در مواجهه با نوسان ولتاژ و کیفیت ضعیف شبکه، شرکت‌های صنعتی باید راهکارهای جایگزین خودشان را مستقر کنند. ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ برای انجام این کار به آنها کمک می‌کنند.

تصور کنید شبکه برقرسانی دچار بلک اوت شده‌است. از کار افتادن چراغ‌‌های راهنمایی باعث قفل شدن خیابان‌ها شده‌ و از آنجا که پمپ‌ها دیگر کار نمی‌کنند، سیستم تامین آب از کار افتاده‌است. پمپ بنزین‌ها توزیع سوخت را متوقف کرده‌اند و پس از گذشت یک روز سیستم برق اضطراری بیمارستان‌ها از کار می‌ایستند. خنک کننده‌ی سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای نیز نیازمند الکتریسیته است و به همین دلیل خطر بروز فاجعه‌ی هسته‌ای نیز پدیدار می‌شود.

چنین سناریوی وحشتناکی توجه عمومی زیادی را جلب می‌کند. اما همیشه فقط فجایع عظیم نیستند که موجب نگرانی می‌شوند. برای بسیاری از شرکت‌های صنعتی، نوسانات هر روزه در ولتاژ به اندازه کافی مشکل آفرین هستند – مخصوصا زمانی که منجر به توقف تولید و یا آسیب رسیدن به سیستم‌های الکتریکی و تجهیزات تولید شوند. نوسانات ولتاژ یک پدیده‌ی جهانی است و محدود به شبکه‌های “ضعیف‌تر” در کشورهای در حال توسعه نیست. حتی شبکه‌های بسیار توسعه‌یافته در کشورهای صنعتی نیز از سطح رو به رشدی از نوسان رنج می‌برند. عامل اصلی این نوسانات در  ولتاژ، انرژی های تجدید پذیر هستند.

باد همیشه با قدرت یکنواخت نمی‌وزد و آب و هوای ابری باعث می‌شود جریان الکتریسته‌ از نیروگاه های خورشیدی به طور پیوسته تغییر کند. اگر مصرف کننده‌های عمده‌ برق مانند کارخانه‌های آلومینیوم فرآیند ذوب را شروع کنند، تنها راه جبران افت ولتاژ، افزایش توان تزریقی خواهد بود. مشکل دیگر این است که پایش شبکه‌ی انتقال نیرو، تنها در سطح ولتاژ متوسط سازمان یافته‌است. اگر نوسانات در این محدوده‌های ولتاژ رخ بدهند، پست های اصلی برای کاهش آثار آن وارد عمل می‌شوند. اما نوسانات در سطوح ولتاژ پایین نمی‌توانند توسط تامین کننده‌ها مورد توجه قرار بگیرند؛ چرا که هیچ سیستم پایشی در کار نیست.

در معدن زغال سنگ هامباخ آلمان، شرکت RWE از یک پمپ آبگیری 400kW برای خشک نگه‌داشتن ستون‌های حفاری زغال‌سنگ استفاده می‌کند. عملیات کلیدزنی و تغییر بار تاثیر منفی بر شبکه 6kV دارد. این اثر حالا به کمک ECOTAP VPD شرکت Reinhausen تحت کنترل متخصصین RWE درآمده است.

قابلیت اطمینان در بهره برداری صنعتی

در عین حال، سیستم های کنترل الکترونیکی که در کارخانه‌ها و ماشین‌آلات مورد استفاده قرار می‌گیرند، بیشتر و بیشتر به این نوسانات حساس می‌شوند. به همین دلیل توانایی شرکت‌های صنعتی در فعالیت به صورت کارا و قابل اطمینان به طور افزاینده‌ای وابسته به تبعیت از یک محدوده ولتاژ از پیش تعریف می‌باشد. هرگونه انحرافی از این محدوده ولتاژ به طور قطع منجر به وقفه در فرآیند تولید می‌شود. حتی اگر انحراف از محدوده ولتاژ تنها در کسری از ثانیه اتفاق بیفتد، در بعضی از ماشین‌آلات می‌تواند موجب شود که مبدل های فرکانس بسیار حساس خاموش شوند که در این صورت لازم است اپراتورها مجددا آنها را راه اندازی کنند. اگر ولتاژ برای بازه زمانی بیشتری خارج از محدوده تعریف‌شده بماند، به دلیل مدت زیادتر از کار افتادگی سیستم، خسارت وارد شده نیز گسترده‌تر خواهد بود. این خسارات به طور مشخص در صنایع شیشه و فولاد بیشتر است.

