ژنراتور سنکرون چیست؟

عبارت ژنراتور سنکرون ممکن است توصیف کننده ی ساختمان یک مولد یا روش کار آن باشد. در تاسیسات الکتریکی این اصطلاح به معنی ژنراتور با قابلیت کار موازی است. ژنراتور سنکرون را می توان با طراحی سیستم های خاصی به مولد های دیگر، منبع برق اصلی و یا هردو متصل کرد. سنکرون کردن ژنراتورها با یکدیگر یا کار موازی با برق شهر می تواند بسیاری از مشکلات تاسیسات حساس را مرتفع کند. از مزایای وجود ژنراتور یا ژنراتورهای سنکرون در تاسیسات الکتریکی می توان به این موارد اشاره کرد:

• کاهش خاموشی های مربوط به جابجایی بین منبع اضطراری و منبع اصلی
• توانایی کار پارالل یا سنکرون و کاهش هزینه های مصرف برق
• توانایی کار پارالل یا سنکرون و پیک سایی جهت کاهش خاموشی های شبکه برق
• توانایی انتخاب چند ژنراتور کوچک بجای یک ژنراتور بزرگ و وابسته کردن آن ها به میزان بار مصرفی
• افزایش قابلیت اطمینان در تاسیسات و تغذیه ی بارهای حساس

با توجه به نوع مدار و تجهیزات سوئیچ می توان از ژنراتورها به شکل های متفاوتی استفاده کرد. با انتخاب تجهیزات مناسب می توان ژنراتور ها را باهم و با شبکه پارالل کرد. این روش مزایای زیادی مانند جابجایی بدون خاموشی، پیک سایی، کنترل توان اکتیو، راکتیو و غیره را دارد. در دوره ی آموزشی تاسیسات فشار متوسط مباحث مربوط به کنترل موازی یا پارالل بررسی شده است.

وجود منابع پارالل در پست های MV باعث پیچیده‌تر شده مسائل می‌شود. نکات مهم در طراحی سیستم های جایگزین و پارالل را می توان به سه گروه ژنراتور استندبای، ژنراتور پارالل و ترانس پارالل تقسیم کرد. در پست های فشار متوسط تنها ژنراتورهای متصل شده به باس MV در نظر گرفته خواهند شد. ژنراتورها می‌توانند در سطوح ولتاژی مختلف مانند LV به شکل استندبای یا پارالل کار کنند. تفاوت اصلی در ژنراتور استندبای و پارالل مربوط به تجهیزات کلیدزنی و کنترلی آن‌ها است. تجهیزات کلید زنی و کنترلی ممکن است با عنوان دیگر مانند سیستم چنج آور نیز شناخته شوند. جهت آشنایی بیشتر مقاله چنج آور چیست را مطالعه کنید. در تصویر زیر تجهیزات MV برای پست های دارای ژنراتور استندبای را مشاهده می کنید. در این سیستم از اینترلاک های مکانیکی و الکتریکی استفاده شده تا هرگز برق شهر و ژنراتور به صورت همزمان به باسبار متصل نشوند.

کنترل و حفاظت ژنراتور

سیستم تولید انرژی الکتریکی از نظر نیرو محرکه، سوخت، سطح ولتاژ، جریان خروجی و غیره در مدل های بسیار متنوعی ساخته می شوند. در توان های پائین معمولا از یک موتور یا انجین درون سوز برای تامین نیرو محرکه ی مولد استفاده می شود. این موتور می تواند با سوخت های مختلفی مانند بنزین، گازوئیل یا گاز تغذیه تغذیه گردد. نیروی تولید شده توسط انجین به یک ژنراتور منتقل شده و در نهایت به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. مولدهای برق کوپل شده با انجین گازوئیل سوز با عنوان دیزل ژنراتور شناخته می شوند. انجین و ژنراتور دارای دو سیستم جداگانه بوده ولی به یکدیگر مرتبط هستند. برای کنترل و حفاظت انجین و ژنراتور می توان از بردهای خاصی استفاده کرد.

