Нагрузочные модули для генераторов – что это такое, фото и описание

Нагрузочный модуль, или балластный реостат, — простое, но эффективное устройство, имитирующее эксплуатационную нагрузку на электрогенератор. Оно снимает сразу несколько проблем, что возникают при монтаже и эксплуатации электрогенерирующих устройств. Без использования нагрузочных модулей практически невозможно обеспечить электрогенератору необходимый режим работы. Это инструмент инженерного подхода к строительству и пусконаладке электросетей, в противовес действиям наугад.

Что представляет собой

Принципиальная схема балластных реостатов не отличается сложностью. Главная действующая часть — резистивный элемент, преобразующий электрический ток в тепло согласно закону Ома. Он изготовляется из материала, который имеет как можно более высокое удельное электрическое сопротивление, например хром-никелевые или вольфрамовые сплавы. Резистивные элементы обеспечивают плавное или ступенчатое наращивание мощности.

Безопасное функционирование нагрузочного модуля гарантирует ряд предохраняющих и сигнализирующих устройств. Подача электрического тока происходит через автоматические выключатели, соответствующие функциональной мощности. Для контроля работы балластный реостат снаряжается рядом индикаторов и датчиков. Об экстремальных ситуациях и опасных режимах сообщает световая и звуковая сигнализация.

Нагрузочные модули могут сами иметь модульное исполнение для простого наращивания рабочей мощности. Естественным ограничением таковой выступает конструкция устройства, от которой напрямую зависит количество рассеиваемого тепла. Чрезмерно высокая температура резистивных элементов чревата пробоями, короткими замыканиями и нарушением их целостности — устройство выходит из строя. Для предотвращения такого развития событий применяются массивные радиаторы охлаждения, нередко с мощными вентиляторами.

Для чего используются балластные реостаты

Существуют два главных направления использования нагрузочных модулей:

1. тестирование электрогенераторов на этапе пусконаладочных работ;
2. дозагрузка электрогенератора в случае недостаточного потребления мощности.

Как средство тестирования

Несмотря на тщательное и очень точное теоретическое моделирование работы электрогенератора в процессе его проектирования, реальная эксплуатация может существенно отличаться от расчётной. Причина этому — непредсказуемые условия работы при произвольных комплектующих создаваемой электросети. Без испытания электрогенератора невозможно судить о стабильности его функционирования под определёнными нагрузками. Удостовериться в том, что выбранное электрогенерирующее устройство справится с нагрузкой, важно до начала монтажных работ.

При помощи балластных реостатов этот вопрос решается быстро и предельно точно. Резистивные элементы позволяют смоделировать нагрузку требуемой мощности и характера, будь это плавающая нагрузка или постоянная во времени. Средства диагностики нагрузочного модуля дают подробную информацию о процессах, происходящих при работе генератора, точно отображают напряжение, частоту и силу выдаваемого тока. С их помощью можно судить о состоянии электросети, наличии пробоев и прочих дефектов.

Как средство профилактики

Любое электрогенерирующее устройство проектируется в расчёте на определённую нагрузку. В тех случаях, когда электросеть в процессе реальной эксплуатации не может обеспечить устройству расчётную нагрузку, стабильность его работы и срок службы ощутимо сокращаются. Для электростанций серьёзные падения нагрузки так же опасны, как и превышения. Электрогенераторы по сути своей — те же самые электростанции, так что их необходимо защитить от недорасхода электроэнергии, как бы парадоксально это ни звучало.

Нагрузочные модули утилизируют излишки выработанного генератором электричества, переводя его в тепловую энергию. Электронные системы управления балластных реостатов могут автоматически регулировать потребляемую мощность, адаптируясь к нагрузке электросети, — в ручном контроле нет нужды. Нагрузочные модули нередко оказываются последним барьером на пути к серьёзной аварии или ненормальному режиму работы электрической сети.

Разновидности

Главный критерий, по которому различаются балластные реостаты, — рабочая мощность, имеющая широкий диапазон величин. Для электрогенерирующих устройств малой и средней мощности выпускаются относительно компактные балластные реостаты мобильного исполнения. Они удобны для тестирования электрогенераторов и электросетей. На больших мощностях приходится использовать нагрузочное оборудование стационарного исполнения.

Между мощностью балластного реостата и его размерами существует прямая связь — в силу принципа его работы большую мощность невозможно утилизировать в малых габаритах. Высокие нагрузки нуждаются в массивных резистивных элементах с хорошим охлаждением. Качественные устройства отличаются продуманной конструкцией, которая, наряду с высоким уровнем защищённости, гарантирует удобство эксплуатации и ремонта.

