راهنمای انتخاب مولد
به منظور ارزیابی نیاز به نیروی الکتریکی برای گزینش دیزل ژنراتور متناسب با پوشش قدرت مورد نظر، این نکته حائز اهمیت است که تنها مجموع بار و مصرف کننده متصل فعلی مد نظر قرار نگرفته و تمهیداتی به شکل مازاد توان (Headroom) اتخاذ گردد.
گرچه بهترین انتخاب [دیزل ژنراتور] با تکیه بر نرم افزارها یا کارشناسانِ تولیدکنندگان این تجهیزات امکان پذیر است، با این حال درک عوامل تاثیرگذار بر کارایی دستگاه ژنراتورتان، اطمینان کافی را از جهت تطابق تجهیزات با کاربرد مد نظر شما فراهم می‌آورد.
ارکان پروژه
گام اول برای گزینش دیزل ژنراتور ایده‌ئال تعیین ارکان پروژه.
اثر کمینه‌ی بار/ظرفیت بر ژنراتور
فعالیت ژنراتور در حالت اتصال با شبکه‌ای با بار سبک ممکن است به آسیب دیدن موتور منجر شده و ضریب اطمینان مجموعه را بکاهد. کامینز پاور پیشنهاد می‌کند "از نصب و راه‌اندازی دیزل ژنراتور برای بارهایی سبک تر از سی درصد توان نامی هر دستگاه خودداری شود". حتی الامکان در شرایط افت شدید بار مصرفی، بهتر است با ورود بارهای مصنوعی، ناترازی جبران گردد.
افت ولتاژ پله‌ای مجاز (در زمان راه‌اندازی و عملکرد):
هرچقدر میزان افت ولتاژ پله‌ای مجاز را در زمان راه‌اندازی اولیه، هنگام تغییرات خودکار بارها، یا زمانی که بارهای با پیک بالا فعال می‌شوند، کاهش دهید، باید اندازه ژنراتور مشخص‌شده را افزایش دهید. انتخاب افت ولتاژ مجاز پایین‌تر، نیاز به ژنراتور بزرگ‌تری دارد
افت فرکانس پله‌ای مجاز
با سایز نامی دستگاه دیزل ژنراتور نسبت وارونه داشته و هرچه میزان افت فرکانس پله‌ای کاهش یابد، منجر به نیاز به دستگاه با ظرفیت بالاتری می‌شود.
ارتفاع و دما
بسته به موقعیت مکانی، سایز مجموعه ژنراتور افزایش یافته چرا که با افزایش ارتفاع و دمای محیط، دستگاه با کاهش بهره‌وری مواجه می‌شود
در مناطق مرتفع، کاهش فشار هوا منجر به کاهش میزان اکسیژن رسانی جهت احتراق شده و این امر باعث کاهش راندمان احتراق و به تبع آن افت توان تولیدی خواهد شد. همچنین دمای بالای محیط باعث افزایش دمای کاری موتور و کاهش بازده حرارتی آن می‌شود
تناوب عملکرد دستگاه
منطق و نحوه کاربری نیز بر ظرفیت دستگاه ژنراتور موثر بوده، خواه دستگاه به صورت اضطراری، اصلی یا دائم کار مورد استفاده قرار گیرد. دستگاه‌های اضطراری غالباً هیچ حاشیه‌ای برای اضافه بار در اختیار ندارند. دستگاه‌های اصلی یا پرایم معمولاً ده درصد انعطاف برای جبران اضافه بار دارند در حالی که دستگاه‌هایی که برای ساعات کاری ممتد و بار ثابت راه‌اندازی می‌شوند نمی‌بایست تحت باری فرا تر از محدوده دائم کار قرار گیرند.
سوخت
نوع سوخت نقش مهمی در انتخاب ژنراتور مناسب دارد (گاز طبیعی، دیزل، یا گاز مایع). ژنراتورهایی که با گاز یا گاز مایع کار می‌کنند، معمولاً به دلیل افت توان ناشی از شرایط سوخت، باید با ظرفیت بالاتر نسبت به مقدار بار واقعی انتخاب شوند.
در سیستم‌های اضطراری، معمولاً الزامی است که سوخت مورد نیاز ژنراتور در محل پروژه ذخیره شود تا در شرایط بحرانی، تأمین توان بدون وابستگی به زیرساخت‌های خارجی انجام گیرد.
تعیین نوع سوخت علاوه بر تأثیرگذاری بر طراحی فنی، بر هزینه‌های عملیاتی، نگهداری، و الزامات ایمنی پروژه نیز تأثیرگذار است.
