موازی کردن دیزل ژنراتور‌های متفاوت – بخش سوم

هارمونیک‌های شکل موج ولتاژ

شکل موج ولتاژ ایجاد شده توسط ژنراتوز زمانی که به در حالت بی باری و یا تغذیه بار خطی ایجاد می‌شود را می‌توان بر اساس فرکانس اصلی و اندازه‌ی ولتاژ فرکانس اصلی و اندازه‌ی هارمونک‌های ولتاژ و فرکانس‌های مربوط به هارمونیک‌ها تشریح کرد. این تشریح مهم است، زیرا تمام ژنراتور‌ها دارای مقداری انحراف و در نتیجه هارمونک هستند و حتی زمانی که این انحرافات ولتاژی از حالت سینوسی نسبت به زمانی که بار غیر خطی تغذیه می‌کنند خیلی کم باشند ممکن است دردسر ساز باشند مخصوصا در حالت کارکرد موازی

شکل ۱- شکل موج هارمونیکی




در شکل ۲، که یک ماشین با ۴ قطب و ۴۸ شیار را نمایش می‌دهد، به ازای هر قطب ۱۲ شیار وجود دارد و، چون کلاف سیم پیچ ۱۰ شیار را در بر می‌گیرد، نسبت ضریب شیار به سیم‌پیچ (ضریب سیم پیج) ۱۲/۱۰ است و یا ۶/۵. در قسمت پایین شکل ۲ یک سیم‌پیچ می­بینیم که ۸ شیار را در بر می‌گیرد، در نتیجه با ۱۲ شیار در برگرفته توسط قطب، ضریب سیم‌پیچ ماشین ۳/۲ خواهد بود. ضریب سیم‌پیچ یک ژنراتور یک پارامتر طراحی است که به وسیله‌ی آن می‌توان شکل موج ولتاژ و هزینه ساخت آن را کمتر کرد، زیرا ضریب سیم پیچ کوچکتر از حد از استاتور به صورت بهینه استفاده نمی‌کند و نیاز است سیم بیشتری استفاده کنیم تا توان مورد دلخواه را ایجاد کنیم. برا مثال، یک ژنراتور می‌تواند با ضریب سیم پیچ ۳/۲ ساخته شود، که باعث حذف هارمونیک سوم، ولی مقداری هارمنونیک ۵ و ۷ را افزایش می‌دهد. طراح ژنراتور می‌تواند یک ضریب سیم پیچ دیگر انتخاب کند، که باعث افزایش هارمونیک ۳ شود، ولی هارمونیک ۵ و ۷ را کاهش دهد و مقداری ظرفیت توانی ماشین نیز افزایش پیدا کند. برای مثال، یک ضریب سیم پیچ ۶/۵ که در شکل نشان داده شده است دارای هارمونیک کمتر ۵ و ۷ است، اما هارمونیک ۳ آن خیلی بیشتر است. در کل، هارمونیک‌های فرد بیشتر باعث نگرانی در سیستم می‌شوند، زیرا آن‌ها بیشترین تاثیر را در بار دارند و باعث گرمای زیاد در تامین کننده‌های توان و سیستم توضیع می‌شوند. هارمنیک‌های ضریب ۳ وضرایب آن مشکل ساز هستند، زیرا آن‌ها مستقما در نول جریان جریان پیدا می‌کنند، و باعث جاری شدن جریان بزرگی در نول ژنراتور‌های سنکرون می‌شوند. آن‌ها همچنین می‌توانن از ترانسفورمر‌ها انتقال پیدا کرده و در سیستم مشکل ایجاد کنند. هارمونیک‌های ضریب ۵ باعث نگرانی هستند، زیرا آن‌ها جریان‌های مولفه‌ی منفی هستند، و باعث ایجاد گرما و تلفات در ماشین‌های گردان می‌شوند. با یک طراحی مناسب با ضریب سیم پیچ ۳/۲، هارمونیک سوم و پنجم را می‌توان تا حد مناسبی همانند ماشین‌های با ضریب سیم‌پیچ بالاتر کم کرد، که تنها مزیت ماشین‌ها با ضریب سیم پیچ کوچکتر هزینه‌ی ساخت کمتر آن‌ها خواهد بود. برای کاربرد‌های موازی، بهترین انتخاب ماشین‌هایی با ضریب سیم‌پیچ ۳/۲ می‌باشد. به این دلیل که هارمونیک‌های ضریب ۳ تولید نخواهد شد، انطباق آن‌ها برای کارکرد موازی با شبکه و یا ژنراتور‌های ضریب سیم پیچ ۳/۲ بیمه خواهد شد به علت این که دیگر جریان نول وجود نخواهد داشت و هارمونیک‌های بالاتر امپدانس بزرگتری در فرکانس‌های بالاتر خواهند دید و از دید مشکل در جریان نول اهمیت کمتری پیدا می‌کنند. طراح سیستم باید ماشینی انتخاب کند که هم هارمونیک ۳ نداشته باشد و هم کمترین هارمونیک‌های ضریب ۵ و ۷ کمتری داشته باشند. یک استاندارد مناسب بار انتخاب ژنراتور از رنج ۱۰۰ کیلووات تا ۴ مگاوات این است که ماشین نباید اعوجاج هارمونیکی بیشتر از ۵ درصد (اندازه گیری شده در ولتاژ خط و خط به فاز) در هر باری از بی باری تا بار کامل داشته باشد؛ و همچنین در حالت تکفاز باید کمتر از ۳ درصد باشد