Регулятор балластной нагрузки автономной микроГЭС

%PDF-1.4 % 1 0 obj > endobj 6 0 obj /Title >> endobj 2 0 obj > endobj 3 0 obj > endobj 4 0 obj > /Encoding > >> /DA (/Helv 0 Tf 0 g ) >> endobj 5 0 obj > stream

Регулятор балластной нагрузки автономной микроГЭС

Лукутин Борис Владимирович; Обухов Сергей Геннадьевич endstream endobj 7 0 obj > endobj 8 0 obj > endobj 9 0 obj > endobj 10 0 obj > endobj 11 0 obj > endobj 12 0 obj > endobj 13 0 obj > endobj 14 0 obj > endobj 15 0 obj > endobj 16 0 obj > endobj 17 0 obj > /ExtGState > /Font > /ProcSet [/PDF /Text] /XObject > >> /Contents [39 0 R 40 0 R 41 0 R 42 0 R 43 0 R 44 0 R 45 0 R 46 0 R 47 0 R 48 0 R] /Thumb 49 0 R /MediaBox [0 0 595 842] /CropBox [0 0 595 842] /Rotate 0 /Annots [50 0 R] >> endobj 18 0 obj > endobj 19 0 obj > endobj 20 0 obj > endobj 21 0 obj > endobj 22 0 obj > endobj 23 0 obj > endobj 24 0 obj > endobj 25 0 obj > endobj 26 0 obj > endobj 27 0 obj > endobj 28 0 obj > endobj 29 0 obj > endobj 30 0 obj > endobj 31 0 obj > endobj 32 0 obj > endobj 33 0 obj > endobj 34 0 obj > endobj 35 0 obj > endobj 36 0 obj > endobj 37 0 obj > endobj 38 0 obj > stream x

Генераторные установки

для запуска больших двигателей

1 февраля 2008 г. , 12:00, Ларри А. Бей, Cummins Onan Corp.

Вы потеряли нормальную мощность. Ваш двигатель-генератор (генераторная установка) запускается и достигает скорости. Теперь вы хотите запустить несколько больших двигателей, необходимых для вашей работы. Внезапно выпадают удерживающие катушки стартера, дребезжат контакты стартера, а некоторые двигатели глохнут из-за недостаточного крутящего момента для разгона. Может ли это случиться с вами? Конечно, может, если вы не определили размер своей генераторной установки должным образом.

Все мы знаем, что двигатели потребляют высокий пусковой ток во время запуска: обычно в шесть раз больше тока полной нагрузки. Но пусковые токи для современных высокоэффективных двигателей почти вдвое выше. Двигатели с высокой инерционной нагрузкой также могут потреблять при пуске до трехкратной номинальной мощности.

Да, размер набора обычно определяется требованиями к пусковой мощности двигателя. Однако следующие факторы также играют ключевую роль при выборе генераторных установок:

• Гармоники, вызванные частотно-регулируемыми приводами.
• Использование высокоэффективных двигателей.
• Последовательный пуск двигателей.

Что нужно. При запуске двигателей могут возникать большие провалы напряжения и частоты, если генераторная установка не рассчитана должным образом. Другие нагрузки, подключенные к выходу генератора, могут быть более чувствительны к скачкам напряжения и частоты, чем двигатель или пускатель двигателя, и это может вызвать проблемы. Например, скорость изменения частоты генератора более 1 Гц/с может привести к неисправности некоторых статических ИБП.

Если нагрузкой на генераторную установку является один большой двигатель, особенно двигатель, требующий высокого пускового момента, может возникнуть ряд проблем. К ним относятся: продолжительная работа при низком напряжении, которая может вызвать перегрев; увеличенное время разгона нагрузки; размыкание автоматических выключателей или устройств защиты двигателя; отключения защиты двигателя-генератора; и более.

Способность вашей генераторной установки запускать большие двигатели без чрезмерного напряжения и падения частоты является функцией всей системы. В том числе:

• Доступная мощность двигателя;
• Мощность генератора;
• Реакция системы возбуждения генератора;
• Энергия, запасенная во вращающейся инерции генераторной установки; и
• Разгон двигателя и его нагрузка.

Вы должны учитывать все эти факторы для правильного выбора размера генераторной установки. Вот простое правило для оценки мощности двигатель-генераторной установки для запуска двигателя: 1 кВт мощности генераторной установки на каждые 3/4 до 1 л.с. паспортной таблички двигателя.

