طراحی چنج آور

برای طراحی مدار چنج آور به اطلاعات زیادی نیاز است. این اطلاعات را می توان به دو بخش شناخت تجهیزات و نحوه ی کنار هم قرار دادن آن ها تقسیم کرد. در مقاله ی سیستم چنج آور چیست، تجهیزات کلید زنی در مدارهای چنج آور معرفی شدند. در ادامه و برای تصمیم گیری بهتر، باید شرایط تاسیسات الکتریکی را مشخص کنیم. برای این کار می توان به سوال های زیر پاسخ داد:

  • تعریف شما برای بار اولویت دار چیست؟ بدون خاموشی، با خاموشی کوتاه
  • برای جابجایی بین دو منبع می توان از خاموشی استفاده کرد یا خیر؟ برخی از تاسیسات مهم هرگز نباید بی برق شوند.
  • میزان زمان خاموشی برای جابجایی بین منبع اصلی و اضطراری حداکثر چقدر باشد؟
  • در تابلو برق ها و تاسیسات داخلی به سادگی می توان بارهای مهم را از بارهای غیر مهم تفکیک کرد؟ به عنوان مثال بارهای مهم دارای سیم کشی، کلید یا باس جداگانه ای هستند؟
  • منبع اضطراری در تاسیسات الکتریکی شما چیست؟ در شرایط مختلف ممکن است منبع اضطراری یک دیزل ژنراتور، UPS، یک منبع دیگر برق شهر مانند ترانسفورماتور دوم، فیدر دوم و یا ترکیبی از تمام آن ها باشد.
  • در چه صورتی مایل هستید از منبع دوم استفاده کنید؟ این منبع فقط برای حالت های اضطرای استفاده می شود یا می توان از آن برای پیک سایی استفاده کرد؟
  • نسبت توان منبع اضطراری به اصلی چقدر است؟ آیا در حالت اضطراری تمام مدار می تواند در شرایط نرمال کار کند و یا فقط باید قسمت های مهم برق دار بمانند؟
  • برای سوئیچ مایل هستید از چه تجهیزاتی استفاده کنید؟ دو کنتاکتور، دو کلید موتوردار، یک کلید چنج آور موتور دار و …
  • آیا مایل هستید منبع اصلی و اضطراری یا چند منبع اضطراری را با یکدیگر پارالل کنید؟
  • تمایل دارید از چند نوع سیستم کنترلی استفاده کنید؟ حالت خودکار، کنترل از راه دور، دستی و یا ترکیبی از این حالت ها
  • در صورت بروز خطا در مدار فرمان، مایل هستید از سیستم دستی استفاده کنید؟
  • مایل هتسید از چه سیستم های بازدارنده مانند اینترلاک های الکتریکی و مکانیکی استفاده کنید؟
  • در صورت بروز چه خطاهایی مایل هستید منبع اصلی به اضطراری سوئیچ شود؟
  • تاسیسات موجود دارای چه سیستم های کنترلی و ارتباطی هستند؟ اگر منبع دوم دیزل ژنراتور باشد، آیا به سیستم های کنترلی، روشن و خاموش شدن خودکار، گاورنر و … مجهز می باشد؟
  • آیا نیاز است اطلاعات و شرایط مدار برای سیستم های کنترلی و مانیتورینگ ارسال شود؟
  • کمیت های مدار مانند ولتاژ، جریان، فرکانس، توان و … در حالت عادی و اضطراری باید نمایش داده شوند؟

نوع و تفکیک بارها:

برای پیاده سازی یک مدار چنج آور مناسب ابتدا باید مشخص کنیم که در تاسیسات چه نوع بارهایی وجود دارند. این کار با حضور متقاضی انجام شده و نظرات وی در اطلاعات پروژه ثبت می شود. بارهای الکتریکی باید از نظر اهمیت، نحوه ی جابجایی بین دو منبع و اندازه دسته بندی شوند.