فاز، فرکانس و ولتاژ در انتخاب ژنراتور
فاز: در فرآیند انتخاب ژنراتور، می‌توان گزینه تک‌فاز یا سه‌فاز را انتخاب نمود. انتخاب ژنراتور سه‌فاز، امکان تأمین بارهای تک‌فاز را نیز فراهم می‌کند، با این فرض که بارهای تک‌فاز به‌صورت متوازن بین فازها توزیع شوند.
فرکانس: ژنراتورها باید متناسب با فرکانس شبکه برق محل نصب، یعنی ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز انتخاب گردند. این انتخاب معمولاً به موقعیت جغرافیایی (در ایران HZ50) و زیرساخت شبکه برق محلی وابسته است.
ولتاژ: گزینه‌های ولتاژ در ژنراتورها عمدتاً تابعی از فرکانس انتخاب‌شده هستند. به‌عبارت دیگر، نوع ولتاژ خروجی مورد نیاز براساس فرکانس کاری دستگاه تعیین می‌شود و باید با تجهیزات مصرفی و استانداردهای محلی هماهنگ باشد. در ایران، ولتاژ استاندارد برق تک فاز ۲۲۰ تا ۲۳۰ ولت و ولتاژ استاندارد برق سه فاز ۳۸۰ تا ۴۰۰ ولت است.
بارها و عوامل تأثیرگذار بر تعیین ظرفیت ژنراتور
گام مهم بعدی در تعیین ظرفیت ژنراتور، شناسایی کامل انواع و اندازه بارهایی است که قرار است توسط ژنراتور تغذیه شوند. به‌طور کلی، در شرایطی که بارهای غیرخطی در سیستم وجود داشته باشند، ممکن است لازم باشد ظرفیت آلترناتور را بزرگ‌تر از مقدار معمول در نظر گرفت.
ضریب توان (Power Factor - PF)
در مدارهای جریان متناوب (AC)، القاها و ظرفیت‌ها باعث می‌شوند نقطه عبور موج جریان از صفر، نسبت به نقطه عبور موج ولتاژ از صفر تأخیر یا تقدم داشته باشد.
بارهای خازنی، موتورها با تحریک بیش‌ازحد (Overexcited Synchronous Motors) و موارد مشابه، باعث به‌وجود آمدن ضریب توان پیش‌رو (Leading PF) می‌شوند، که در آن جریان از ولتاژ جلو می‌افتد.
حالت متداول‌تر، ضریب توان پس‌رو(Lagging) است، که ناشی از خاصیت القایی مدار بوده و در آن جریان از ولتاژ عقب می‌افتد.
ضریب توان برابر است با نسبت کیلووات (kW) به کیلوولت‌آمپر (kVA) و معمولاً به‌صورت عددی (مانند ۰٫۸) یا درصدی (۸۰٪) بیان می‌شود.
ژنراتورهای سه‌فاز برای بارهایی با ضریب توان ۰٫۸ طراحی شده‌اند.
ژنراتورهای تک‌فاز برای بارهایی با ضریب توان ۱٫۰ طراحی شده‌اند.
در صورتی که ضریب توان کمتر باشد، لازم است آلترناتور یا ژنراتور بزرگ‌تری انتخاب شود تا بتواند به‌درستی نیاز بار را پوشش دهد.
هنگام استفاده از ژنراتورها برای بارهایی با ضریب توان پیش‌رو باید دقت فراوانی صورت گیرد، زیرا حتی میزان کمی پیش‌روی در ضریب توان ممکن است باعث اختلال در کنترل ولتاژ ژنراتور شود
بارهای تک‌فاز، عدم تعادل بار و تأثیر آن بر ظرفیت ژنراتور
بارهای تک‌فاز و عدم تعادل بار: در ژنراتورهای سه‌فاز، بارهای تک‌فاز باید تا حد امکان به‌صورت یکنواخت بین سه فاز توزیع شوند تا ظرفیت ژنراتور به‌طور کامل مورد استفاده قرار گیرد و از بروز عدم تعادل ولتاژ جلوگیری شود.
بارهای پیک (Peak Loads): بارهایی که به‌صورت چرخه‌ای روشن و خاموش می‌شوند مانند تجهیزات جوشکاری، دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی یا موتورها، باعث ایجاد بارهای پیک می‌شوند. در نظر گرفتن این بارهای چرخه‌ای می‌تواند ظرفیت مورد نیاز ژنراتور را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد، حتی اگر ترتیب راه‌اندازی مرحله‌ای برای بارها رعایت شده باشد.
