איך לסנכרן מתמר מחוץ לרשת עם מولد דיזל גיבוי כדי לאפשר מעבר חלק של האספקה החשמלית בתעשייה?

מבוא לרשתות מיקרו תעשייתיות חוץ-רשת

מתקנים תעשייתיים ומסחריים (B2B) הפועלים בסביבות חוץ-רשת דורשים מערכות כוח מהימנות ביותר. התלות בלעדית במערכי פוטו-וולטאיים (PV) ובאחסון סוללות עלולה ליצור סיכונים במהלך תקופות ארוכות של קרינה נמוכה או בעת הפעלת מכונות בעומס מרבי. כדי להתמודד עם חולשות אלו, נהוג לאינטגרט מנועי דיזל לגיבוי ברשתות מיקרו חוץ-רשת. עם זאת, שילוב של ממיר כוח סטטי, כגון ממיר חוץ-רשת, עם מנוע מכני מסתובב יוצר אתגרים טכנולוגיים ייחודיים.

מאמר בדיקת איכות טכנית זה חוקר את הפיזיקה והאстрטגיות ההנדסיות הדרושות כדי לסנכרן בהצלחה מומר חיצוני של JYINS עם יצרן דיזל לגיבוי, תוך הבטחת מעבר חשמל חלק והימנעות מתקלות במערכת.

שאלה: כיצד לסנכרן מומר חיצוני עם יצרן דיזל לגיבוי עבור אספקת חשמל תעשייתית חלקה?

כדי להשיג סנכרון מהימן וחלק בין מומר חיצוני ליצרן דיזל לגיבוי, על מהנדסים ליישם מערכת קואורדינציה רב-שכבתית. המערכת הזו כוללת סנכרון פעיל של המופע, התאמת חלון מתח, אוטומציה באמצעות מגע יבש, וגבולות חכם לזרם הטעינה של הסוללה. להלן פירוט מפורט של האתגרים הטכניים, מנגנוני הסנכרון והנחיות תצורה צעד אחר צעד.

האתגרים הטכניים של שילוב שני מקורות כוח

הטמעת מַפְרִיךְ סטטי עם יוצר זרם נייד המופעל על ידי מנוע אינה פשוטה כמו חיבור פלטים שלהם זה לזה. קיימים שלושה מوانעים פיזיים ואלקטרוניים עיקריים שעליהם להתגבר:

• אי-התאמה בפאזה ובטווח התדרים: כאשר יוצר הזרם הדיזלי מתחיל לפעול, האלטרנטור שלו מסתובב במהירות שנקבעת על ידי מערכת ההזרקה המכנית של הדלק. מהירות זו קובעת את תדר הפלט (למשל, 50 הרץ או 60 הרץ). המַפְרִיךְ מייצר גם הוא גל סינוסי ייחודי של זרם חילופין. אם שני המקורות מחוברים בזמן שהן לא באותו פאזה, יזרום ביניהם זרם קצר עצום, אשר ישמיד את טרנזיסטורים מסוג MOSFET בפלט של המַפְרִיךְ וייתכן שיפגיעה גם בכריכות של יוצר הזרם.
• זרימה הפוכה של הספק ותפעול של המהדר כמנוע: מהדרים סטטיים מעוצבים כדי לספק הספק למשתמשים. אם בנק הסוללות טעון לחלוטין וייצור הסולארית גבוה, המהדר עלול לנסות לייצא הספק. אם מחובר למחולל, הספק הזה מוזרם חזרה לתילטן של המחולל, מה שגורם למחולל לפעול כמנוע סינכרוני. מצב זה עלול לגרום נזק מכני למנוע או להפעיל התראות של תדר עליון במחולל.
• תגובה של מתח למדרגה והשהיית המניע: למחוללים דיזל יש מנגנוני פיקוח מכניים שמכווננים את הזרמת הדלק כתגובה לשינויי עומס. כאשר עומס כבד עובר מהמהדר למחולל, מהירות המנוע של המחולל (ובהתאם לכך גם התדר והמתח של הפלט) ירדו באופן זמני לפני שחוזרים למצב יציב. תוכנת מעקב המופע של המהדר חייבת להתמודד עם השינויים הזמניים האלה מבלי לפרק את העומס או להתנתק.