در ویدئوی زیر که برگرفته از دوره تاسیسات فشار متوسط است مدار قدرت و روش کنترل دیزل ژنراتورهای پارالل را شرح می دهیم:

بردهای کنترلی بر اساس تعداد پارامترها، نحوه کار استندبای یا پارالل و غیره انتخاب می شوند. در نظر داشته باشید که تمام حفاظت های ژنراتور توسط برد انجام نشده و باید از بریکر و رله های دیجیتال نیز استفاده گردد. بردهای کنترل ژنراتور دارای فانکشن های مختلفی جهت حفاظت الکتریکی، مکانیکی و محیطی هستند. از موارد مهم در حفاظت موتور یا انجین می توان به دمای آب، دمای روغن، فشار روغن، ساعت کار و غیره اشاره کرد. برخی از پارامترهای مربوط به ژنراتور نیز در این بردها با دقت مناسبی کنترل می شوند. پارامترهای الکتریکی مهم در حفاظت ژنراتور شامل ولتاژ، فرکانس، جریان و غیره هستند.

کنترل ولتاژ و فرکانس در ژنراتور سنکرون

ولتاژ و فرکانس توسط رگولاتورهای اولیه در ژنراتور تنظیم می‌شود. تنظیم فرکانس توسط رگولاتور سرعت و تنظیم ولتاژ توسط رگولاتور تحریک صورت می گیرد. هنگام کار چند ژنراتور به صورت سنکرون نیاز به سیستم‌های کنترلی اضافه است. سیستم کنترلی در ژنراتورهای سنکرون نقش تقسیم کننده‌ی توان اکتیو و راکتیو بین ژنراتورها را دارد. به منظور تقسیم بار اکتیو و راکتیو روی ژنراتورها از ماژول های اختصاصی استفاده می‌شود. این ماژول‌ها نقش‌های مهم دیگری مانند سنکرون سازی اتوماتیک و کوپل کردن ژنراتورها را دارند. روش کار سیستم تقسیم توان اکتیو و راکتیو بین ژنراتورهای سنکرون یا پارالل بر این اساس است:

• افزایش میزان توان اکتیو تولیدی با شتاب گرفتن ماشین محرک مانند دیزل و برعکس
• افزایش میزان توان راکتیو تولیدی با افزایش جریان تحریک و برعکس

در تصویر زیر سه ژنراتور با قابلیت کار پارالل را مشاهده می کنید. هر ژنراتور سنکرون توسط یک بریکر به باسبار اصلی متصل می شود. بریکرهای سنکرون سازی فاقد اینترلاک مکانیکی و الکتریکی بوده وباید به صورت آزادانه به باسبار متصل شوند. زمان وصل بریکرها بسیار مهم بوده و توسط سیستم های سنکرون چک و بردهای دیزل ژنراتور تعیین می شود. مجموع توان تولید شده توسط بریکر شماره 4 روی ترانسفورماتور قرار می گیرد. این ترانسفورماتور جهت تبدیل ولتاژ LV خروجی ژنراتورها به MV است. این روش در بسیاری از تاسیسات داخلی و مولدهای تولید پراکنده یا DG ها صورت می گیرد.

در این ویدیو تأسیسات تولید پراکنده گازی با سه ژنراتور 2 مگاواتی را بررسی می کنیم. این ژنراتورها انرژی را به صورت فشار ضعیف تولید می کنند. انرژی تولید شده توسط ترانسفورماتور خشک به فشار متوسط تبدیل و به شبکه فشار متوسط تزریق می شود.ین ویدئو برگرفته از دوره تخصصی تاسیسات فشار متوسط است.

