چگونه یک اینورتر بدون اتصال به شبکه را با یک ژنراتور دیزلی پشتیبان برای تأمین بی‌وقفه انرژی صنعتی همگام‌سازی کنیم؟

مقدمه‌ای بر ریزشبکه‌های صنعتی بدون اتصال به شبکه

تسهیلات صنعتی و B2B که در محیط‌های بدون اتصال به شبکه فعالیت می‌کنند، نیازمند سیستم‌های برقی بسیار قابل اعتماد هستند. اتکا صرف به آرایه‌های فتوولتائیک خورشیدی (PV) و ذخیره‌سازی باتری می‌تواند در دوره‌های طولانی کمبود تابش خورشید یا هنگام راه‌اندازی اولیه ماشین‌آلات سنگین با گشتاور بالا، خطراتی را ایجاد کند. برای رفع این نقاط ضعف، معمولاً ژنراتورهای دیزلی پشتیبان در ریزشبکه‌های بدون اتصال به شبکه ادغام می‌شوند. با این حال، ترکیب یک مبدل توان ایستا مانند اینورتر بدون اتصال به شبکه با یک ژنراتور مکانیکی چرخان، چالش‌های فنی منحصر به فردی ایجاد می‌کند.

این مقاله فنی QA به بررسی اصول فیزیک و راهبردهای مهندسی لازم برای همگام‌سازی موفق یک اینورتر بدون اتصال به شبکه JYINS با یک ژنراتور دیزلی پشتیبان می‌پردازد تا انتقال بی‌وقفه انرژی تضمین شده و از خرابی‌های سیستم جلوگیری گردد.

سوال: چگونه یک اینورتر بدون اتصال به شبکه را با یک ژنراتور دیزلی پشتیبان برای تأمین بی‌وقفه انرژی در صنایع همگام‌سازی کنیم؟

برای دستیابی به همگام‌سازی قابل اعتماد و بی‌وقفه بین یک اینورتر بدون اتصال به شبکه و یک ژنراتور دیزلی پشتیبان، مهندسان باید یک سیستم هماهنگی چندلایه را پیاده‌سازی کنند. این سیستم شامل همگام‌سازی فعال فاز، تطبیق پنجره ولتاژ، اتوماسیون تماس خشک و محدودیت‌های هوشمند جریان شارژ باتری است. در ادامه، تحلیل دقیق چالش‌های فنی، مکانیزم‌های همگام‌سازی و راهنمای تنظیمات گام‌به‌گام ارائه شده است.

چالش‌های فنی ادغام دو منبع انرژی

ادغام یک اینورتر استاتیک با یک ژنراتور محرک با موتور به سادگی اتصال خروجی‌های آن‌ها به یکدیگر نیست. سه مانع اصلی فیزیکی و الکتریکی وجود دارد که باید برطرف شوند:

• تفاوت فاز و فرکانس: هنگامی که ژنراتور دیزلی روشن می‌شود، آلترناتور آن با سرعتی متناسب با سیستم تزریق مکانیکی سوخت موتور می‌چرخد. این سرعت فرکانس خروجی (مانند ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز) را تعیین می‌کند. اینورتر نیز موج سینوسی مرجع AC خود را تولید می‌کند. اگر این دو منبع در حالت عدم هم‌فازی به یکدیگر متصل شوند، جریان اتصال کوتاه عظیمی بین آن‌ها جریان پیدا می‌کند که منجر به از بین رفتن ترانزیستورهای MOSFET خروجی اینورتر و احتمالاً آسیب‌رساندن به سیم‌پیچ‌های ژنراتور می‌شود.
• جریان برق معکوس و موتورشدن ژنراتور: اینورترهای استاتیک برای تغذیه بارها طراحی شده‌اند. اگر بانک باتری کاملاً شارژ شده باشد و تولید انرژی خورشیدی بالا باشد، اینورتر ممکن است سعی در صادرات توان داشته باشد. در صورت اتصال به ژنراتور، این توان به آرمیچر ژنراتور بازگردانده می‌شود و باعث می‌شود ژنراتور به‌عنوان یک موتور سنکرون عمل کند. این امر می‌تواند منجر به آسیب مکانیکی به موتور یا فعال‌شدن هشدارهای فراگیری بیش از حد فرکانس ژنراتور شود.
• پاسخ گامی ولتاژ و تأخیر گاورنر: ژنراتورهای دیزلی دارای گاورنرهای مکانیکی هستند که میزان تزریق سوخت را در پاسخ به تغییرات بار تنظیم می‌کنند. هنگامی که بار سنگینی از اینورتر به ژنراتور منتقل می‌شود، سرعت موتور ژنراتور (و در نتیجه فرکانس و ولتاژ خروجی آن) به‌طور موقت کاهش یافته و سپس به حالت عادی بازمی‌گردد. نرم‌افزار ردیابی فاز اینورتر باید این نوسانات گذرا را بدون قطع بار یا جدا شدن از شبکه مدیریت کند.