جاری شدن جریان در نول به علت تفاوت در ژنراتور‌ها

زمانی که ژنراتور‌ها موازی شده اند، ولتاژ ماشین‌ها سعی می‌کنند در مقدار یکسانی ست شوند. اختلاف در ولتاژ، جدا از فرکانس‌شان، باعث جاری شدن جریان از ماشین با ولتاژ بزرگتر به ماشین با ولتاژ کوچکتر می‌شود. تصویر ۳ این رخداد را نمایش می‌دهد. در این تصویر، شکل موج دو ولتاژ (آبی و قرمز) روی یکدیگر رسم شده‌اند.

ولتاژ قبل و بعد از موازی شدن

در نظر بگیرید که شاید مقدار (RMS) این ولتاژ‌ها برابر باشد، ولی در نقاطی شکل موج آبی از قرمز بزرگتر است و برعکس. زمانی که ماشین‌ها با یکدیگر روی یک باس مشترک متصل شده اند، اختلاف بین ولتاژ‌ها باعث جاری شدن جریان بین ماشین‌ها می‌شود، که با منحنی سبز نمایش داده شده است. در نظر بگیرید که در این مثال ساده جریان نشان داده شده برای درک بهتر موضوع اغراق شده است و همچنین، چون به این دلیل که منحنی آبی و قرمز ۳ بار از روی یکدیگر در هر نیم رد شده‌اند، جریان نمایش داده شده هارمونیک ۳ است. در نتیجه، در هر نقطه‌ای روی سیکل قبل از سنکرون شدن اختلاف ولتاژ وجود داشته باشد این اختلاف ولتاژ باعث جاری شدن جریان بین آن‌ها بعد از سنکرون شدن می‌شود. به این در واقع جریان گردشی نول می‌گویند، و زمانی وجود دارد که یک مسیر در نول سیستم برای جاری شدن جریان وجود داسته باشد.