حفاظت های ژنراتور

ژنراتور یک تجهیز حساس و گران قیمت است. جهت افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان ژنراتور باید از سیستم های حفاظتی مناسب استفاده کرد. حفاظت ژنراتور بر اساس توان آن طراحی شده و می تواند شامل چندین فانکشن باشد. در حفاظت ژنراتورهای بزرگ از رله های دیجیتال به همراه بریکر و برد کنترلی استفاده می شود. این رله ها می توانند پارامترهای زیادی را در ژنراتور اندازه گیری کنند. در تصویر زیر یک نمونه رله ی حفاظت ژنراتور را مشاهده می کنید. فانکشن های موجود در این رله با کدهای استاندارد مشخص شده اند. هر یک از این کدها وظیفه ی خاصی داشته و می تواند در صورت رخ دادن خطا باعث از مدار خارج شدن ژنراتور گردد.

در دیاگرام رله می توان ارتباط هر یک از فانکشن ها با بخش تحت کنترل خود در ژنراتور را مشاهده کرد. به عنوان مثال فانکشن 27P با عنوان کاهش ولتاژ فاز در قسمت خروجی ژنراتور وجود دارد. فانکشن های حفاظتی رله ی فوق عبارتنداز:

• 12 حفاظت اضافه سرعت
• 21P دیستانس فاز
• 24 ولتاژ/ فرکانس
• 27P کاهش ولتاژ فاز
• 27/50 برقدار شدن تصادفی ژنراتور
• 27TN/59N ارت فالت 100 درصد استاتور
• 32 توان جهت دار
• 38 افزایش حرارت بلبرینگ‌ها
• 39 لرزش بلبرینگ ها
• 40 از درست رفتن تحریک
• 46 نامتعادلی جریان استاتور
• 47 جابجایی فاز
• 49 اضافه بار حرارتی
• 50BF اشکال در بریکر
• 50P اضافه جریان لحظه ای فاز
• 50G اضافه جریان لحظه ای زمین
• 51P اضافه جریان زمان دار یا تاخیری فاز
• 51G اضافه جریان زمان دار یا تاخیری زمین
• 51-2 اضافه جریان زمان دار یا تاخیری توالی منفی
• 51V اضافه جریان زمان دار یا تاخیری وابسته به ولتاژ voltage restrained time over current
• 59P اضافه ولتاژ فاز
• 67G اضافه جریان جهت دار زمین
• 81O اضافه فرکانس
• 81U کاهش فرکانس
• 86 Lockout لاک اوت یا فقل شدن
• 87G دیفرانسیل ژنراتور
• VTFF اشکال در فیوز VT یا ترانس ولتاژ

فانکشن های حفاظتی در ژنراتورهای کوچک بر اساس جریان و ولتاژ بوده و بسیار ساده هستند. در مدل های معمول از یک بریکر در خروجی ژنراتور استفاده شده و کنترل ولتاژ و فرکانس بر عهده ی برد الکترونیک خواهد بود. توصیه می شود به منظور حفاظت ژنراتور حتما از بریکر با تریپ یونیت الکترونیک و رله های خطای زمین استفاده کنید. بهترین حالت استفاده از بریکرهای چهار پل با تریپ یونیت دیجیتال و فانکشن اتصال زمین است. در صورت استفاده از بریکرهای سه پل می توانید رله ی خطای زمین را به صورت جداگانه استفاده کنید.

تنظیمات سیستم حفاظتی ژنراتور

رخ دادن اتصال کوتاه حتی با جریان پائین هنگام استفاده از ژنراتور بسیار مهم است. در نظر داشته باشید که ژنراتور هنگام رخ دادن اتصال کوتاه بسیار حساس‌تر از شبکه‌ی برق است. هنگام استفاده از ژنراتور باید در تنظیمات سیستم حفاظتی و عملکرد موضعی بسیار حساس بود. پیشنهاد می‌شود از شرکت سازنده‌ی ژنراتور اطلاعات کامل در خصوص اتصال کوتاه و میزان زمان آن را دریافت کنید. در مرحله‌ی بعد با انطباق اطلاعات اتصال کوتاه و سیستم حفاظت اضافه جریان از ایمن بودن آن مطمئن شوید. در برخی از شرایط سخت نیاز به تقویت تحریک ژنراتور بوده و شرایط آن باید به دقت مشخص شود.