Рассмотрим более подробно запуск двигателя. Асинхронные двигатели имеют типичные пусковые характеристики. Кривая зависимости тока двигателя от скорости показывает, что во время пуска двигатель потребляет приблизительно в шесть раз больше тока полной нагрузки; этот ток остается высоким до тех пор, пока двигатель не достигнет примерно 80% скорости. Этот высокий пусковой ток вызывает падение напряжения генератора. Первоначально потребляемая двигателем электрическая мощность (при остановленном двигателе) составляет около 150 % от номинальной мощности. Пиковая мощность, необходимая двигателю, составляет около 300 % номинальной мощности и 80 % скорости при подаче полного напряжения. Но генераторная установка выдает менее 300% мощности, потому что пусковое напряжение ниже полного напряжения во время разгона, а также потому, что инерция вращения генераторной установки передает энергию двигателю.

Двигатель должен развивать больший крутящий момент, чем требуется для нагрузки. Кривая крутящего момента двигателя при полном напряжении выше кривой крутящего момента нагрузки. Разница между крутящим моментом, развиваемым двигателем, и крутящим моментом, требуемым нагрузкой, определяет скорость ускорения. Поскольку крутящий момент пропорционален напряжению, любое снижение напряжения означает пропорциональное уменьшение крутящего момента.

Генераторная установка надлежащего размера будет поддерживать высокие пусковые требования к ВА двигателя и поддерживать достаточное выходное напряжение для двигателя, чтобы он мог развивать достаточный крутящий момент для разгона нагрузки до номинальной скорости.

Все резервные генераторные установки используют синхронные генераторы с возбудителями. Многие из них доступны с системами возбуждения генераторов с постоянными магнитами (PMG). PMG обеспечивает мощность возбуждения независимо от напряжения на клеммах генератора. Таким образом, он может поддерживать полное возбуждение: даже во время переходной нагрузки, такой как запуск двигателя. Полная мощность возбуждения приводит к меньшему падению напряжения и сокращению времени восстановления.

Использование пуска при пониженном напряжении. Хотя падение напряжения часто вызывает различные проблемы, контролируемое снижение напряжения на клеммах двигателя может быть полезным, но только в том случае, если допустимо снижение крутящего момента двигателя.

Уменьшение пусковой кВА двигателя может уменьшить требуемый размер генераторной установки, уменьшить падение напряжения и обеспечить более плавный пуск двигателя. При выборе генераторных установок вы должны сначала определить приемлемый уровень крутящего момента двигателя, требуемый во время запуска, иначе нагрузка будет медленно ускоряться или даже не достигнет полной скорости, что в конечном итоге приведет к повреждению двигателя.

Использование полупроводниковых пускателей. Твердотельные пускатели могут регулировать пусковой момент, время разгона и ограничение тока для контролируемого ускорения двигателя при его запуске. Для определения размера генераторной установки регулировка предела тока снижает пусковой ток и может использоваться для уменьшения пусковых требований к кВт и кВА генератора. Диапазон доступных настроек ограничения тока обычно составляет от 150 % до 600 % от тока полной нагрузки. Установка ограничения тока на 600 % на полупроводниковом пускателе приводит к тому, что размер генераторной установки такой же, как и при пуске от сети.

Настройка ограничения тока на 300 % снижает пусковую кВА на 50 %.

Использование настройки ограничения тока также снижает крутящий момент двигателя, доступный для нагрузки. С точки зрения размера генераторной установки, увеличенное время разгона и настройка ограничения низкого тока (если это подходит для двигателя и механической нагрузки) приведут к наименьшим колебаниям напряжения и частоты.

Недостатком использования полупроводниковых пускателей двигателей является то, что встроенные в них тиристоры (выпрямители с кремниевым управлением) вызывают искажение напряжения. Чтобы компенсировать это, вам придется увеличить мощность генератора. Рекомендация: в два раза больше текущей нагрузки в кВт, за исключением случаев, когда вы используете автоматический байпас. Если полупроводниковый пускатель имеет автоматический байпас, тиристоры находятся в цепи только во время пуска. Как только двигатель заработает, байпасный контактор замыкается и шунтирует тиристоры. В этом случае можно не обращать внимания на искажения напряжения при пуске и не нужно добавлять мощность генератора.

Для ЧРП требуются генераторы большего размера. Все версии частотно-регулируемых приводов (ЧРП) ограничивают ток и уменьшают пусковые кВт и кВА. Ток, потребляемый этими приводами, является нелинейным (с гармониками), что вызывает искаженное падение напряжения на реактивном сопротивлении генератора. Поскольку частотно-регулируемые приводы являются нелинейными, вы должны включить дополнительный коэффициент мощности генератора, чтобы поддерживать искажение напряжения на разумном уровне примерно 15% от общего гармонического искажения (THD) или меньше. Чем больше генератор, тем больше снижается импеданс источника питания (генератора), что, в свою очередь, уменьшает эффекты, вызванные гармоническими искажениями тока.