مسیر عبور جریان در یک سیستم ۴ سیم

به راحتی می‌توان تاثیر عدم انطباق را به وسیله‌ی دستگاه‌های اندازه گیری مشاهده کرد، و معمولا با دستگاه‌های اندازه گیری مرسوم AC قابل مشاهده است. این جریان‌ها در زمان بی‌باری مشهود‌تر هستند. اگر جریان نول دارای فرکانس بالاتر از ۵۰ هرتز (مخصوصا ۱۵۰ هرتز در سیستم ۵۰ هرتز و ۱۸۰ هرتز در سیستم ۶۰ هرتز) با بی‌باری و یا بار خطی وصل شده به سیستم، تفاوت‌های طراحی ژنراتور‌ها مشهود خواهد شد. عبور جریان ۵۰ یا ۶۰ هرتز به علت عدم تنظیم دقیق ولتاژ و یا تقسیم بار راکتیو ژنراتور‌ها می‌باشد. به این اصطلاحا شرایط جریان ضربدری (Cross-current) می‌گویند. جریان گردشی ایجاد شده به خاطر تفاوت داشتن ضریب سیم پیچی با دستکاری جبران کننده‌ی جریان ضربدری و یا تجهیزات دیگر از بین نمی‌ٔ‌رود. جریان ایجاد شده به علت متفاوت بودن شکل موج ولتاژ ژنراتور‌ها در سیستم اجتناب ناپذیر است. بسته به اندازه‌ی جریان هارمونیکی، توان ژنراتور‌ها در سیستم و تاثیر پذیری مخرب رله‌های حفاظتی نسبت به جریان‌های هارمونیکی، این جریان‌ها ممکن است به ژنراتور‌ها آسیب رسان باشد و یا نباشد، به دلیل این‌که هارمونیک‌های شکل موج ژنراتور با بار تغییر می‌کند، تاثیر منفی استفاده از ژنراتور‌های متفاوت ممکن است در بار خاصی مشهود‌تر باشد، اما مهمترین نگرانی اندازه جریان در بار نامی می‌باشد، زیرا این بار است که ژنراتور بیشترین دمای کار را دارد و نسبت به خطا و یا افزایش دما شدیدا حساس‌تر می‌شود. یک طراح می‌تواند فرض‌ها را ساده‌تر کند تا مشکل به یک سطح قابل مدیریت برسد. به این دلیل که هارمونیک‌های بالاتر از ۳ در ضریب سیم پیچ ۳/۲ در حدی نیستند که آسیب رسان باشند، طراح معمولا می‌تواند فقط هارمونیک‌های ضریب ۳ ولتاژ را در نظر بگیرد. آن‌ها کاملا با استفاده از ضریب سیم پیچی ۳/۲ حذف می‌شوند. برای موازی کردن ژنراتور‌ها نباید ژنراتور حتما ۳/۲ باشد و ضریب‌های دیگر نیز می‌توان (موازی با ژنراتور ضریب سیم پیچ ۳/۲) استفاده کرد، ولی استفاده‌ی آن‌ها ممکن است قابلیت انعطاف سیستم را کاهش دهد و یا باعث شود که جریان نول در سیستم‌های دیگر را محدود کرد.

جبران کردن مشکلات ایجاد شده به علت استفاده از ژنراتور‌های متفاوت

زمانی که نیاز است تا ژنراتور‌های نا همانند و متفاوت را موازی کرد، یک طراح دارای چندین گزینه است تا مشکل ایجاد شده به دلیل عدم تطابق ژنراتور‌ها را کمتر و یا از بین ببرد. بر اساس هارمونیک‌های ولتاژی تولید شده به وسیله‌ی ژنراتور‌ها در سیستم موجود، مخصوصا اگر ژنراتور‌ها درای اختلاف سایز زیادی هستند راهکار‌های متفاوتی وجود دارد.