در صورت نامناسب بودن وضعیت بریکر یا تریپ یونیت های حرارتی و مغناطیسی باید سیستم حفاظتی را ارتقاء دهید. جهت جلوگیری از تحمیل هزینه و تعویض کلی بریکر می توان از رله های دیجیتال به صورت ثانویه استفاده کرد. رله های دیجیتال بر اساس فانکشن های حفاظتی دسته بندی شده و باید به درستی انتخاب شود. در صورت وجود تمام فانکشن های حفاظتی مانند اضافه جریان های لحظه ای، تاخیری، جریان پائین، خطای زمین و غیره می توان تریپ یونیت بریکر را از مدار خارج کرد. با این کار حفاظت بر عهده ی رله بوده و بریکر به یک قطع کننده جریان خطا تبدیل می شود.

ژنراتور استندبای

در صورت نیاز تاسیسات به قابلیت اطمینان بالا می‌توان از یک یا چند ژنراتور استندبای استفاده کرد. تمام سیستم‌های مستقل یا استند بای به یک چنج آور اتوماتیک مجهز هستند. سیستم چنج آور به منظور سوئیچ بار از منبع اصلی به ژنراتور و برعکس استفاده می‌شود. جابجایی بار به صورت خودکار و هنگام رخ دادن خطا در منبع اصلی انجام خواهد شد. با استفاده از چنج آور مستقل باید ژنراتور دارای سیستم حفاظتی مناسب و اختصاصی باشد. در تصویر زیر مدل های مختلف دریافت انرژی از شبکه ی فشار متوسط و تبدیل آن به فشار ضعیف را مشاهده می کنید. در قسمت Supplier یا شرکت توزیع چهار روش کلی جهت اتصال پست به شبکه ی MV آورده شده است. در ستون دوم از سمت چپ، ترانسفورماتور و روش های حفاظت آن و در ستون بعدی اندازه گیری LV و در نهایت تابلوی توزیع قرار دارد. تابلوی توزیع LV یا تابلوی اصلی می تواند به سیستم چنج آور اتوماتیک مجهز باشد. معمولا این بخش از تابلو دارای اینترلاک مکانیکی و الکتریکی بوده تا از وصل همزمان سوئیچ های برق شهر و ژنراتور جلوگیری شود.

چنج آورهای مستقل را می توان با مدارهای سفارشی و بر اساس رله های کنترل ولتاژ یا کنترل فاز طراحی کرد. چنج آورهای مستقل می توانند عمل جابجایی را بین چند منبع انجام دهند. منابع اصلی و اضطراری می تواند ترکیبی از ترانسفورماتورها و ژنراتورها باشد. جهت ارتقاء سطح عملکرد و ایمنی سیستم می توان از رله های چنج آور مستقل بهره گرفت. شرکت هایی مانند زیمنس، ایتون، لواتو و غیره از سازنده های مطرح رله های اتوماتیک ترنسفر هستند. در تصویر زیر یک رله ی شرکت Lovato با قابلیت مدیریت سه منبع را مشاهده می کنید.

در صورت وجود یک ژنراتور می توان از بردهای کنترلی با قابلیت چنج آور استفاده کرد. این بردها می توانند هنگام رخ دادن خطا به صورت اتوماتیک موتور را روشن کرده و بار یا Load را روی آن قرار دهند. برگشت بار به منبع اصلی مانند برق شهر توسط همین برد و پس از نرمال شدن شبکه انجام خواهد شد. سیستم های چنج آور به شکل استندبای می توانند با کنتاکتور، کلید موتور دار، کلید اتوترانسفر یا بریکر موتور دار طراحی شوند. در این مدل ها تنها کلید چنج آور اتوترانسفر به مدار فرمان نیاز نداشته و می تواند به صورت مستقل عمل کند. در صورت استفاده از بریکر یا کنتاکتور می توان برگشت بار از ژنراتور به منبع اصلی را بدون خاموشی انجام داد. برای این کار به ادوات خاصی مانند بردهای دیزل ژنراتور با قابلیت پارالل نیاز است.