Для шестиимпульсных частотно-регулируемых приводов типичный коэффициент мощности генератора будет в два раза превышать рабочую мощность привода. Это компенсирует любое снижение пусковой мощности в кВт и кВА. Если это тип с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (или он включает входной фильтр для ограничения искажения тока до уровня менее 10%), то можно уменьшить размерный коэффициент до 1,4-кратного значения мощности привода в кВт.

Использование пошагового пуска. Пусковая последовательность нагрузок может существенно повлиять на размер генераторной установки. Один из широко используемых подходов состоит в том, чтобы предположить, что все подключенные нагрузки будут запускаться за один шаг. Это приводит к наибольшему выбору генераторной установки. Если вы не делаете что-то для постепенного добавления нагрузки (например, несколько переключателей ввода/вывода со смещенными временными задержками или контроллер ступенчатой ​​нагрузки), вам следует использовать одноступенчатую нагрузку для целей расчета.

В многоступенчатых приложениях сначала запускается самый большой двигатель, чтобы минимизировать размер генераторной установки. После подключения всех нагрузок к генераторной установке вы можете останавливать и запускать нагрузочное оборудование с помощью автоматического управления. Здесь вам нужно будет определить размер генераторной установки, предполагая, что самый большой двигатель запускается последним, а все остальные подключенные нагрузки уже подключены к сети.

Примеры размеров генераторных установок. Вы можете определить размер генераторной установки с помощью ручных расчетов (используя рабочий лист) или с помощью программного обеспечения для ПК, доступного у большинства основных производителей генераторных установок. Основной процесс тот же. Всегда лучше использовать фактические данные (если они известны).

Если эта информация недоступна, лучше всего использовать программное обеспечение для ПК, поскольку большая часть требуемой информации о типичных характеристиках нагрузки доступна как информация по умолчанию. Если вы используете процедуру выбора размера вручную, это должно привести к восстанавливающемуся напряжению не менее 90 % от номинального напряжения и начальному мгновенному падению напряжения примерно на 20–40 %.

Мгновенное падение напряжения и падение частоты, вероятно, будут варьироваться от производителя к производителю, исходя из одинаковых номиналов генераторных установок. Для более точной оценки характеристик переходного процесса (начального мгновенного напряжения) используйте программное обеспечение для определения размеров, предоставленное производителем.

Использование процедуры ручного определения размера.

Шаг 1: Соберите информацию. Для каждой нагрузки двигателя вам необходимо знать следующее:

• Паспортная табличка л.с.,
• Погонные киловатты (RkW),
• Киловольт-ампер погонный (РкВА),
• Коэффициент мощности работающего двигателя (PF),
• Пусковой электродвигатель ПФ и
• Заблокированный ротор кВА/л.с.

Вы можете использовать следующее уравнение для расчета RkW и RkVA для двигателей: RkW = [(паспортная табличка л.с.) x (0,746 кВт/л.с.)] / КПД (уравнение 1)

RkVA = RkW / PF двигателя (уравнение 2)

Для расчета пусковых киловольт-ампер (SkVA) и пусковых киловатт (SkW) для двигателей используйте следующие уравнения: кВА/л.с.) (уравнение 3)

SkW = (SkVA) x (мощность пускового двигателя) (уравнение 4)

Шаг 2: Суммируйте числа RkW, RkVA, SkW и SkVA для всех нагрузок.

Шаг 3: Выберите генераторную установку, сравнив значения RkW, RkVA, SkW и SkVA с номиналами, указанными в спецификациях производителя (после соответствующего снижения номинальных значений в зависимости от температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря).

Пример Один расчет. Определите мощность генераторной установки для трех нагрузок, запускаемых параллельно линии, за один шаг. Вот актуальная информация:

• Два двигателя мощностью 200 л.с., код G, рабочий КПД 92%, коэффициент мощности при пуске 0,25, коэффициент мощности при работе 0,91.
• Всего 100 кВА люминесцентного освещения, пусковой коэффициент мощности 0,95 и рабочий коэффициент мощности 0,95 (Примечание. Мы используем здесь термины начальный и рабочий коэффициент мощности для нагрузки освещения для пояснения при добавлении нагрузки двигателя. Фактически, балласт для освещения нагрузка имеет постоянный коэффициент мощности 0,95.)