اهمیت اولویت بالا اولویت متوسط بدون اولویت
نحوه ی جابجایی بدون خاموشی خاموشی زیر یک دقیقه بدون نیاز به جابجایی
اندازه بر اساس کیلو وات بر اساس کیلو وات بر اساس کیلو وات

طبق جدول فوق می توان بارهای الکتریکی را از نظر اهمیت به سه گروه اولویت بالا، اولویت متوسط و بدون اولویت تقسیم کرد. شرح هر یک از گروه ها عبارتند از:

اولویت بالا:  این بارها تحت هیچ شرایطی نباید بی برق شوند. خاموشی های بسیار کوتاه و حتی کمتر از یک ثانیه می تواند عملکرد نرمال این بار ها را برای چند دقیقه و حتی چند ساعت مختل کند. مراکز داده، کامپیوترها، تاسیسات امنیتی و … پس از قطعی های بسیار کوتاه نیاز به راه اندازی مجدد دارند. جابجایی این بارها بین دو منبع اصلی و اضطراری باید بدون خاموشی انجام شود. برای تامین نیروی مورد نیاز این بارها از UPS و ترکیب UPS و چنج آور استفاده می شود. قابل ذکر است که زمان استفاده از UPS به تنهایی محدود می باشد و برای رفع این مشکل، از یک UPS که بین دو منبع اصلی و اضطراری قرار گرفته است استفاده می شود. هر دو حالت فوق در تصویر زیر نمایش داده شده است.

چنج آور

اولویت متوسط: بارهای اولویت متوسط می توانند خاموشی های کوتاه مدت را برای راه اندازی منبع اضطراری و جابجایی، تحمل کنند. زمان این خاموشی با توجه به نظر متقاضی، نوع منبع اضطراری و اهمیت بارها مشخص می شود. در حالت نرمال کمتر از یک دقیقه زمان نیاز است تا منبع دوم راه اندازی شده و تجهیزات مجدد برق دار شوند. برخی از خطوط تولید کارخانه ها، سیستم های حمل و نقل، تامین آب، تهویه، روشنایی اضطراری و … می توانند از گروه بارهای اولویت متوسط محسوب شوند. در تصویر زیر دیاگرام جابجایی بارهای اولویت متوسط بین دو منبع را مشاهده می کنید.

چنج آور

بدون اولویت: بارهای بدون اولویت می توانند تا پایان رفع مشکل منبع اصلی بی برق بمانند. این بارها در سیستم چنج آور قرار نگرفته و طبق نظر متقاضی مشخص می شوند. در تصویر زیر  مشخص شده که کلید چنج آور بین منبع اصلی و اضطراری قرار گرفته و فقط بار با اولویت متوسط را برق دار می کند. بار های بدون اولویت فقط از منبع اصلی منشعب شده و در صورت بروز خطا، تا پایان رفع آن بی برق باقی می مانند.

چنج آور

بعد از مشخص کردن اولویت و اندازه ی بارها، باید بررسی کنیم که آیا تفکیک بارها در سیستم انجام شده است؟ به عنوان مثال آیا از باس، کلید و یا سیم کشی جداگانه استفاده شده است؟ در صورت مثبت بودن پاسخ، باید میزان توان هر یک از بارها را اندازه گیری یا محاسبه کنید. در صورت منفی بودن پاسخ مشخص کنید که متقاضی تمایل به تفکیک بار و متحمل شده هزینه ی ناشی از آن را دارد یا خیر.

منابع اضطراری:

بعد از بررسی اولویت و میزان بارها، باید نوع منبع اضطراری، اندازه و سطح ولتاژ آن را مشخص کنیم. با توجه به اهمیت تاسیسات و میزان خاموشی ها در منبع اصلی، می توان از منبع اضطراری بدون وقفه، با وقفه ی بسیار کوتاه، با وقفه ی کوتاه و یا ترکیبی از آن ها استفاده کرد. قابل ذکر است که در تاسیسات بسیار بزرگ و مهم، چنج آور بین سطوح ولتاژی مختلف مانند فشار ضعیف، فشار متوسط و فوق توزیع قرار می گیرند.