ژنراتور پارالل

به منظور کار ژنراتور به صورت پارالل با شبکه، نیاز به اخذ مجوزهای لازم از شرکت توزیع است. شرکت توزیع مشخص کننده‌ی شرایط کار پارالل و تجهیزات الزامی در این خصوص خواهد بود. به منظور ارائه‌ی طرح و اخذ مجوزها نیاز به ارائه‌ی اطلاعات ژنراتور یا ژنراتورهای نصب شده در تاسیسات است. اطلاعات اصلی ژنراتورها در این خصوص عبارتند از:

• میزان جریان اتصال کوتاه تزریقی توسط ژنراتور هنگام رخ دادن خطا در شبکه برق
• حداکثر توان اکتیو مورد نظر جهت تزریق به شبکه
• روش یا سیستم کنترل ولتاژ
• توانایی ژنراتور جهت کنترل ضریب توان تاسیسات

مشخصات سیستم قطع اضطراری در ژنراتورهای سنکرون

در ژنراتورهای پارالل یا سنکرون سیستم قطع سریع هنگام رخ دادن خطا در شبکه توزیع الزامی است. سیستم قطع اضطراری توسط حفاظت اختصاصی با مشخصات تعیین شده توسط شرکت توزیع انجام می‌شود. حفاظت قطع اضطراری بر اساس یک یا چند معیار زیر انجام می‌شود:

• کاهش یا اضافه ولتاژ
• کاهش یا اضافه فرکانس
• اضافه ولتاژ توالی منفی

سیستم قطع اضطراری بالافاصله بعد از تشخیص قطع برق شهر باید فرمان قطع را به بریکر اصلی صادر کند. این کار باعث می‌شود تا ژنراتور ضمن جدا شدن از شبکه‌ی MV بتواند بارهای موجود در تاسیسات را تغذیه کند. در صورت کافی نبودن توان ژنراتور برای تامین تمام بار داخلی باید از سیستم load shedding یا ریزش بار استفاده شود. در نظر داشته باشید که سیستم load shedding باید همزمان با قطع بریکر اصلی عمل کند. سیستم کاهش بار یا لود شدینگ باعث قطع بارهای اضافی شده و ژنراتور می تواند بارهای حساس موجود در تاسیسات را تغذیه کند. مولدهای پراکنده یا DG ها نمی توانند بدون وصل بودن منبع تغذیه وارد مدار شده و یا بخشی از شبکه ی توزیع عمومی را برقدار کنند.

حالت های کاری ژنراتور

ژنراتورها با قابلیت پارالل می‌توانند به صورت جزیره‌ای یا متصل به شبکه کار کنند. حالت جزیره‌ای به شرایطی گفته می‌شود که بریکر اصلی یا برق شهر قطع باشد. در حالت جزیره‌ای، تنظیم سطح ولتاژ و فرکانس پست اصلی بر عهده‌ی سیستم کنترلی ژنراتور است. در این حالت کنترل سیستم به شکل V/F یا Voltage/Frequency Mode خواهد بود. هنگام پارالل شدن ژنراتورها با شبکه‌ی MV، کنترل ولتاژ و فرکانس برعهده‌ی شبکه است. در این حالت مدل کنترلی V/F باید به P/Q سوئیچ شود. حالت P/Q کنترل کننده ی توان اکتیو و راکتیو مبادله شده با شبکه‌ی اصلی است.