مصرف کنندگان برق شبکه، معمولاً می‌توانند بدون مشورت با بهره بردار شبکه، هر تعداد تجهیزات و دستگاه که بخواهند را به صورت مجازی به شبکه متصل کنند و با آن کار کنند. این موضوع به این معنی است که بهره برداران شبکه برای کنترل کیفیت ولتاژ تغذیه، در بهترین حالت می‌توانند از یک چارچوب آماری استفاده کنند.

شبکه‌های مدرن در خصوص خارج شدن تجهیزات از شبکه ریسک کمی دارند، اما موضوع همین واژه «کم» است. سوال این نیست که آیا نوسانات باعث بروز وقفه در فرآیند تولید می‌شوند یا نه؟ بلکه این است که در صورت بروز چنین اتفاقی، عواقب آن چقدر جدی خواهد بود؟ اگر قرار است از این میزان خطرات باقیمانده که از نظر فنی اجتناب‌ناپذیر هستند، به صورت موردی محافظت شود، اقدامات مناسب باید مستقیماً در جایی که نیاز است انجام شوند. در این مثال، مستقیماً باید در سیستم تامین انرژی تجهیزات تولید کارخانه وارد عمل شد. به این معنی که شرکت‌های صنعتی برای رعایت احتیاط، باید کیفیت ولتاژ را در کنترل خود بگیرند.

فرانک تیپنر، مسئول نظارت بر مهندسی تولید در SBG (سمت راست) و Michael Bühnert، رئیس فروش در آلمان در SBG

ساخت يک شبکه داخلی امن با ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ

این دقیقا همان کاری است که در سال گذشته توسط شرکت آلمانی SBG انجام شد. در سال ۲۰۱۷ شرایطی به وجود آمد که در آن سطح ولتاژ با افت شدیدی مواجه شد. فرانک تیپنر (Frank Tiepner) مسئول نظارت بر مهندسی تولید در شرکت آلمانی SBG، تولید کننده‌ پیشرو در ترانسفورماتورهای توزیع و ماشین‌آلات خاص- توضیح می‌دهد که چطور این مشکل منجر به تغییر در نگرش شد: «ما می‌توانستیم از روی خوانش‌های انجام شده در میترهای واحدهای توزیع فرعی در طول سالیان ببینیم که ولتاژ در یک محدوده‌ مشخص نوسان می‌کند.»

ماشین‌آلات به طور مکرر خاموش می‌شدند و آن طور که او بازگو می‌کند، تشخیص علت آسان نبود. «در این مورد مشخص ما نمی‌توانستیم تشخیص دهیم که آیا مشکل از نوسان ولتاژ، اتصال کوتاه در شبکه و یا مصرف کننده‌ دیگری است که در شبکه اشکال ایجاد می‌کند. عموماً ما فقط می‌توانستیم ماشین‌ها را مجددا راه اندازی کنیم و به تولید ادامه دهیم.» اما در اوایل سال ۲۰۱۷ اتفاق دیگری رخ داد.

شرکت SBG برای محافظت از شبکه داخلی شرکت خود از 3 ترانسفورماتور توزیع تنظیم ولتاژ که به صورت موازی متصل شده‌اند استفاده می‌کند. به لطف این راه‌حل از توقف تولید به دلیل نوسان ولتاژ به تاریخ پیوسته است. فرانک تیپنر (سمت راست) مدیر مهندسی تولید در SBG با استفاده از ترانسفورماتور توزیع تنظیم ولتاژ، محافظت از فرآیند تولید را برقرار کرد. مایکل بوهنر مدیر فروش در آلمان نیز مطمئن است که مشتریان SBG از تخصص فنی شرکت سود می‌برند.

