بخشی از مقاله
بررسی عملکرد کلیدهاي انتقال بار ایستا (STS)
جهت بهبود کیفیت توان
کلمات کلیدي: کلید انتقال بار ایستا (Static Transfer Switch - STS)، منبع اصلی و منبع جایگزین
چکیده رشد روزافزون میکروپروسسورها، میکروکنترلرها، ادوات کامپیوتري و دیجیتالی درصنایع موجب شده است تا حساسیت آنها
در برابر اغتشاشات افزایش یافته و متحمل خسارت زیادي براثر قطعیها و کمبود ولتاژ شوند. این مصرف کنندهها از روشهاي متعارف براي بالا بردن کیفیت توان و قابلیت اطمینان مانند UPSها و تجهیزات اظطراري استفاده میکنند. کلید انتقال بار استاتیکی (STS) یک راه حل مناسب براي افزایش کیفیت توان و قابلیت اطمینان بارهاي بزرگ و حساس صنعتی محسوب میشود. این وسیله در مواقعی بکار میرود که دو خط تغذیه مستقل در شبکه موجود باشد. در این آرایش، بار حساس در حالت عادي از یک فیدر تغذیه میشود و در صورت بروز اغتشاش سریعاً به فیدر دیگر انتقال مییابد. این مقاله به بررسی نحوه عملکرد انتقال بار توسط STS در شبکه جهت بهبود کیفیت توان میپردازد.
1ـ مقدمه صنایع بخاطر دستیابی به تولید بیشتر و باقی ماندن در میدان رقابت از تجهیزات اتوماتیک و حساس دیجیتالی و کامپیوتري
استفاده میکنند. بنابراین اثرات زیانبار قطعیها و کمبودهاي ولتاژ در این زمان نسبت به چند دهه قبل بیشتر شده است. براي تأمین چنین بارهاي حساس، روشهاي مختلفی از قبیل استفاده از UPS1، مجموعه موتور ـ ژنراتور، ترانسفورماتورهاي فرورزونانس، وجود دارد که اغلب براي تأمین مصارف حساس کوچک (از لحاظ توان مصرفی) بکار میروند. [5] اما براي مصارف بزرگ و حساس روشی که پیشنهاد میشود استفاده ازدو فیدر تغذیه مجزا است. که در صورت مشاهده اغتشاش
(کمبود یا قطعی ولتاژ) در یک فیدر، بار به فیدر دیگر منتقل میشود. براي انتقال بار بین دو فیدر در کاربردهاي توان بالا از کلیدهاي انتقال بار مکانیکی (EMTS2) براي کلیدزنی بارهاي حساس بین دو فیدر استفاده میشود. اما به علت کندي و تأخیر در عملکرد کلیدهاي مکانیکی (در حدود چندین سیکل) بسیاري از بارهاي مصرفی بخصوص بارهاي حساس از مدار خارج میشوند. [6]
لازم به ذکر است که بارهاي حساس کامپیوتري قادرند مدت زمان قطعی ولتاژ تا زیر نیم سیکل را تحمل کنند. [5] لذا اگر زمان انتقال از این مقدار بیشتر شود، تداوم عملکرد این تجهیزات امکان پذیر نیست. راه حل جدید براي رفع این مشکل استفاده از ادوات الکترونیک قدرت میباشد. یکی از ادوات، کلیدهاي انتقال بار استاتیکی میباشد. این کلیدها در حداقل زمان ممکن (حدود یک چهارم سیکل) میتوانند بارهاي عظیم صنعتی و حساس را از تأثیر اغتشاشات مضر در امان نگه دارند.[2]
این وسیله را موقعی میتوان بکار برد که دو خط تغذیه مستقل در سیستم موجود باشد. بار حساس در حالت عادي از یک فیدر تغذیه میشود و به محض بروز اغتشاش ( که عموماً کمبود ولتاژ است) بار حساس از فیدر معیوب به فیدر دیگر انتقال مییابد.[6] نحوه عملکرد STSها در انتقال بار در این مقاله مورد بررسی قرار میگیرد. براي این منظور، از مدلسازي در حوزه زمان یک سیستم قدرت با شبیهسازي توسط نرمافزار PSIM استفاده شده است. [3]
2ـ ساختار کلی STS
دیاگرام یک سیستم STS در شکل (1) نشان داده شده است. سیستم از دو منبع توان مجزا تشکیل شده است [1] که عبارتند از:
1ـ منبع تغذیه اصلی (منبع اصلی(3 2ـ منبع تغذیه جایگزین.4
شکل :(1) دیاگرام یک سیستم STS
در این جا فرض براین است که بار در حالت کارکرد عادي به منبع اصلی متصل باشد. STS از دو قسمت اساسی تشکیل شده است که عبارتست از:
• مدار قدرت (شامل منبع تغذیه، خطوط و بانکهاي تریستوري)
• مدار کنترل
1ـ2ـ مدار قدرت یک STS
شکل (2) مدار قدرت سیستم شکل (1) را نمایش میدهد. کلیدها از دو بلوك تریستوري S2,S1 تشکیل شده است که بار را به منابع ولتاژ وصل میکنند. هر بلوك تریستوري از سه بخش تریستوري منطبق با سیستم سه فاز تشکیل شده است. هر مجموعه تریستوري شامل دو تریستور متصل بصورت پشت به پشت براي عبور جریان بار از هر دو طرف مثبت و منفی میباشد. سیستم STS حتی بدون وجود تریستور هم میتواند بار را تغذیه کند بنابراین کلیدهاي باي پاس مکانیکی
Ba , Bp بصورت موازي با بلوكهاي S2,S1 بکار میروند.