در تصویر زیر دو ژنراتور با قابلیت کار پارالل را مشاهده می کنید. این دو ژنراتور ابتدا یا یکدیگر سنکرون شده و در ادامه می توانند دو حالت کاری مختلف داشته باشند. حالت اول مربوط به تامین بار مجموعه با قطع بودن بریکر برق شهر است. این روش به شکل Voltage/Frequency Mode بوده و ثابت نگه داشتن ولتاژ و فرکانس بر عهده ی سیستم کنترلی مانند برد دیپ سی خواهد بود. در حالت ولتاژ/فرکانس تمام توان مورد نیاز بار به صورت اکتیو و راکتیو توسط ژنراتورها تامین خواهد شد. در حالت V/F یک سیستم داخلی P/Q نیز وجود دارد. این سیستم توان اکتیو و راکتیو بار را بین ژنراتورها تقسیم می کند. در تصویر این قسمت از بخش کنترلی با Sharing P و Sharing Q نمایش داده شده است.

با بسته شدن بریکر برق شهر حالت کاری به شکل P/Q تغییر می کند. در این حالت شبکه ی اصلی تعیین کننده ی ولتاژ و فرکانس سیستم خواهد بود. اتصال ژنراتور به شبکه ی برق می تواند باعث افزایش ولتاژ شود. قرار دادن مولدهای تولید پراکنده در انتهای خطوط طولانی یکی از روش های افزایش کیفیت ولتاژ است. در حالت P/Q می توان مقدار دقیق توان اکتیو و راکتیو تزریقی به شبکه را تعیین کرد. این پارامترها در بردهای کنترلی تنظیم شده و با دقت مناسبی اعمال می شوند. در مدل P/Q با منبع اصلی یک بخش داخلی نیز وجود دارد که توان اکتیو و راکتیو را بین ژنراتورها تقسیم می کند. در بسیاری از تاسیسات روش کنترل ژنراتورهای پارالل به این شکل است:

• مقدار توان اکتیو و راکتیو تزریق شده به شبکه توسط اپراتور تنظیم می‌شود.
• تنظیمات ممکن است توسط شرکت‌های توزیع ارائه شود.
• سیستم کنترلی در این حالت سعی می‌کند مقادیر تعیین شده را به شبکه تزریق کند.
• در این حالت سرعت ژنراتور تعیین کننده‌ی توان اکتیو تزریقی به شبکه است.
• در حالت پارالل میزان جریان تحریک تعیین کننده‌ی میزان توان راکتیو تزریقی خواهد بود.
• در حالت پارالل سیستم تقسیم میزان توان اکتیو و راکتیو بین ژنراتورها نیز فعال می‌باشد.

یکی از مزایای بردهای پیشرفته توانایی کار موازی یا سنکرون است. در این روش می توان ژنراتور را با منبع اول موازی کرده و بخشی از توان مورد نیاز را تامین کرد. مدل کار می موازی می تواند جهت کاهش با اکتیو، راکتیو و یا هردو استفاده شود. در این ویدئو که برگرفته از دوره جامع تاسیسات فشار متوسط است با روش کار سنکرون آشنا می شویم.

روش‌های استفاده از کنترل توان اکتیو و راکتیو

از ژنراتورهای سنکرون یا پارالل می توان به شکل های مخلتفی استفاده کرد. در ژنراتورهای دائم کار یکی از سه روش زیر قابل انتخاب است:

• توان اکتیو دریافتی از شبکه‌ی به مقداری محدود می‌شود که ژنراتورها امکان تامین آن‌ها را ندارند. این روش هنگامی انجام می‌شود که متقاضی نیاز به مصرف بیشتر از دیماند خریداری شده دارد.
• توان اکتیو دریافتی از شبکه ی MV صفر می‌شود. این حالت هنگامی استفاده می‌شود که ژنراتورها توانایی تامین تمام برق متقاضی را داشته باشند.
• ضریب توان تاسیسات به مقدار مشخص شده در قرارداد با شرکت توزیع محدود می شود. با عبور توان راکتیو از میزان مجاز تولیدی ژنراتورها، از سیستم‌های کمکی استفاده می‌شود. یکی از پرکاربردترین سیستم‌ها در این روش بانک‌های خازن است.