منبع بدون وقفه منبع با وقفه ی بسیار کوتاه منبع با وقفه ی کوتاه
انواع UPS باتری های شارژ شده و در حالت آماده باش با سوئیچ بسیار سریع دیزل ژنراتور، منبع دوم برق شهر مانند فیدر دوم فشار ضعیف، فیدر دوم فشار متوسط و …

در تصویر زیر ترکیب انواع منابع اضطراری را مشاهده می کنید. در گزینه ی (a) دوعدد ترانسفورماتور یا یک ترانسفورماتور و یک دیزل، در گزینه ی(b) دوعدد ترانسفورماتور و یک دیزل و در گزینه ی (c) یک عدد ترانسفورماتور با دو فیدر تغذیه کننده ی فشار متوسط و یک دیزل نمایش داده شده اند.

چنج آور

توان منبع اضطراری باید با توجه به میزان بارهای موجود و ضریب توسعه تعیین شود. در صورتی که بارها درست تفکیک شده باشند می توان میزان توان منبع را برابر با جمع بارهای اولویت بالا و متوسط قرار داد. در صورتی که خط تولید، کارخانه و یا … در حال توسعه باشد، برای تهیه ی منبع اضطراری باید ضریبی را برای بارهای آینده در نظر گرفت. در نظر داشته باشید که هرچه این منبع کوچک تر باشد هزینه های خرید، نصب، راه اندازی، سرویس و نگه داری و … کاهش می یابد.

در زمان های متفاوت استفاده از انرژی الکتریکی هزینه های متفاوتی دارد. این قیمت معمولا در بازه ی زمانی پیک حداکثر و چند برابر بازه های کم باری و میان باری می باشد. در صورتی که منبع اضطراری از انواع UPS و یا دیزل ژنراتور تشکیل شده باشد می توان از آن ها در پیک سایی و در نتیجه کاهش هزینه ها استفاده کرد. استفاده از تجهیزات در پیک سازی نیاز به بررسی دقیق هزینه ها دارد. برای این کار هزینه ی کاهش یافته به علت عدم مصرف انرژی الکتریکی از شبکه در مقابل استهلاک باتری ها، دیزل ژنراتور، سوخت و … قرار گرفته و توجیه می شود. در صورت وجود اختلاف قابل توجه بین این هزینه ها و با نظر مستقیم متقاضی، می توان از تجهیزات اضافی برای سوئیچ بین دو منبع و کار به صورت موازی استفاده کرد.

تجهیزات سوئیچ:

پس از بررسی بار و منبع اضطراری، باید تجهیزات و روش سوئیچ بین دو منبع را مشخص کنیم. برای جابجایی خودکار بین دو منبع می توان از ترکیب دو کنتاکتور، دو کلید موتور دار، یک کلید چنج آور موتور دار، یک کلید اتوترانسفر و یا ترکیبی از تمام موارد ذکر شده استفاده کرد. قبل از انتخاب تجهیزات سوئیچ باید دو نکته را مشخص کنیم:

  • منبع اضطراری یکپارچه بوده و یا از چند منبع کوچک تشکیل شده است؟
  • مایل هستید جابجایی های با برنامه بین منبع اصلی و اضطراری بدون خاموشی انجام شود؟

فرض کنید بار یک کارخانه در شرایط مختلف، متغییر باشد. در صورتی که این مجموعه از یک منبع اضطراری بزرگ استفاده کند، باید اندازه ی آن را برابر با بیشتر بار ممکن در نظر بگیرد. اگر منبع اصلی به هر علتی دچار مشکل شود، منبع اضطراری باید راه اندازی شده و وارد مدار شود. در این حالت ممکن است با توجه به میزان بار موجود، منبع اضطراری در شرایط بی باری، کم باری و یا بار کامل قرار  بگیرد. کار کردن منبع اضطراری در حالت بار کامل، بهترین گزینه ی ممکن می باشد. در این حالت راندمان، هزینه ها و استهلاک تجهیزات توجیه اقتصادی دارد. اگر به جای یک منبع از چند منبع کوچک تر استفاده شده باشد، می توان به میزان مورد نیاز از منبع های اضطراری استفاده کرد.