بارهای موتوری: محاسبه دقیق بارهای موتوری بهتر است توسط نرم‌افزارهای تخصصی سایزینگ انجام شود که نوع موتور را به نیازهای راه‌اندازی و عملکرد تبدیل می‌کنند. با این حال، برای این بحث، می‌توان بارهای موتوری را به‌طور کلی به دو دسته تقسیم کرد:
بارهای با اینرسی پایین: شامل فن‌ها، دمنده‌های گریز از مرکز، کمپرسورهای دورانی و پمپ‌های گریز از مرکز.
بارهای با اینرسی بالا: شامل آسانسورها، پمپ‌ها و کمپرسورهای تک‌سیلندر و چندسیلندر، سنگ‌شکن‌ها و نوارهای نقاله.
موتورهای بالای ۵۰ اسب بخار(HP): راه‌اندازی مستقیم این موتورها با ژنراتور باعث ایجاد بار با امپدانس پایین در حالت قفل روتور یا توقف اولیه می‌شود. این وضعیت منجر به جریان هجومی بالا می‌گردد که معمولاً شش برابر جریان نامی موتور است. این جریان هجومی باعث افت ولتاژ ژنراتور شده و می‌تواند عملکرد سایر سیستم‌ها را تحت تأثیر قرار دهد.
بازیابی ولتاژ ژنراتور: نحوه بازیابی ولتاژ ژنراتور پس از افت، تابعی از نسبت ظرفیت ژنراتور، توان موتور، توان موتور (kW) و قابلیت تحریک ژنراتور است. بسته به شدت بار، ژنراتور باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که بتواند در عرض چند ثانیه یا حتی چند سیکل به ولتاژ نامی بازگردد.
استارت‌های با ولتاژ کاهش‌یافته: انواع مختلفی از استارت‌های با ولتاژ کاهش‌یافته برای کاهش kVA راه‌اندازی موتور وجود دارند که در کاربردهایی با گشتاور راه‌اندازی پایین قابل قبول استفاده می‌شوند. این روش‌ها می‌توانند باعث کاهش افت ولتاژ، کاهش ظرفیت مورد نیاز ژنراتور و راه‌اندازی نرم‌تر مکانیکی شوند. با این حال، این روش‌ها فقط باید برای بارهای موتوری با اینرسی پایین استفاده شوند، مگر اینکه اطمینان حاصل شود که موتور در زمان راه‌اندازی گشتاور کافی برای شتاب‌گیری تولید خواهد کرد
بارهای غیرخطی شامل موتورهای VFD و UPS
موتورهای با درایو فرکانس متغیر (VFD)
درایوهای فرکانس متغیر یا سرعت متغیر (VFD)، نوعی بار غیرخطی هستند که برای کنترل سرعت موتورهای القایی استفاده می‌شوند. این تجهیزات باعث اعوجاج در ولتاژ خروجی ژنراتور می‌شوند.
برای جلوگیری از گرمای بیش از حد آلترناتور ناشی از جریان‌های هارمونیک تولیدشده توسط VFD، باید از آلترناتورهای بزرگ‌تر استفاده شود.
همچنین برای کاهش اعوجاج ولتاژ سیستم، لازم است راکتانس آلترناتور کاهش یابد.
به‌طور معمول، بارهای VFD نباید بیش از ۵۰٪ ظرفیت ژنراتور باشند تا اعوجاج هارمونیک کل (THD) کمتر از ۱۵٪ باقی بماند.
بارهای UPSمنبع تغذیه بدون وقفه
سیستم‌های UPS از رکتیفایرهای کنترل‌شده با سیلیکون (SCR) یا سایر تجهیزات استاتیک برای تبدیل ولتاژ AC به DC جهت شارژ باتری‌ها استفاده می‌کنند. این تجهیزات نیز نوعی بار غیرخطی محسوب می‌شوند.
جریان‌های هارمونیک ناشی از رکتیفایرها می‌توانند باعث گرمای بیش از حد آلترناتور شوند.
برای کاهش اعوجاج ولتاژ سیستم، باید از آلترناتورهایی با راکتانس پایین‌تر استفاده شود.
در گذشته، ناسازگاری بین ژنراتورها و UPSهای استاتیک باعث ایجاد تصورات اشتباه در مورد نحوه سایزینگ ژنراتور برای این نوع بارها شده بود. اما امروزه اکثر تولیدکنندگان UPS این مشکلات را برطرف کرده‌اند.
اکنون مقرون‌به‌صرفه‌تر است که UPS با ژنراتور سازگار باشد تا اینکه ژنراتور را به‌طور قابل توجهی بزرگ‌تر انتخاب کنیم.