Этап 1: Сбор информации и расчеты. 200 HP motor:

RkW = (200 hp x 0.746 kW/hp) / 0.92 = 162.2kW

RkVA = 162.2kW / 0.91 PF = 178.2kVA

SkVA = 200 hp x 5.9 kVA/hp41180kVA

SkW = 1180kVA x 0.25 PF = 295kW

Florescent Lighting:

RkW = 100kVA x 0. 95 PF = 95kW

RkVA = 100kVA

SkVA = 100kVA

SkW = 100kVA x 0.95 PF = 95kW

Step 2: Всего.

Нагрузка……… | кВт | РкВА | СкВ | SkVA

Мотор 200л.с. | 162,2 | 178,2 | 295 | 1180

Двигатель 200 л.с. | 162,2 | 178,2 | 295 | 1180

Освещение……. | 95…. | 100… | 95. | 100

Итого (кВА). | 420… | 457.. | 685 | 2460

Шаг 3: Выбор. Как минимум, вам нужно будет подобрать генераторную установку для обеспечения максимальных пусковых (бросковых) требований и установившихся рабочих нагрузок подключенного нагрузочного оборудования. В этом примере (используя опубликованные данные одного производителя) вы бы выбрали генераторную установку мощностью 750 кВт с 2944 кВА доступны при 90% восстанавливающемся напряжении для питания общей нагрузки 2460 кВА. Суммарные нагрузки для RкВт, RкВА и SkW находятся в пределах номинальной мощности выбранной вами генераторной установки мощностью 750 кВт (938 кВА). Текущая киловаттная нагрузка в 420 кВт составляет 56% от резервной мощности генераторной установки мощностью 750 кВт.

Пример Второй расчет. Предположим, у вас есть те же три нагрузки, что и в примере 1, но теперь вы используете пускатель пониженного напряжения автотрансформаторного типа, настроенный на пусковое напряжение 65% для запуска двух двигателей. Эта настройка отвода уменьшит начальное значение кВА на квадрат напряжения (0,65) в квадрате, или в 0,42 раза больше начального значения кВА.

Шаг 1: Расчеты

200 л.с. Двигатель:

RKW = (200 л.с. x 0,746 кВт / HP) / 0,92 = 162,2KW

RKVA = 162,2 кВт / 0,91 PF = 178,2KVA

SKVA = 200 HP = 200 ч. x 5,9 кВА/HP = 1180 x (0,65) квадрат = 495KVA

SKW = 495KVA x 0,25 PF = 124KW

Florescent Lighting:

RKW = 100KVA X 0,95 PF = 95KW

RKVA = 100KVA x 0,95 PF = 95KW

RKVA = 100KVA =

9000 3 9000KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA = 100KVA.

SkW = 100 кВА x 0,95 PF = 95 кВт

Шаг 2: Итого

Загрузка……… | РкВт.. | РкВА | СкВ | SkVA

Мотор 200л.с. | 162,2 | 178.2. | 124. | 495

Двигатель 200 л.с. | 162,2 | 178.2. | 124. | 495

Освещение…… | 95….. | 100… | 95… | 100

Итого (кВА) | 420… | 457… | 343. | 1090

Шаг 3: Выбор. Используя опубликованные данные одного производителя, вы должны выбрать генераторную установку мощностью 450 кВт для обеспечения необходимой пусковой кВА. Текущая киловаттная нагрузка в 420 кВт составляет 93% от резервной мощности генераторной установки. Таким образом, если вам нужен запас для будущих добавлений нагрузки, вы должны выбрать генераторную установку мощностью 500 кВт, работающую на 84% номинальной мощности в режиме ожидания.

Боковая панель: вот что вызывает падение пускового напряжения

Когда вы запускаете двигатель от сети с генераторной установкой, двигатель представляет собой нагрузку с низким импедансом при заблокированном роторе или в остановленном состоянии. Это вызывает высокий пусковой ток. Высокий пусковой ток двигателя (I мс) протекает через обмотки якоря генератора и зависит от реактивного сопротивления. Это приводит к падению напряжения генератора. Импеданс управляет потоком тока в цепях переменного тока. Но реактивное сопротивление якоря генератора составляет такую ​​большую часть его полного импеданса, что сопротивлением можно пренебречь.

Напряжение на клеммах генератора мгновенно падает при замыкании контактов пускателя двигателя в момент времени t40 в зависимости от сверхпереходного реактивного сопротивления (X”d). Как правило, чем больше генератор, тем ниже его реактивное сопротивление. Таким образом, один из способов минимизировать мгновенное падение напряжения должно увеличить размер генератора

Напряжение на клеммах генератора может упасть еще больше, в зависимости от срабатывания автоматического регулятора напряжения генератора и мощности системы возбуждения (большинство автоматических регуляторов напряжения генераторных установок имеют защиту от понижения частоты. )

При кратковременных перегрузках обороты двигателя также могут падать. Если да, то автоматический регулятор напряжения снижает мощность возбуждения до основного поля, что снижает напряжение на клеммах генератора. Это, в свою очередь, снижает нагрузку на двигатель, позволяя ему восстановить номинальные обороты. Как правило, максимальное падение напряжения на клеммах генератора на 30 % не приводит к отключению катушек. (Это позволяет приблизительно на 5 % увеличить падение напряжения в проводниках между генератором и двигателем).