اگر ممکن است، سعی کنید ژنراتور‌های جدید همانند تجهیزات قدیمی باشد. این ممکن است به دلیل هارمونیک‌های تولید شده توسط ژنراتور‌های موجود در سیستم عملی نباشد، مخصوصا اگر ماشین‌ها دارای اختلاف توانی زیادی باشند. به غیر از ماشین‌های ضریب سیم پینچ ۳/۲، فقط این که ژنراتور‌ها هم سایز باشند مشکل حل نمی‌شود، زیرا ممکن است اختلاف در هارمونیک‌های ضریب ۳ باعث جریان زیادی در نول شوند. جایی که عملی است این ممکن است بهترین راه حل باشد. ممکن است این روش خیلی هزینه بر به نظر برسد، ولی در یک دیزل ژنراتور ممکن است هزینه‌ی تعویض ژنراتور فقط ۱۰ درصد قیمت کل دیزل ژنراتور باشد و ممکن است ژنراتور عمر کارکرد بالایی داشته باشد به غیر از استفاده در حالت استندبای که در زمان قطعی برق شبکه در مدار بوده است. اگر ژنراتور دارای عمر بالای ۲۵ سال است این بهتر است که در سیستمی که در حال ارتقا برای پارالل شدن است ژنراتور تعویض گردد.

سیستم بدون مسیر جریان نول و مسیر جریان نول

از یک سیستم توزیع ۳ سیم استفاده کنید. با حذف کردن اتصال زمین بین ژنراتور‌ها و باس و لودها، طراح می‌تواند اجازه دهد جریان‌های ناشی از اختلاف ولتاژی بین ژنراتور‌ها در سیستم بچرخد. در نتیجه مهمترین علت ایجاد کننده مشکل هارمونیک را می‌توان با حذف مسیر عبور مزاحم‌ترین جریان کم‌تر کرد. (جریان هارمونیک هنوز باعث گرم‌تر شدن ماشین‌های سیستم می‌شود، اما اختلال و تاثیر منفی جریان در سیستم نول حذف می‌گردد.) در این سیستم‌ها، بار‌هایی که نیاز به نول دراند باید از ترانس ستاره مثلت استفاده کنند تا نول را ایجاد کنند. طراح باید نول در این سیستم را به درستی ایجاد کند و نصب آن را کنترل کند، زیرا یک اتصال اشتباه نول به زمین باعث ایجاد جریان نول در سیم زمین (ارت) سیستم می‌شود، که امکان خطر برق گرفتگی و یا آتش سوزی به علت گرما به وجود می‌آید. از ترانس‌های پایین دست می‌توان برای فراهم اوردن سیستم ۴ سیسم جهت در سرویس قرار دادن بار که نیاز به سیستم ۴ سیم دارند استفاده کرد.

فقط نول ماشین‌هایی که دارای ضریب سیم پیچ همسان هستند را وصل کنید. در نظر بگیرید سیستم‌های ولتاژ خطی (آن‌هایی که زیر ۱۰۰۰VAC هستند) معمولا نیاز به اتصال نول به زمین دراند. در یک کاربرد موازی محل ایده‌آل اتصال زمین در کلید خانه است، در نتیجه فقط یک اتصال نول برای سیستم وجود دارد. باید راجع به اندازه بار‌هایی که نیاز به اتصال نول دارند و آن‌هایی که به نول نیاز ندارند توجه کرد. بار‌های سیستم به صورت طبیعی تقسیم می‌گردد تا زمانی که مقدار مناسبی از ظرفیت خط به زمین در سیستم وجود داشته باشد.

تصویر ۶- کنتاکتور نول

کنتاکتور‌های نول روی لینک بین ژنراتور‌ها و نول کلید خانه اضافه کنید تا فقط زمانی که اولین ژنراتور روی باس وصل می‌شود نول وصل گردد. این تاثیری همانند پیشنهاد قبلی دارد، ولی اجازه می‌دهد هر ماشینی بتواند به عنوان ژنراتور اول روی باس متصل گردد. در این طراحی این خیلی مهم است که خطا و عیب‌های کنتاکتور‌ها در نظر گرفته شود. در صورت خطا در وصل و یا قطع کنتاکتور نول، باید هشدار در سیستم وجود داشته باشد. باید از کنتاکتور‌های که وضعیت اتصال را نمایش می‌دهند استفاده کرد تا وضعیت کنتاکتور نول مشخص باشد.