לולאות נעילה של מופע וסנכרון פעיל

כדי לחבר בבטחה בין שני המקורות, מְהַפְכִּנים בעלי ביצועים גבוהים כמו סדרת ה-Industrial של JYINS משתמשים באלגוריתם 'לולאת נעילה של פאזה' (PLL) בתוכנת הבקרה שלהם.

כאשר מנוע הדיזל פועל והפלט שלו נקלט בטרמינלים לכניסת ה-AC של המהפך, המהפך לא סוגר באופן מיידי את רילאי העקיפה. במקום זאת, הלולאה המנעלת את הפאזה (PLL) עוקבת באופן פעיל אחר גל הפוטנציאל של המנוע הדיזל.

המעבד המיקרו הפנימי של המהפך מודד את נקודות החציה באפס של מתח ה-AC של המנוע הדיזל. לאחר מכן הוא מכוונן דינמית את זווית הפאזה והתדירות של הפלט של המהפך עצמו כדי להתאים אותו למקור הדיזל. תהליך זה נקרא 'יישור פאזה'.

ברגע שההפרש בזווית המופע בין הממיר למولد מתקרב לאפס מעלות, והמתח והתדר נמצאים בתוך חלונות הסיבולת שהוגדרו, הממיר סוגר את הרילאי הפנימי שלו להעברה. מכיוון ששתי גלי הסינוס מתואמים באופן מושלם, המעבר מתרחש ללא הפרת מתח, קפיצה במופע או עלייה פתאומית בזרם. בכך מובטח שהבקרים הלוגיים התוכנתים (PLC), המחשבים התעשייתיים והמכשירים מעבדתיים ימשיכו לפעול ללא הפעלה מחדש.

אוטומציה של בקרה: חיווט מגע יבש ו-AGS

הפעלה חלקה דורשת הפעלה ואישור עצמאי של המولد בהתאם לסטטוס של מערכת אגירת האנרגיה. פעולה זו מתבצעת על ידי פונקציית ההפעלה האוטומטית של המولد (AGS).

לרוב ממירי JYINS מחוץ לרשת יש רילאי מגע יבש משולב. רילאי זה פועל כמתג חכם המחובר לטרמינלים של ההפעלה המרחוקת של הבקר הדיגיטלי של המولد הדיזלי (כגון בקר Deep Sea או ComAp).

• הפעלת מתח נמוך או מצב טעינה נמוך: כאשר מתח בנק הסוללות יורד מתחת לערך המוגדר מראש (למשל, 46 וולט למערכת נומינלית של 48 וולט) או כאשר אחוז הטעינה (SoC) של הסוללה יורד מתחת ל-20%, הממיר סוגר את המגע היבש של מערכת ההפעלה האוטומטית של המנוע (AGS). פעולה זו שולחת אות הפעלה לשלטון המנוע.
• השהיה להתחממות: שלטון המנוע מפעיל את תהליך ההפעלה של המנוע, מאפשר למנוע הדיזל להסתובב, ומריץ אותו במשך זמן השהייה להתחממות המוגדר מראש (בדרך כלל 30–60 שניות) כדי לייצב את טמפרטורת המנוע ודחיסת השמן.
• התאמת תדר והעברת העומס: לאחר שהמנוע מגיע למהירות הרצויה ולמתח היציאה הנדרש, הממיר JYINS מזהה את קלט הזרם המتناوب (AC), מתאם את הפאזה שלו באמצעות מעגל סנכרון פאזה (PLL), ולאחר מכן מעביר את העומס מהממיר למקור המנוע.
• השעיה ועצירת המערכת: כאשר מערכת הפוטו-וולטאית הסולארית מטעינה מחדש את הסוללות לרמה בטוחה (למשל, 90% מהקיבולת או 54 וולט) ודרישת העומס ירדה, הממיר פותח את המגע היבש של AGS. לאחר מכן, בקר הגנרטור נכנס לתקופת התקררות (בדרך כלל 2–3 דקות של פעילות ללא עומס) לפני עצירת המנוע לחלוטין. פעולה זו שומרת על חיי המנוע ומונעת הלם תרמי.

מניעת עיכוב של הגנרטור: מגבלות חכמות של זרם הטעינה

אחת הסיבות הנפוצות ביותר לכישלון המערכת במהלך הסנכרון היא עצירת הגנרטור. כאשר הממיר עובר למצב מעבר לגנרטור, הוא לעיתים קרובות מנסה לבצע שני דברים בו זמנית: לתמוך בעומסי ה-AC של הבניין ולטעין מחדש את אגירת הסוללות בזרם מקסימלי.