حلقه‌های قفل‌شده فاز و همگام‌سازی فعال

برای پل‌زدن ایمن بین دو منبع، اینورترهای با عملکرد بالا مانند سری صنعتی JYINS از الگوریتم حلقه قفل‌شده فاز (PLL) در نرم‌افزار کنترل خود استفاده می‌کنند.

هنگامی که ژنراتور دیزلی در حال کار است و خروجی آن در ترمینال‌های ورودی AC اینورتر تشخیص داده می‌شود، اینورتر بلافاصله رله دور شونده را بسته نمی‌کند. بلکه الگوریتم PLL به‌صورت فعال فاز ولتاژ ژنراتور را ردیابی می‌کند.

پردازنده داخلی اینورتر نقاط عبور صفر ولتاژ AC ژنراتور را اندازه‌گیری می‌کند. سپس زاویه فاز و فرکانس خروجی AC خود اینورتر را به‌صورت پویا برای تطبیق با ژنراتور تنظیم می‌کند. این فرآیند «تطبیق فاز» نامیده می‌شود.

زمانی که اختلاف زاویه‌ی فاز بین اینورتر و ژنراتور به صفر درجه نزدیک می‌شود و ولتاژ و فرکانس در محدوده‌ی تolerances تنظیم‌شده قرار دارند، اینورتر رله‌ی انتقال داخلی خود را می‌بندد. از آنجا که دو موج سینوسی کاملاً هم‌فاز هستند، این انتقال بدون هیچگونه قطعی ولتاژ، جهش فاز یا پرش جریان انجام می‌شود. این امر تضمین می‌کند که کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، رایانه‌های صنعتی و ابزارهای آزمایشگاهی بدون نیاز به راه‌اندازی مجدد ادامه‌ی کار می‌کنند.

اتوماسیون کنترل: سیم‌کشی تماس خشک و AGS

برای عملکرد بی‌وقفه، روشن و خاموش شدن خودکار ژنراتور بر اساس وضعیت سیستم ذخیره‌سازی انرژی ضروری است. این کار توسط قابلیت «روشن‌کننده‌ی خودکار ژنراتور» (AGS) انجام می‌شود.

اکثر اینورترهای خارج از شبکه‌ی JYINS دارای یک رله‌ی تماس خشک داخلی هستند. این رله به‌عنوان یک کلید هوشمند عمل کرده و به ترمینال‌های روشن‌کننده‌ی دور از کنترل‌کننده‌ی دیجیتال ژنراتور دیزلی (مانند کنترل‌کننده‌های Deep Sea یا ComAp) متصل می‌شود.

• فعال‌سازی ولتاژ پایین یا سطح پایین شارژ باتری (SoC): هنگامی که ولتاژ بانک باتری به زیر آستانه از پیش تعیین‌شده (برای مثال ۴۶ ولت برای سیستم اسمی ۴۸ ولت) یا سطح شارژ باتری (SoC) به زیر ۲۰ درصد برسد، اینورتر تماس خشک AGS را قطع می‌کند. این عمل سیگنال روشن‌کردن (Run) را به کنترل‌کننده ژنراتور ارسال می‌کند.
• تأخیر گرم‌کردن: کنترل‌کننده ژنراتور فرآیند راه‌اندازی موتور را آغاز می‌کند، اجازه می‌دهد موتور دیزل بچرخد و آن را برای مدت زمان از پیش تعیین‌شده‌ای (معمولاً بین ۳۰ تا ۶۰ ثانیه) کار می‌کند تا دمای موتور و فشار روغن آن پایدار شود.
• همگام‌سازی و اعمال بار: پس از اینکه ژنراتور به سرعت نامی و ولتاژ خروجی خود برسد، اینورتر JYINS ورودی AC را تشخیص داده، فاز خود را با استفاده از حلقه قفل فاز (PLL) همگام‌سازی می‌کند و سپس بار را از اینورتر به ژنراتور منتقل می‌کند.
• خنک‌سازی و خاموش‌سازی: زمانی که سیستم فتوولتائیک خورشیدی باتری‌ها را تا سطح ایمنی (برای مثال ۹۰٪ ظرفیت شارژ یا ۵۴ ولت) شارژ مجدد کند و تقاضای بار کاهش یابد، اینورتر تماس خشک AGS را باز می‌کند. سپس کنترل‌کننده ژنراتور وارد دوره خنک‌سازی می‌شود (معمولاً ۲ تا ۳ دقیقه کار بدون بار) و سپس موتور را به‌طور کامل متوقف می‌کند. این امر عمر موتور را افزایش داده و از ضربه حرارتی جلوگیری می‌کند.

جلوگیری از اضافه‌بار شدن ژنراتور: محدودیت‌های هوشمند جریان شارژ

یکی از شایع‌ترین علل خرابی سیستم در حین همگام‌سازی، ایست‌کردن ژنراتور است. هنگامی که اینورتر به‌صورت دور زدن به ژنراتور متصل می‌شود، اغلب دو کار را همزمان انجام می‌دهد: تأمین بارهای AC ساختمان و شارژ مجدد بانک باتری‌ها با بیشترین جریان ممکن.