از راکتور در شاخه‌ی نول هر ژنراتور استفاده کنید تا جریان هارمونیکی ضریب ۳ و یا بالا‌تر را محدود کنید. راکتور‌ها را می‌توان برای یک فرکانس خاص که بیشترین مشکل را ایجاد می‌کند تنظیم کرد، اما آن‌ها معمولا برای فرکانس‌های ۱۵۰/۱۸۰ طراحی می‌شوند، از آنجایی که این هارمونیک بیشترین مشکل را ایجاد می‌کند. بزرگترین معایب راکتور‌ها هزینه‌ی آن‌ها است، و تهیه و نصب آن‌ها ممکن است مشکل ساز باشد به این علت که ممکن است نیاز به تغییر سیستم زمین شود.

جبران عدم انطباق به وسیله‌ی بزرگتر کردن سیم نول و افزایش سایز ژنراتور

ضریب دی‌ریتینگ برای ژنراتور‌ها با در نظر گرفتن جریان هارمونیکی نول

در یک سیستم۴ سیم که از ژنراتور‌های متفاوت استفاده می‌کند، جریان نول ژنراتور باید محاسبه گردد تا تایید شود که ژنراتور در حالت موازی باعث اختلال در کارکرد سیستم و یا آسیب رساندن به ژنراتور نمی‌شود. اگر در سیستم مشکلات مرتبط دیگری وجود نداشت ممکن است طراح اجازه دهد جریان نول جاری باشد و آن را با دیریتنگ ژنراتور جبران کند. ضریب دی‌ریتینگ را می‌توان از فرمول زیر محاسبه کرد:

که IR جریان خروجی ژنراتور د بار کامل و ضریب توان تعیین شده می‌بشد IN جریان سیم نول در بار کامل متعادل و موزای می‌باشد KVAgen توان ژنراتور در بیشترین دمای مجاز (Temperature Rise) می‌باشد. د نظر داشته باشید که ژنراتور خودش مقداری هارمونیک تولید می‌کند، و بار‌ها ممکن است باعث اعوجاج ولتاژی به وسیله‌ی دریافت جریان غیر خطی از ژنراتور شوند. همانطور که قبلا گفته شد، بار‌ها ممکن است روی کیفیت ولتاژ ژنراتور تاثیر گذار باشند؛ و ممکن است این مشکل در سیستم وجود داشته باشد (مخصوصا دیتا سنتر‌ها و یا بیمارستان‌ها که از تجهیزات الکترونیک استفاده می‌کنند ممکن است بار آن‌ها دراری هارمونیک زیادی باشد ویا کوره‌های القایی و دستگاه‌های جوش نقطه‌ای) تنها راه جبران این مشکل فقط افزایش سایز ژنراتور می‌باشد. با تجهیزات جدید اگر بار هارمونیکی روی سیستم حدودا باعث اعوجاج هارمونیکی (THD) ۱۰ الی ۱۵ درصدی بر روی ولتاژ شوند مشکلی ایجاد نمی‌کنند.

نتیجه

ژنراتور‌ها تطبیق پذیر هستند در صورتی که ولتاژ آن‌ها همانند و تطبیق پذیر باشند. برای بیمه کردن انطباق بین جریان و ژنراتور‌هایی که در آینده در سیستم ممکن است اضافه شود، همیشه از ژنراتور‌هایی که دارای ضریب سیم پیچ ۳/۲ هستند برای کاربرد‌های ولتاژ خطی استفاده کنید. اگر نیاز بود که ژنراتور‌های نا‌همانند را سنکرون و موازی کنید، که تعدادی از آن‌ها دارای ضریب سیم پیچی ۳/۲ نیستند، بهترین روش تعویض ژنراتور‌های نا همانند با یک ژنراتور تطبیق پذیر است و در نتیجه همه‌ی ماشین‌ها دارای ضریب سیم‌پیچ ۳/۲ خواهند بود.

 منبع: ماه صنعت