Хотя падение напряжения из-за защиты от пониженной частоты может увеличить время восстановления напряжения, оно также позволяет подобрать двигатель ближе к установившейся рабочей нагрузке, а не к пусковой нагрузке. Это особенно важно для дизельных двигателей, которые не должны работать в течение длительного времени при нагрузке менее 30 % от номинальной. (Продолжительная работа дизельного двигателя с малой нагрузкой может привести к накоплению несгоревшего топлива в выхлопной системе из-за неполного сгорания из-за низких температур сгорания, что называется мокрым скоплением. Работа с малой нагрузкой также может привести к повреждению двигателя из-за загрязнения топливом и водой. смазочное масло.)

После начального провала напряжения важно, чтобы генератор восстановил напряжение до минимума 90% от номинального значения при подаче на двигатель пусковых кВА. По крайней мере, 90% восстанавливающееся напряжение необходимо для того, чтобы двигатель развивал достаточный крутящий момент для разгона нагрузки до номинальной скорости.

Двигатель, запускающий нагрузку с высоким пусковым моментом, например, нагруженный компрессор, требует более высокого восстанавливающегося напряжения, чем запуск ненагруженного компрессора. По мере того, как двигатель набирает скорость, напряжение будет расти, а пусковая потребляемая мощность кВА уменьшается. Как только двигатель наберет скорость, напряжение должно вернуться к номинальному значению, если размер генераторной установки выбран правильно.

Врезка: Как инерция влияет на размер генераторной установки

Момент инерции вращающейся массы оказывает сопротивление ускорению. Нагрузка, подключенная к валу двигателя, имеет свой момент инерции, и в практических ситуациях для конкретного оборудования эта информация может быть доступной, а может и отсутствовать.

К счастью, для определения размера генераторной установки или, точнее, для определения мощности двигателя, необходимой для запуска и ускорения вращающейся нагрузки двигателя, момент инерции нагрузки двигателя достаточно разделить на категории с низкой или высокой инерцией.

Высокоинерционные нагрузки характеризуются высоким пусковым моментом, требующим длительного ускорения. Низкоинерционные нагрузки характеризуются низким пусковым крутящим моментом в состоянии покоя, с увеличением крутящего момента по мере увеличения скорости двигателя, что приводит к быстрому разгону до номинальной скорости.

Пусковые нагрузки с малой инерцией уменьшат потребность в обычных пусковых кВт. Дополнительную информацию об этом можно найти в примерах расчетов в этой статье.

Боковая панель: Примеры высокой и низкой инерции

К высокоинерционным нагрузкам относятся:

• Одно- и многоцилиндровые насосы
• Одно- и многоцилиндровые компрессоры без разгрузочных клапанов
• Дробилки
• Элеваторы гидравлические без разгрузочных клапанов

Малоинерционные нагрузки включают:

• Вентиляторы центробежные и нагнетательные
• Запуск компрессоров без нагрузки
• Центробежные насосы
• Лифты мотор-генераторные

Примечание. Насосы, запускающиеся в условиях высокого напора, и вентиляторы большого диаметра или вентиляторы, запускающиеся в зоны с большими ограничениями, следует классифицировать как нагрузки с высокой инерцией.

Представляем Ballast: инфраструктура адаптивного нагрузочного тестирования

Поскольку архитектура Uber выросла и теперь включает тысячи взаимозависимых микросервисов, нам необходимо тестировать наши критически важные компоненты при максимальной нагрузке, чтобы сохранить надежность. Точное нагрузочное тестирование позволяет нам проверить, работает ли набор сервисов с максимальной нагрузкой и оптимальной эффективностью, сохраняя при этом надежность.

Нагрузочное тестирование этих служб в короткие сроки связано с уникальным набором задач. Исторически сложилось так, что большинство этих нагрузочных тестов включало в себя написание, запуск и контроль тестов вручную. Кроме того, степень, в которой тесты точно отображают шаблоны производственного трафика, постепенно снижается с течением времени по мере естественного развития трафика, что налагает долгосрочную нагрузку на техническое обслуживание. Объем усилий по нагрузочному тестированию постоянно увеличивается по мере роста количества сервисов, что приводит к скрытым затратам на добавление новых функций.