برای تعیین ظرفیت ژنراتور، باید از ظرفیت نامی کامل UPS استفاده شود تا توان کافی برای شارژ باتری‌ها و تأمین بار کامل UPS فراهم گردد.
بارهای خاص و تأثیر آن‌ها بر سایزینگ ژنراتور
بارهای شارژر باتری
شارژرهای باتری نوعی بار غیرخطی هستند که بسته به تعداد پالس‌های رکتیفایر (یکسوکننده)، نیاز به آلترناتور بزرگ‌تر دارند:
برای شارژرهای سه‌پالس: ظرفیت آلترناتور باید تا ۲٫۵ برابر بار پایدار در نظر گرفته شود.
برای شارژرهای ۱۲ پالس: ظرفیت آلترناتور باید تا ۱٫۱۵ برابر بار پایدار باشد.
این نوع بارها معمولاً در سیستم‌های مخابراتی یافت می‌شوند.
بارهای تصویربرداری پزشکی
شامل تجهیزات سی‌تی‌اسکن (CAT Scan)، ام‌آر‌آی (MRI) و اشعه ایکس (X-Ray) هستند. برای حفظ کیفیت تصویر، ژنراتور باید به‌گونه‌ای سایز شود که افت ولتاژ هنگام عملکرد تجهیزات تصویربرداری با سایر بارها، از ۱۰٪ تجاوز نکند.
بارهای روشنایی
علاوه بر توان مصرفی لامپ‌ها، باید توان مصرفی بالاست‌ها و ضریب توان در زمان راه‌اندازی و عملکرد نیز در محاسبات لحاظ شود.
بارهای بازتولیدی (Regenerative Loads)
در تجهیزاتی مانند آسانسورها، جرثقیل‌ها و بالابرها، هنگام ترمزگیری، بخشی از انرژی به سیستم بازگردانده می‌شود. در شبکه برق شهری، این موضوع مشکلی ایجاد نمی‌کند چون منبع تغذیه بسیار بزرگ است. اما در ژنراتورها:
توان جذب انرژی بازتولیدی محدود است، به‌ویژه اگر بار دیگری متصل نباشد.
برای جلوگیری از افزایش سرعت بیش از حد و خاموشی ژنراتور، باید مطمئن شد که بارهای دیگری در سیستم وجود دارند که بتوانند انرژی بازتولیدی را جذب کنند
توالی راه‌اندازی بارها (Load Step Sequencing)
در بسیاری از کاربردها، ژنراتور به‌گونه‌ای سایز می‌شود که بتواند تمام بارها را به‌صورت یک‌باره راه‌اندازی کند. با این حال، در برخی موارد، بهتر است ابتدا بارهایی که بیشترین جریان راه‌اندازی را ایجاد می‌کنند فعال شوند و سپس سایر بارها به‌صورت مرحله‌ای راه‌اندازی شوند-این روش به‌عنوان قاعده "بزرگ‌ترین موتور اول" شناخته می‌شود.
برخی از مقررات ایمنی ممکن است الزام کنند که بارهای اضطراری و ایمنی حیاتی در مدت زمان بسیار کوتاه (مثلاً کمتر از ۱۰ ثانیه) راه‌اندازی شوند، در حالی که سایر بارها می‌توانند با تأخیر بیشتری فعال شوند.
به‌طور کلی، راه‌اندازی مرحله‌ای بارها این امکان را فراهم می‌کند که کوچک‌ترین ژنراتور ممکن نسبت به بار پایدار سیستم انتخاب شود. با این حال، اگر بارهای موتوری چرخه‌ای وجود داشته باشند، باید ژنراتور به‌گونه‌ای سایز شود که بتواند بزرگ‌ترین موتور چرخه‌ای را در آخرین مرحله، با وجود اتصال سایر بارها، راه‌اندازی کند.
نیازهای آینده (Future Needs)
آخرین مرحله در فرآیند سایزینگ ژنراتور مربوط به پیش‌بینی نیازهای آینده است. مصرف توان در سیستم‌ها ثابت نیست و معمولاً با گذشت زمان افزایش می‌یابد. بنابراین، در هر فرآیند انتخاب ظرفیت ژنراتور، باید گسترش احتمالی سیستم در آینده نیز در نظر گرفته شود.
حتی با وجود نرم‌افزارهای پیشرفته برای محاسبه ظرفیت، تصمیم نهایی در مورد سایز ژنراتور باید با قضاوت مهندسی دقیق همراه باشد. هرچه اطلاعات بیشتری درباره پارامترهای مؤثر بر سایزینگ داشته باشید، تصمیم‌گیری نهایی دقیق‌تر و قابل‌اطمینان‌تر خواهد بود