شرکت توزیع برق اقدام به ساخت و سازهایی در شبکه کرده بود که منجر به قطع ولتاژهای گسترده می‌شد. “در یک مقطع ولتاژ تا کمتر از ۳۵۰ ولت دچار افت شد.” این را تیپنر شرح می‌دهد. “و ما کاری بجز این که بنشینیم و تجهیزات را تماشا کنیم که یکی پس از دیگری از کار می‌افتند و قسمت‌های بزرگی از خط تولید را متوقف می‌کنند، از دستمان بر نمی‌آمد. این اتفاق برای ما حکم یک بیدارباش را داشت. در شرکت بزرگی مثل شرکت ما، چنین اتفاقاتی یک واکنش مناسب را می‌طلبند. ما امکان محافظت در برابر چنین اتفاقاتی را از طریق استقرار تقویت شبکه‌ی داخلی خودمان بررسی کردیم.”

به همین دلیل تیپنر و همکارانش به جستجو برای به‌صرفه‌ترین راه حل پرداختند. خیلی زود مشخص شد که تنها یک راه حل وجود دارد که با بودجه موجود همخوانی دارد: 3 ترانسفورماتور توزیع مرسوم که به صورت موازی متصل شده‌بودند و شبکه‌ی داخلی کارخانه را تامین می‌کردند باید حذف می‌شدند. به جای آنها این کار توسط سه ترانسفورماتور توزیع با ولتاژ تنظیم شده (VRDT) از شرکت SBG انجام می‌شد که با ECOTAP VPD تجهیز شدند.

«با درنظر گرفتن زیرساخت‌های موجودمان این ترانسفورماورهای SBG VRDT به صرفه‌ترین راه حل بود چرا که  ECOTAP VPD به ما اجازه می‌داد تا ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ را دقیقا با همان ابعاد ترانسفورماتورهای معمولی نصب کنیم. در نتیجه این یک راه حل اتصال و راه‌اندازی سریع (plug-and-play) بود. شرایط نصب و اتصال نیز یکسان بود و به همین دلیل از این راحت‌تر نمی‌توانست باشد. نیازی نبود هیچ چیزی را در سیستم توزیع اصلی با بریکرهای گران قیمت، یا سیستم باس بار که برای تامین سه ترانسفورماتور طراحی شده‌بود تغییر بدهیم.

در یک مقطع ولتاژ تا کمتر از ۳۵۰ ولت دچار افت شد. و ما کاری بجز این که بنشینیم و تجهیزات را تماشا کنیم که یکی پس از دیگری از کار می‌افتند و قسمت‌های بزرگی از خط تولید را متوقف می‌کنند، از دستمان بر نمی‌آمد.

چرا ECOTAP VPD برای ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ؟

با اتصال موازی VRDTها، به شرایطی می رسیدیم که قبلا در شرکت SBG تجربه نشده بود. برای یک چنین شرایطی، البته در کنار دلایل دیگر، شرکت رینهازن سیستم کنترل ECOTAP VPD CONTROL PRO را توسعه داده‌است. برای اطمینان از این که تپ چنجرهای هر سه ترانسفورماتور، عملیات تغییر ولتاژ مشابه را دقیقاً در یک زمان انجام می‌دهند و در نتیجه از اختلاف ولتاژ جلوگیری می شود، سیستم کنترل، یک عملیات master/slave می‌سازد. به این معنی که یکی از تپ چنجرها یک فرمان کنترلی برای دوتای دیگر می‌فرستد و در نتیجه از روان بودن عملیات اطمینان حاصل می‌کند.