אם מתחבר מתמר JYINS של 5 קילוואט למחולל של 6 קילוואט, ומבנה צורך 4 קילוואט של עומס, מדחס הסוללות של המתמר עלול לנסות למשוך 3 קילוואט נוספים כדי לטעון את הסוללות. הדבר דורש 7 קילוואט ממחולל של 6 קילוואט, מה שגורם למהירות המנוע לרדת, למתח ליפול ולמערכת ההגנה (המתג האוטומטי) של המחולל לפעול.

כדי לפתור בעיה זו, מתמרי JYINS מאפשרים למפתחים להגדיר שני פרמטרים קריטיים:

• מגבלה של זרם הכניסה מהרשת (AC Input Current Limit): הגדרה זו сообщает למתמר את הזרם הכולל המקסימלי שהוא רשאי למשוך מהמחולל. אם הזרם המרבי שהמחולל מסוגל לספק הוא 25 אמפר, ניתן לתכנן את המתמר כך שיגביל את הזרם אותו הוא מושך מהרשת ל-20 אמפר (בשימוש בשולי בטיחות של 80%).
• הפחתת דינמית של הספק המדחס: אם עוצמת העומס מהרשת עולה, המתמר יפחית באופן אוטומטי את זרם טעינת הסוללות שלו כדי להבטיח שהזרם הכולל שנמשך מהמחולל לא יעלה מערכו המוגדר במגבלה של זרם הכניסה מהרשת. פעולה זו נותנת עדיפות לעומסים פעילים תוך שמירה על המחולל מפני חומל יתר.

הנחיות לקביעת גודל ולחיזוי קצב השינוי

למיצוי הביצועים במערכות B2B, על המהנדסים לפעול לפי עקרונות קביעת הגודל והכיול הבאים:

• יחס קביעת הגודל: הדרוג הרציף הנומינלי של מנוע הדיזל צריך להיות לפחות 1.5–2 פעמים הדרוג הנומינלי של הממיר למחבר חיצוני. עבור מערכת ממיר של 10 קילוואט, מומלץ למנוע דיזל של לפחות 15 קילו-וולט-אמפר. זה מספק שדה פעולה מספיק הן לתמיכה בעומסים כבדים והן לטעינת הסוללות.
• התאמת קצב השינוי: קצב השינוי הוא המהירות שבה יכול הממיר לשנות את תדר הפלט שלו כדי לעקוב אחר תדר המנוע. במערכות עם מתנענים מכניים לא יציבים, תדר המנוע עלול לסטות במהירות. אם קצב השינוי נקבע נמוך מדי, הממיר יתקשה לסנכרן את הפאזות וייתכן שידחה את קליטת המנוע. אם הוא נקבע גבוה מדי, שינויים מהירים בתדר עלולים לפגוע בציוד רגיש המחובר בצד ההורדה. ממירי JYINS מאפשרים התאמה מדויקת של מהירות המעקב של ה-PLL כדי להתאים אותה לאיכות הספציפית של המנוע.
• חלונות סיבולת מתח ותדר: הגדרת חלון מתח הכניסה ל-AC של הממיר ל'מצב מחולל'. זה מורחב את טווח המתח המותר (למשל, 180V עד 270V) ואת טווח התדר המותר (למשל, 45 הרץ עד 65 הרץ) כדי להתאים לספיגות זמניות של המניע בעת הפעלת מנועים כבדים, ובכך למנוע ניתוקים מיותרים.

מסקנות

סנכרון של ממיר לא רשת עם מחולל דיזל לגיבוי הוא דרך מאוד יעילה להשיג אמינות ברמה של רשת חשמל באתרי תעשייה מרוחקים, בספנות ובמרכזי תקשורת. באמצעות השימוש בסנכרון פאזה פעיל מסוג PLL של JYINS, הגדרת פרמטרי AGS עמידים והגדרת מגבלות חכמות על זרם המטען, מהנדסים יכולים למנוע זרימת הספק הפוכה, להגן על נכסים יקרים של מנועים ולשפר את האספקת החשמל ללא הפרעות לפעולות B2B קריטיות. בחירת יחסי קיבוע מתאימים ותאום עדין של סיבולת התדר הם השלבים האחרונים בהנדסת פתרון כח לא רשת עמיד ואוטומטי.