از طرفی اگر در تاسیسات از یک منبع اضطراری استفاده شده باشد، بروز هرگونه عیب در آن می تواند باعث خاموشی کامل شود. این حالت در تاسیسات مهم مانند بیمارستان ها، مراکز امینی و … هیچ توجیهی ندارد. فرض کنید در زمان سرویس و نگه داری منبع اضطراری، منبع اصلی دچار مشکل شود. در این صورت نیز خاموشی کامل رخ می دهد.

با توجه به موارد ذکر شده، به جای استفاده از یک منبع اضطراری بزرگ در تاسیسات مهم، می توان از چند منبع اضطراری کوچک استفاده کرد. با این کار ضریب اطمینان، هزینه های سرویس و نگه داری، خاموشی های ناخواسته و … تحت تاثیر قرار می گیرد. در صورت استفاده از چند منبع اضطراری کوچک باید شرایط پارالل کردن آن ها را با هم در نظر گرفت. در تصویر زیر نشان داده شده که می توان به جای یک منبع اضطراری بزرگ، از سه منبع کوچک تر استفاده کرد.

طراحی چنج آور

در اکثر کارخانه ها از برق شهر به عنوان منبع اصلی و دیزل ژنراتور به عنوان منبع اضطراری استفاده شده است. وضعیت نرمال در تصویر زیر و حالت (a) نمایش داده شده است. در این روش اگر منبع اصلی دچار اختلال شود، برق سیستم قطع شده و سپس فرمان روشن به دیزل داده می شود. (حالت b) پس از گذشت زمان کوتاهی و کمتر از یک دقیقه، توان مورد نیاز بار توسط دیزل تامین می شود. (حالت c) با نرمال شدن وضعیت منبع اصلی، بار از دیزل جدا و پس از بی برق شدن مجدد به برق شهر متصل می شود. (حالتd) در نتیجه، هر اختلال در منبع اصلی باعث دو مرتبه بی برق شدن باس می شود. (حالت های b و d)

طراحی چنج آور

با توجه به این که حوادث اجتناب ناپذیر هستند و زمان رخ دادن آن غیر قابل پیش بینی است، می توان برگشت بار از منبع اضطراری به منبع اصلی را بدون خاموشی انجام داد. در این حالت پس از نرمال شدن شرایط منبع اصلی، در یک زمان کوتاه منبع اصلی و اضطراری پارالل شده و سپس منبع اضطراری قطع می شود. در تصویر زیر و قسمت (d) این مورد را مشاهده می کنید. این کار را می توان در خاموشی های با برنامه به صورت عکس نیز انجام داد. برای این کار منبع اضطراری را آماده و سپس با منبع اصلی پارالل می کنیم. بعد از موفقیت آمیز بودن این مرحله می توان کلید مربوط به منبع اصلی را قطع کرد. با مجهز کردن سیستم چنج آور به رله های سنکرون، می توان خاموشی باس را یک مرتبه کاهش داد.

طراحی چنج آور

در صورتی که بخواهیم از دیزل برای پیک سایی استفاده کنیم ممکن است چند حالت رخ دهد. مهم ترین این موارد عبارتند از:

  • دیزل توان تامین تمام برق مورد نیاز شرکت را دارد
  • دیزل توان تامین تمام برق مورد نیاز شرکت را نداشته ولی می توان بارهای غیر ضروری را در لحظه ی پیک حذف کرد.
  • دیزل توان تامین تمام برق مورد نیاز شرکت را نداشته و نمی توان بارهای غیر ضروری را در لحظه ی پیک حذف کرد.