Имея это в виду, мы разработали Ballast адаптивную среду нагрузочного тестирования, которая использует захват трафика с помощью фильтра пакетов Berkeley ( BPF ) и воспроизводит трафик с помощью механизма ПИД-регулятора для регулировки количества запросов. в секунду (RPS ) на каждую службу. Ballast устраняет трудоемкость написания, запуска и контроля нагрузочных тестов, улучшает покрытие нагрузочными тестами и выполняет непрерывное нагрузочное тестирование, предоставляя информацию о возможностях обслуживания и постоянно повышая безопасность развертывания.

В следующих разделах мы опишем структуру Ballast и то, как эта мощная среда для нагрузочного тестирования избавила нас от связанного с этим труда.

 

Рисунок 1. Архитектура балласта

 

На высоком уровне балласт состоит из 6 основных компонентов:

• Генератор нагрузки считывает приспособление для нагрузочного теста и передает его целевой службе для выполнения нагрузочных тестов.

• Захват трафика предоставляет платформе возможность захвата служебного трафика в режиме реального времени. Это используется для подготовки испытательного приспособления. Пользователи также могут вручную предоставить тестовое приспособление.

• Золотые сигналы предоставляет платформе возможность измерения золотых сигналов для производственных служб, включая задержки, доступность, пропускную способность и использование ресурсов, таких как ЦП и стоимость запуска службы на единицу экономики.
• ПИД-регулятор — пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор для генератора нагрузки RPS. Обратная связь Golden Signals необходима для завершения цикла управления во время выполнения нагрузочного теста.

• Планировщик предоставляет платформе возможность планировать нагрузочные тесты в соответствии с потребностями пользователя. Также доступна постоянная опция для нагрузочных тестов.

• Сторожевой таймер балласта отслеживает все запущенные нагрузочные тесты и подписывается на критические оповещения, чтобы обеспечить безопасность каждого нагрузочного теста в случае непредвиденных проблем. Например, глобальная блокировка, перебои в обслуживании и т. д.

 

Генератор нагрузки

Генератор нагрузки балласта по умолчанию называется Shadower .

Shadower использует архитектуру координатор/рабочий. Координатор отвечает за запрос всех нагрузочных тестов в запланированном состоянии и поиск подходящего исполнителя для их запуска.

 

Координатор Shadower

Координатор — это общедоступный компонент, который использует выборы лидера и имеет горизонтальное масштабирование. От любого координатора вы можете:

• Запланировать нагрузочный тест : Планирование выполняется асинхронно, когда координатор постоянно проверяет нагрузочные тесты в запланированном состоянии и пытается найти подходящего исполнителя для их запуска.
• Обновление нагрузочного теста : Любой координатор может получить это, но вызов переадресуется лидеру.
• Остановить нагрузочный тест : Это делается асинхронно; когда воркер отправляет пульс, координатор проверяет запущенные нагрузочные тесты и уведомляет, если какой-либо из них был остановлен.
• Запрос нагрузочного теста
• Список всех нагрузочных испытаний

 

Shadower Worker

Работник отвечает за выполнение нагрузочных тестов. Он имеет следующие функции:

• Управление квотами : Он использует такты для передачи состояния координатору. Хотя состояние является асинхронным, если координатор считает, что у работника есть квота для нагрузочного теста, вызов запуска нагрузочного теста является синхронным, в этот момент рабочий может отклонить нагрузочный тест и предоставить обновленную квоту координатору.
• Чтение полезной нагрузки из Kafka.
• Чтение полезной нагрузки из хранилища.
• Зеркалирование запросов : Если вы предоставляете несколько хостов, он может отправить один и тот же запрос на каждый хост.
• Выброс метрик в нашу базу данных временных рядов.

 

Shadower Mapper

Инструмент командной строки, который обеспечивает кодирование/декодирование для всех доступных кодировок, которые мы используем в Uber (JSON, Thrift и т. д.). Он имеет следующие функции:

• Выход Base64 для двоичной полезной нагрузки в формате JSON.
• Сжатые полезные данные Gzip.
• Сопоставление методов : Если конечная точка названа /v1/foobar в полезной нагрузке, нам необходимо сопоставить конечную точку с определением сообщения thrift/proto.

Эти полезные данные позже загружаются в постоянное хранилище, чтобы рабочий процесс мог их прочитать.

Пример:

Рисунок 2. Исходная полезная нагрузка JSON

 

сопоставляется с →

0351

Компонент захвата трафика считывает пакеты с сети и собирает их в допустимую полезную нагрузку запроса. Он использует пакетный фильтр Беркли (BPF), предоставляемый пакетом pcap, для захвата полезной нагрузки конкретной службы. BPF — это технология, используемая в некоторых компьютерных операционных системах для программ, которым необходимо анализировать сетевой трафик.