فرانک تیپنر همچنین به امکانات دیگر CONTROL PRO علاقه‌مند است: «CONTROL PRO می‌تواند به طور خیلی دقیق از طریق یک رابط تحت وب برنامه‌ریزی شود. همچنین راهکارهای بسیار گسترده‌ای که از طریق آنها می‌توانیم ترانسفورماتور را تنظیم، مانیتور و کنترل کنیم، ارائه می‌دهد.» تیپنر معتقد است که اکنون به هدف تضمین پایداری شبکه دست یافته‌است.

“ترانسفورماتورهایی که به صورت موازی متصل شده‌اند حتی در شرکت‌های صنعتی نیز مرسوم‌اند.با این حال ترانسفورماتورهای توزیع تنظیم ولتاژ که در جهات اصلی و ثانویه به صورت موازی متصل شدند یک نوآوری واقعی محسوب می شوند.” مایکل بوهنر مدیر فروش SBG در آلمان از این نیز فراتر می‌رود: “امروزه بسیاری از مشتریان ما از پیشرفتهای فنی که همراه با MR به آن دست یافته‌ایم سود می برند. و تعداد رو به رشدی از آنها در صنایعی استفاده می‌شوند که SGB VRDT در کنار تکنولوژی سیستم کنترل Reinhausen به کار گرفته‌می‌شود.”

شرکت شیهلین در تایوان برای مشتریانش در تمام ناحیه جنوب شرقی آسیا ترانسفورماتور تولید می‌کند. شرکت‌های صنعتی در این منطقه باید با شبکه‌ ضعیف و نوسانات شدید ولتاژ دست‌و‌پنجه نرم کنند. جوزف کو، مدیر ارشد‌ و لری سیه مدیر خرید مواد در شیهلین می‌خواهند با استفاده از ترانسفورماتورهای توزیع تنظیم ولتاژ فرآیندهای صنعتی را پایدار کنند.

تصميم‌گيری در مورد VRDT (ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ)

مشتریان شرکت تایوانی ترانسفورماتورسازی شیهلین (Shihlin) هم با مشکل مشابهی مواجه شدند اما با پس زمینه‌ای متفاوت. در حالی که این انرژی های تجدیدپذیر است که نوسانات ولتاژ را در کشورهای اروپایی بر شبکه تحمیل می‌کند، شرکت‌های صنعتی در جنوب شرقی آسیا باید با شبکه ضعیف و نوسانات ولتاژ دست و پنجه نرم کنند.

جوزف کو معاون ارشد شرکت شیهلین می‌گوید: «ضعیف‌ترین خطوط انتقال نیرو در جنوب شرقی آسیا در میانمار، لائوس و کامبوج وجود دارند. در این موارد به طور قطع توصیه می‌شود که از تجهیزات تولیدی حفاظت شود.» اما در نهایت آقای کو، تقاضای گسترده‌ای را برای تکنولوژی‌های حفاظت از تجهیزات در برابر نوسانات ولتاژ در جنوب شرقی آسیا می‌بیند. او یکی از مشتریان را مثال می‌زند. یک شرکت تایوانی که صاحب کارخانه‌ای در مناطق روستایی ویتنام است، از ناپایداری‌های شدید در ماه‌های تابستان گزارش می‌داد. تولید به مدت ۱۰ تا ۱۵ دقیقه برای چندین بار در ماه به علت نوسانات شدید ولتاژ متوقف می‌شد.

توقف تولید به تنهائی برای این شرکت ۲۵ هزار دلار هزینه در بر داشت. به علاوه سوییچ اصلی نیز دچار آسیب شد. کو، مدیر شیلین توضیح می‌دهد «هزاران شرکت تولیدی در جنوب شرقی آسیا دقیقا با این نوع مشکلات دست و پنجه نرم می‌کنند. این موضوع تصویری از این که چقدر تقاضا برای تکنولوژی‌‌های پایدار سازی شبکه‌ داخلی کارخانجات زیاد است، به ما می‌دهد.» شیهلین با استفاده از ترانسفورماتورهای توزیع به این تقاضا پاسخ می‌دهد. در این راستا، در سپتامبر ۲۰۱۷ Reinhausen یک دستگاه ECOTAP VPD را به تایوان انتقال داد.