در صورتی که دیزل توان تامین تمام برق را داشته باشد و یا بتوانیم از بارهای غیر ضروری صرف نظر کنیم، می توانیم در ساعات پیک کاملا از منبع اصلی جدا شده و با منبع اضطراری کار کنیم.

در صورتی که دیزل توان تامین بار کامل را نداشته باشد و نتوانیم بارهای غیر ضروری را حذف کنیم، یک روش دیگر باقی می ماند. می توانیم دیزل را با منبع اصلی پارالل کرده و به اندازه ی توان آن مصرف برق را کاهش دهیم. این روش در تصویر زیر نمایش داده شده است. در این حالت حدود ۳۰ درصد بار مورد نیاز توسط ژنراتور و ۷۰ درصد باقی مانده توسط منبع اصلی تامین می شود.

طراحی چنج آور

برای پارالل کردن چند ژنراتور با هم و با منبع اصلی می توان از رله های کنترل دیزل ژنراتور، رله های چنج آور با قابلیت پارالل کردن و یا رله ی سنکرون به صورت سفارشی استفاده کرد. در این مدار باید از دو کنتاکتور، دو کلید موتور دار و یا یک کلید چنج آور با خاصیت هم پوشانی کنتاکت ها استفاده کرد.  در تصویر زیر  یک رله ی سنکرون برای پارالل کردن دو منبع را مشاهده می کنید.

انواع رله

کنترل و مانیتورینگ:

تجهیزات قدرت در مدار چنج آور را می توان به صورت ارسال فرمان های دستی و یا به صورت خودکار کنترل کرد. فرمان های دستی می تواند از محل کلید و یا توسط سیستم ریموت ارسال شود. فرمان های خودکار می توانند از طریق یک مدار سفارشی، یک رله ی چنچ آور، برد دیزل ژنراتور یا رله ی اتوترانسفر، وضعیت تجهیزات را تغییر دهند. در واقع نوع مدار فرمان تعیین می کند که چه تجهیزی با چه شرایطی وارد مدار شده و یا از آن خارج شود. برای مشخص کردن نوع سیستم کنترل باید خواسته های خود را کاملا مشخص کنید. به عنوان مثال:

  • مایل هستید از چند نوع روش برای کنترل چنج آور استفاده کنید؟ انتخاب های شما می تواند کنترل دستی، کنترل از طریق شبکه های صنعتی، کنترل از طریق مدار فرمان، رله های خودکار و یا ترکیبی از تمام موارد باشد.
  • در چه شرایطی منبع اضطراری وارد مدار شود؟ قطع کامل منبع اصلی، بروز خطاهای ولتاژی و فرکانسی مانند افت و افزایش ولتاژ، فرکانس، قطع فاز ها و …. تعداد کمیت ها و میزان تغییرات آن ها را شما تعیین می کنید.
  • مایل هستید از چه سیستم های بازدارنده مانند اینترلاک های الکتریکی و مکانیکی استفاده کنید؟
  • آیا مایل هستید کمیت های الکتریکی را از طریق پنل کلید و یا شبکه های صنعتی مشاهده و ذخیره کنید؟
  • تاسیسات موجود دارای چه سیستم های کنترلی و ارتباطی هستند؟
  • اگر منبع اضطراری تاسیسات شما یک دیزل ژنراتور باشد، آیا به سیستم های کنترلی، روشن و خاموش شدن خودکار، گاورنر و … مجهز شده است؟

قبل از شکل گیری و تولید انبوه رله های کنترل دیزل ژنراتور و رله های چنج آور، مدارهای سفارشی بر اساس نیاز مشتری طراحی و پیاده سازی می شد. در این روش عملکرد مدار مانند حفاظت ها، زمان گیری ها، شرایط استارت، استپ و … توسط تجهیزاتی مانند تایمرها، کنترل فازها، کنتاکتور ها و …  انجام می شدند. به علت نبود استاندارد خاصی، هر مدار می توانست شرایط کاری، حفاظتی، روش بهره برداری و … متفاوتی داشته باشد.