اگر یک اینورتر ۵ کیلوواتی JYINS به یک ژنراتور ۶ کیلوواتی متصل شود و مصرف بار ساختمان ۴ کیلووات باشد، شارژر باتری اینورتر ممکن است تلاش کند تا ۳ کیلووات اضافی برای شارژ باتری‌ها مصرف کند. این امر منجر به درخواست ۷ کیلووات توان از ژنراتوری با ظرفیت ۶ کیلووات می‌شود که باعث کاهش سرعت موتور، افت ولتاژ و قطع شدن کلید مدار محافظ ژنراتور می‌گردد.

برای رفع این مشکل، اینورترهای JYINS امکان تنظیم دو پارامتر حیاتی را برای مهندسان فراهم می‌کنند:

• حداکثر جریان ورودی AC: این تنظیم به اینورتر می‌گوید که حداکثر جریان کلی که مجاز به دریافت از ژنراتور است چقدر است. اگر ظرفیت اسمی ژنراتور ۲۵ آمپر باشد، می‌توان اینورتر را طوری تنظیم کرد که مصرف جریان AC خود را تا ۲۰ آمپر محدود کند (با اعمال حاشیه ایمنی ۸۰ درصدی).
• کاهش پویای توان شارژر: اگر بار AC افزایش یابد، اینورتر به‌صورت خودکار جریان شارژ باتری خود را کاهش می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که جریان کلی کشیده‌شده از ژنراتور هرگز از حد تعیین‌شده برای جریان ورودی AC تجاوز نکند. این ویژگی اولویت را به بارهای فعال می‌دهد و از ژنراتور در برابر اضافه‌بار محافظت می‌کند.

راهنمای تنظیم ابعاد و نرخ تغییر

برای عملکرد بهینه در سیستم‌های B2B، مهندسان باید این اصول تنظیم ابعاد و کالیبراسیون را رعایت کنند:

• نسبت تنظیم ابعاد: توان اسمی پیوسته ژنراتور دیزل باید حداقل ۱٫۵ تا ۲ برابر توان اسمی اینورتر خارج از شبکه باشد. برای یک سیستم اینورتر ۱۰ کیلوواتی، ژنراتوری با توان حداقل ۱۵ کیلوولت‌آمپر توصیه می‌شود. این امر حاشیه کافی‌ای برای پشتیبانی از بارهای سنگین و شارژ باتری فراهم می‌کند.
• تنظیم نرخ تغییر: نرخ تغییر سرعتی است که در آن حلقه قفل فاز (PLL) اینورتر می‌تواند فرکانس خروجی خود را تغییر دهد تا فرکانس ژنراتور را ردیابی کند. در سیستم‌هایی که از گاورنر مکانیکی ناپایدار استفاده می‌کنند، فرکانس ژنراتور ممکن است به‌سرعت تغییر کند. اگر نرخ تغییر بسیار کم تنظیم شده باشد، اینورتر در قفل کردن فازها مشکل خواهد داشت و ممکن است ورودی ژنراتور را رد کند. اگر بسیار زیاد تنظیم شود، تغییرات سریع فرکانس می‌تواند تجهیزات حساس متصل به خروجی را مختل کند. اینورترهای JYINS امکان تنظیم دقیق سرعت ردیابی PLL را برای تطبیق با ویژگی‌های خاص هر ژنراتور فراهم می‌کنند.
• پنجره‌های تحمل ولتاژ و فرکانس: پنجره ولتاژ ورودی AC اینورتر را روی «حالت ژنراتور» تنظیم کنید. این کار محدوده ولتاژ قابل قبول (برای مثال، ۱۸۰ ولت تا ۲۷۰ ولت) و محدوده فرکانس (برای مثال، ۴۵ هرتز تا ۶۵ هرتز) را گسترش می‌دهد تا نوسانات موقت رگولاتور در هنگام راه‌اندازی بار سنگین موتورها را جذب کند و قطعی‌های غیرضروری را جلوگیری کند.

نتیجه‌گیری

همزمان‌سازی یک اینورتر آف‌گرید با یک ژنراتور دیزلی پشتیبان، روشی بسیار مؤثر برای دستیابی به قابلیت اطمینانی در سطح شبکه برق در کارگاه‌های صنعتی دورافتاده، ایستگاه‌های دریایی و مراکز مخابراتی است. با استفاده از همزمان‌سازی فعال فاز PLL شرکت JYINS، تنظیم پارامترهای قوی AGS و تعیین محدودیت‌های هوشمند جریان شارژر، مهندسان می‌توانند جریان معکوس توان را جلوگیری کرده، دارایی‌های ارزشمند موتور را حفظ کنند و تأمین بی‌وقفه انرژی برای عملیات B2B حیاتی را تضمین نمایند. انتخاب نسبت‌های مناسب اندازه‌گیری و تنظیم دقیق تحمل‌های فرکانسی، گام‌های نهایی در طراحی یک راه‌حل قدرت آف‌گرید مقاوم و خودکار هستند.