مشتری نهایی یک شرکت صنعتی در میانمار بود که یک ترانسفورماتور تنظیم ولتاژ 1.5MVA از شرکت شیهلین سفارش داده‌بود. لری سیه مدیر خرید مواد در شیهلین، توضیح می‌دهد که چرا تصمیم گرفتند یک تپ چنجر از Reinhausen بخرند: “در ابتدا ما خرید یک تپ چنجر از یک تولید کننده در شانگهای را در نظر داشتیم. استفاده از یک شرکت محلی با زبان مشترک در ابتدای امر برای من خوشایندتر به نظر می‌رسید. به عنوان یک خریدار، هزینه‌ها طبیعتا مهم‌ترین موضوع محسوب می‌شوند.از این نظر ECOTAP VPD به شدت رقابتی است، و همچنین که محصول تولیدکننده‌ پیشرو تپ چنجر تحت بار در جهان است. این موضوع در تصمیم‌گیری ما تاثیر حیاتی داشت و در کنار آن قدرت برند Reinhausen، قابلیت اطمینان، کیفیت محصولات و پشتیبانی قوی همگی بسیار موثر بودند.»

جوزف کو، مدیر ارشد‌ (سمت چپ) و لری سیه مدیر خرید مواد در شیهلین می‌خواهند با استفاده از ترانسفورماتورهای توزیع تنظیم ولتاژ فرآیندهای صنعتی را پایدار کنند

شبکه‌ای با نگهداری مناسب

ترانسفورماتورهای تنظیم ولتاژ همچنین می‌توانند در سیستم‌هایی که طول کابل و تغییر بار منجر به نوسانات می شود، ولتاژ را پایدار کنند. این موضوع در مورد RWE Power AG صدق می‌کرد. RWE دو ترانسفورماتور کنترل شونده سه سیم پیچ را در معدن ذغال‌سنگ هامباخ در آلمان به کار گرفته‌بود. این معدن در غرب کلن قرار دارد، درست در قلب میدان‌های زغال‌سنگ که رود راین را احاطه کرده‌اند. این معدن در سال ۱۹۷۸ بازگشایی و الان به عمق ۴۰۰ متری رسیده‌‌است.

استخراج امن زغال‌سنگ در معادن نزدیک به سطح نیازمند این است که مهندسان و کارگران، سطح آب‌های زیرزمینی را با استفاده از حفر چاه، نصب پمپ و کار گذاشتن خطوط لوله پایین بیاورند. با استفاده از پمپ‌ها نتیجه‌ی مورد نظر که خشک کردن سطح است حاصل می‌شود. برق مورد نیاز پمپ‌ها به وسیله پست های کمپکت و یا مستقیما از ولتاژ متوسط تامین می‌شود.

یک ایستگاه پست کمپکت شامل یک ترانسفورماتور توزیع، یک سیستم ولتاژ متوسط و یک سیستم ولتاژ پایین می‌شود. یک مبدل فرکانس با خروجی اسمی 400kW، نیروی پمپ‌ها را تامین می‌کند. در این شبکه‌‌ی 6 کیلو ولت، طول کابل‌ها زیاد است و در نتیجه نوسانات ولتاژ در شبکه به طور معمول در زمان عملیات کلیدزنی و یا تغییر بار رخ می‌دهند. این موضوع نیز با مدار واسط مبدل فرکانس تداخل ایجاد می‌کند. با این وجود، این مشکلی است که نیروهای RWE به همراه کارشناسان MR POWER QUALITY موفق به حل آن شده‌اند. خیلی زود مشخص شد که بهترین راهکار فناورانه برای آن، باز هم ECOTAP VPD است. یک مزیت بزرگ Reinhausen از دید RWE این است که هم اکنون با الزامات طراحی زیست محیطی در سال ۲۰۲۱ اروپا سازگار است.

منبع: Everything under control