فرمان استارت مدار چنج آور سفارشی معمولا از یک دستگاه کنترل فاز که روی منبع اصلی قرار گرفته بود، صادر می شد. در صورتی که کمیت های الکتریکی شبکه از حد مقادیر تنظیم شده روی کنترل فاز کمتر و یا بیشتر می شد، زمان گیری شروع و پس از آن فرمان استارت دیزل توسط یک رله یا کنتاکتور اجرا می شد.  در صورت روشن نشدن دیزل به هر علتی، استارت مجدد تا ۳ مرتبه صورت می گرفت. در نظر داشته باشید که همین مدار استارت مجدد به چه تعدادی رله، زمان گیری و … نیاز دارد. پس از روشن شدن دیزل، خروجی ژنراتور توسط یک کنترل فاز دیگر بررسی می شد. در صورت صحت ولتاژ خروجی، فرمان وصل کنتاکتور اصلی صادر و توان مورد نیاز بار از طریق ژنراتور تامین می شد. در طول کار دیزل، تمام المان ها مانند میزان سوخت، حرارت، مایع خنک کننده، فرکانس، ولتاژ و … توسط همین مدار کنترل می شد. می توانید تصویر کنید که چه تعدادی از تجهیزات با چه حجمی از سیم بندی در کنارهم قرار می گرفتند تا یک چنج آور خودکار ساخته شود. از معایب این نوع مدار می توان به هزینه و پیچیدگی بالا، تعمیرات سخت، حجم زیاد سیم بندی و تابلو، عدم کنترل دقیق و پیوسته و … اشاره کرد.

برای رفع مشکلات ذکر شده و با پیشرفت تکنولوژی، بردهایی برای کنترل کمیت های الکتریکی، کمیت های دیزل ژنراتور و کنترل چنج آور ساخته شدند.  این بردها به خوبی می توانند المان های آنالوگ و دیجیتال مربوط به دیزل ژنراتور مانند میزان دما، حجم سوخت، فشار روغن، وضعیت سیستم خنک کننده، بروز عیب هایی در سیستم استارت، میزان شارژ باتری ها و … را کنترل کنند. با توجه به نیاز متقاضی و نوع تاسیسات موجود می توان از این رله ها برای کنترل یک دستگاه تا چند دستگاه ژنراتور استفاده کرد. برخی از این بردها می توانند چند ژنراتور را با یکدیگر و در نهایت با منبع اصلی پارالل کنند.

با استفاده از این رله ها، حجم سیم بندی، پیچیدگی مدار، قیمت و حجم تابلوی چنج آور کاهش پیدا می کند. از طرفی می توان میزان کمیت های الکتریکی شبکه ی اصلی، ژنراتور و دیزل را به دقت تنظیم، کنترل و توسط شبکه های صنعتی مانیتور کرد. این رله ها به صورت جداگانه تهیه و روی انواع دیزل ژنراتور نصب می شوند. در تصویر زیر رله ی کنترل دیزل ژنراتور را مشاهده می کنید.

رله

در مجموعه ی دیزل ژنراتورهای امروزی، کنترل وضعیت موتور و ژنراتور توسط بردهایی که روی خود مجموعه قرار دارد و تحت عنوان (ECU: Engine Control Unit) شناخته می شوند، صورت می گیرد. این بردها با ارسال یک فرمان دیجیتال می توانند دیزل را روشن و خاموش کنند. برای استفاده از دیزل های جدید در سیستم های چنج آور می توان از کلیدهای اتوترانسفر یا رله ی چنج آور استفاده کرد. در تصویر زیر یک نمونه رله ی چنج آور را مشاهده می کنید.

چنج آور

با توجه به برند و مدل رله های چنج آور، می توان ارسال فرمان روشن و خاموش به دیزل، جابجایی بار بین دو منبع، مانیتورینگ کمیت های الکتریکی منبع اصلی و اضطراری، ارتباط با شبکه های صنعتی و … را به صورت کامل پوشش داد.

دوره ی تصویری کلیدهای فشار ضعیف