки и реализации проектов. «Конек» Chloride Industrial, — говорит Олег Становов, — это адаптивные инновационные решения, которые разрабатываются и изготавливаются практически «на заказ», с учетом специфических потребностей заказчиков из таких отраслей, как энергетика, нефть и газ, транспорт и металлургия. И, конечно же, собственная сервисная служба и локальный склад запасных частей, обеспечивающие круглосуточную поддержку всему спектру установленного оборудования 365 дней в году».

Рынок ИБП в промышленном секторе пока что более инертен, чем сегмент ИТ-оборудования. Заказчики с осторожностью относятся к инновациям, и на этом рынке используются в основном апробированные решения, которые доказали свою надежность в течение нескольких лет или десятилетий. Поэтому сейчас даже такие новшества, как ИБП с транзисторным выпрямителем, в промышленности все равно еще не так активно применяются: чаще используется выпрямитель с тиристорной схемой.

Помимо обеспечения определенных функций в силовых схемах ИБП, которые допускается применять в сложных проектах (например, для атомной энергетики), для защиты первого контура безопасности атомного реактора сертификацию должно проходить еще и программное обеспечение контроллера ИБП, с тем чтобы исключить возможность зависания.

Резервное питание в агрессивной среде

Александр Медведь, главный инженер Radius Group

Заказные решения для ИБП требуются в тех случаях, когда даже мощные стандартные ИБП, рассчитанные на защиту критичного оборудования от перебоев и всплесков электропитания, недостаточно надежны. Это случается, когда ИБП эксплуатируется в промышленных условиях — на нефтяных скважинах, на шахтах, на производстве, на электростанциях и т. д. Здесь речь идет о том, что от ИБП требуется нечто еще большее, чем способность сохранять свои рабочие качества при особо длительных отключениях и особо больших нагрузках. Помимо «родных» проблем «электрической природы», они должны справляться и с внешними проблемами среды, в которой эксплуатируются. В этих случаях недостаточно просто установить хороший продукт, а требуется заказное решение, которое к этому продукту добавит новое качество.

Возьмем, к примеру, нефтяную скважину. Часто среда здесь бывает крайне агрессивная. Недавно мы делали проект на крупнейшем нефтяном месторождении в Ямало-Ненецком автономном округе: оборудование функционирует в условиях вечной мерзлоты, в температурном диапазоне от минус 50 до плюс 30 летом. Не всякая система выдержит такие перепады. Поскольку к температурным условиям наиболее чувствительны батареи (во время нагрева химические процессы в них протекают более интенсивно), соответствующее решение должно предусматривать режим температурной компенсации (попросту — коррекцию зарядного напряжения); для каждого типа батарей есть свои рекомендации. Кроме того, в нефтяной отрасли часто, помимо защиты систем контроля и автоматики, нужно защищать еще и отдельные механизмы (например, чтобы гарантировать старт работы какого-либо двигателя при открытии определенного клапана, чтобы управлять заслонками в аварийных ситуациях) — поэтому от систем требуется повышенная мощность. Нефтедобывающая платформа тоже не является нейтральной средой для размещения ИБП: в условиях влаги и соли силовая сеть имеет особенности, электрическая земля отсутствует, саму платформу нельзя считать стопроцентно устойчивой. Конечно, такие условия эксплуатации предъявляют особые требования к ИБП.

Важно не только обеспечить и резервировать необходимую мощность, но и минимизировать риски, связанные с пропаданием питания в системах сигнализации, аварийного освещения и т. д. Часто на производстве среда бывает химически агрессивной — в таких случаях заказное решение может предусматривать либо специальное покрытие корпуса ИБП (как правило, эпоксидное), либо специальную шину с покрытием, либо специальный корпус, устойчивый к кислоте. В энергетике другие особенности среды: там ИБП функционируют в условиях повышенных температур, вибрации; там часто встречается нестандартное напряжение 220 В постоянного тока. Что касается температур, здесь можно подобрать соответствующее стандартное решение, а вот при нестандартном напряжении не обойтись без специальных цехов аккумуляторных батарей. Для железнодорожного транспорта и метрополитена характерны проблемы нестандартных видов напряжения и нестандартных частот. Например, тяговое напряжение поезда может достигать 650 В, здесь решением могут быть однофазные системы с напряжением более 5 кВт. Защиты требует и такая автоматика, как стрелки и сигнальные огни. Заказное решение для нестандартных частот предусматривает генератор, который подключается к вращающему двигателю локомотива и вырабатывает электроэнергию с частотой до 400 Гц.

Говоря о заказных решениях, нельзя не упомянуть о производствах, где имеются сильные электромагнитные поля, а следовательно, опасность возникновения помех, которые могут спровоцировать неадекватное срабатывание автоматики. Сильные электромагнитные поля есть везде, где включаются и выключаются мощные агрегаты, — например, в металлургии, на буровых. От влияния помех могут защитить изолирующий трансформатор с фидерами и специальная схема распределения электроэнергии. В промышленных условиях часто проблема вибрации может быть такой серьезной, что требуется заказное решение. Оно может предусматривать повышение прочности корпуса за счет использования жесткой рамы или внутреннюю изоляцию, а в случае необходимости — еще и специальные консольные крепления. Понятно, что и процедуры монтажа заказных решений тоже имеют свои особенности.

Метки:: 3M, AEG, APC, Appolon, Ballard, Benning, BORRI, CHLORIDE, Chloride Industrial Systems, Critical Power Cooling Services, Eaton, Electra Gen TM, EUROBAT, European Fuel Cells, flywheel, Gemini, Grove, GUTOR, IdaTech, IdeTech, InfraStruXure, MGE UPS Systems, PEC, Plug Power, Powerware, Project Engineering Center, Radius Group, Rittal, Schneider Electric, Space Shattle, Sulzer Hexis, VDC, VDC-XE, Viessman, VYCON, аккумуляторная батарея ИБП, Александр Медведь, ЗАО «Индустриальная электротехника XXI», ИБП, Клорайд Рус, Олег Становов, подстанция «Чагино», Ростехнадзор, роторный ИБП, рынок ИБП, Сергей Ермаков, Уильям Грув, Юрий Копылов, Юрий Симаков