Поддерживает 3 протокола: HTTP 1.1, HTTP 2.0 и TChannel. TChannel — это сетевой протокол кадрирования, созданный в Uber для общего RPC, поддерживающий неупорядоченные ответы с чрезвычайно высокой производительностью, позволяющий посредникам быстро принимать решения о переадресации.

Этот компонент может перехватывать пакеты для этих протоколов по сети, собирать их в действительный запрос на обслуживание и быть готовым к считыванию генератором нагрузки.

 

Золотые сигналы

Этот компонент создан на основе платформы Uber Metrics — M3 и предоставляет платформе возможность извлекать 4 золотых сигнала (задержка, трафик, ошибки и насыщение) для проверенной под нагрузкой службы. . Во время нагрузочного теста Ballast отслеживает работоспособность и доступность службы, вызывая Golden Signals.

 

ПИД-регулятор

После того, как балласт запустит испытание под нагрузкой, ПИД-регулятор балласта непрерывно вычисляет значение ошибки как разницу между желаемым состоянием испытания рабочей нагрузки (целевое состояние указано как r(t) ) и измерение золотых сигналов службы ( y(t) ) и применяет поправку к целевой пропускной способности генератора нагрузки на основе пропорциональных (P), интегральных (I) и производных (D) условий. Вот как мы определяем ПИД-регулятор в балласте:

Определение u(t) как выходного сигнала регулятора, окончательная форма алгоритма ПИД: – интегральный коэффициент усиления, параметр настройки,

K _d – коэффициент усиления производной, параметр настройки,

e(t) = r(t) – y(t) – ошибка (r(t) уставка (целевое состояние), а y(t) — значение обратной связи):

t — время или мгновенное время (т. е. настоящее),

τ — переменная интегрирования (принимает значения от момента времени 0 до настоящего времени t)

 

Используя доменный язык Ballast:

r(t):   сервисные золотые сигналы SLO , включая целевой ЦП использование (например, 80%), задержка запроса (например, 600 мс), частота ошибок (например, 0,1%) производственный трафик или пользователи вручную подготавливают тестовое приспособление.

Пользователи настраивают план нагрузочного тестирования с указанием имени целевой службы, центра обработки данных, целевых SLO, местоположения тестового устройства и т. д.

Балласт запускает нагрузочный тест и отслеживает золотые сигналы службы, чтобы настроить целевую пропускную способность генератора нагрузки.

Балласт останавливает нагрузочный тест и записывает результат нагрузочного теста, когда служба достигает целевых SLO (например, когда загрузка ЦП достигает 80%).

См. пример испытания балластной нагрузки, управляемого ПИД-регулятором, для нашего поиска по карте (P:4, I:0.2, D:1) :

 

Рис. 5. Нагрузка, генерируемая Shadower — RPS

 

Рис. 6. Целевая служба — загрузка ЦП вниз, когда его загрузка ЦП приближалась к целевому использованию ЦП.

 

Оценка максимальной грузоподъемности в праздничные дни

Балласт может работать непрерывно без вмешательства человека. Канареечное развертывание используется для обнаружения и предотвращения ошибок перед его глобальным развертыванием. Мы включили балласт в канареечное развертывание для наших сервисов, чтобы всегда знать предел пропускной способности наших сервисов. С балластом становится простой математикой, чтобы подготовить надлежащую емкость для нашего ожидаемого праздничного пика: расчетная пиковая пропускная способность в праздничные дни, деленная на пиковое значение RPS при испытании балластной нагрузки на экземпляр .

 

Resilient Rollout

Балласт используется для улучшения обнаружения дефектов развертывания Canary и сокращения простоев в производстве. Мы включили постоянную функцию Ballast для непрерывного выполнения нагрузочных тестов в канареечном развертывании службы. Когда разработчик развертывает новый код в canary, метрики «до/после» сразу видны. Например, мы знаем, что производительность снизилась, когда:

• Запуск балласта запускает предупреждение ЦП для службы, чего никогда не было при предыдущих запусках.
• Балласт QPS значительно снижается по сравнению с предыдущими запусками.

 

Проверка поведения модуля сброса нагрузки

Балласт используется для тестирования поведения модуля сброса нагрузки, используемого серверной частью Uber Eats. Чтобы при высокой нагрузке отбрасывались только запросы с самым низким приоритетом, Ballast может вводить различные комбинации запросов для имитации различных сценариев производственного трафика.