شکل (2) مدار قدرت STS
کلیدهاي ایزوله کننده D2p, D2a, D1p, D1a وقتی بکار میروند که بخواهیم مجموعه تریستورهاي STS را براي سرویسدهی و تعمیرات از مدار خارج کنیم. [1]
2ـ2ـ مدار کنترل STS
شکل (3) مدار کنترل یک STS را نمایش میدهد که از دو بخش عمده تشکیل شده است.
◊ آشکار سازي ولتاژ
◊ بخشهاي تبدیلی و کلیدزنی گیتهاي تریستورها
مدار کنترل باید بنحوي طراحی شود که براي مانیتورینگ کیفیت ولتاژ منابع و عملکرد انتقال بار هر مدار جوابگو باشد. ولتاژ و جریانهاي هر دو منبع، سیگنالهاي لازم براي ورودي مدار کنترل میباشند. خروجی مدار کنترل، الگوي کلیدزنی تریستورهاي منابع اصلی و جایگزین است.[1]
شکل (3) بلوك دیاگرام مدار کنترل یک STS
3ـ نحوه عملکرد کلیدهاي انتقال بار سریع
شکل (4) شکل موج ولتاژ Vo و جریان Io بارهاي متداول در شبکه را نشان میدهد.
همچنانکه در این شکل مشاهده میشود میتوان چهار ناحیه زیر را در یک سیکل مشخص کرد.
1ـ3ـ مود عملکردي 1
درناحیه 1، تریستور S1n هدایت میکند و بقیه تریستورها خاموش هستند. هنگامیکه کمبود ولتاژي در منبع تغذیه V1a رخ دهد، منطق کنترل، سیستم نغذیه بار را از منبع V1a به منبع V2a با خاموش کردن سیگنالهاي گیت تریستورهاي S1p و S1n و روشن کردن S2p و S2n انتقال میدهد. بعلت جهت جریان بار، تریستور S2n وظیفه هدایت جریان بار را به عهده
میگیرد. در این لحظه چون V0 از V2a کوچکتر است، تریستور S2n بصورت منفی بایاس شده و نمیتواند روشن شود، لذا انتقال جریان بار از S1n و S2n تا هنگامی که جریان i1a به صفر نرسیده امکان پذیر نیست.
2ـ3ـ مود عملکردي 2
در ناحیه 2، تریستور S1p هدایت میکند و جریان مثبت بار را تحت ولتاژ مثبت از خود عبورمیدهد. هنگامیکه کمبود ولتاژي در V1a در این ناحیه اتفاق بیافتد و شرایط انتقال بار فراهم باشد، تریستور S2p روشن میشود. از آنجا که ولتاژ بار کمتر از ولتاژ منبع تغذیه V2a میباشد و همچنین جهت جریان نیز موافق جهت هدایت S2p است لذا تریستور S2p
بصورت مثبت بایاس شده و در همان لحظه شروع به هدایت میکند. هنگامی که هر دو تریستور S1p و S2p همزمان هدایت میکنند، امپدانس خط در منبع تغذیه 1 یک افت ولتاژ منفی را مشاهده میکند که موجب کاهش اجباري جریان میشود. در همین لحظه، امپدانس خط تغذیه منبع 2، افت ولتاژ مثبت که نشانگر افزایش جریان خط میباشد را مشاهده میکند. انتقال جریان بار بین دو منبع موقعی کامل می شود که جریان در خط 1 به صفر و جریان در خط 2 به مقدار جریان بار برسد.[2]
شکل (5) و (6) عملکرد یک STS تکفاز در مود عملکردي 1 و 2 تحت کمبود ولتاژ 35 درصد را نشان می دهد.
شکل :(5) شکل موجهاي نمونه ولتاژ و جریان بار و دو خط تغذیه براي یک سیستم تکفاز در مود 1
شکل :(6) شکل موجهاي نمونه ولتاژ و جریان بار و دو خط تغذیه براي یک سیستم تکفاز در مود 2
4ـ استراتژي انتقال و کلیدزنی تریستورها هدف از استراتژي انتقال بار، ایجاد یک طرح کلیدزنی در مدت انتقال بار از فیدر سالم میباشد. این طرح براي انتقال بار بین
دو فیدر، در کمترین زمان ممکن و جلوگیري از موازي شدن دو منبع در لحظه انتقال بار میباشد. همچانکه در بخش قبل بررسی شد بسته به مود عملکردي (که وابسته به پلاریته جریان است) نحوه انتقال تغییر خواهد کرد. مراحل زیر اصول عملکرد منطق کلیدزنی در طی فرآیند انتقال بار را بیان میکنند. [1] که عبارتند از:
1. وقتی که یک اغتشاش (کمبود ولتاژ) یا قطعی در منبع اولیه مشاهده میشود، سیگنالهاي کلیدزنی بلوك S1 خاموش میشوند.
2. سپس منطق پس از بررسی جریان بار بسته به پلاریته جریان، یکی از کلیدهاي S2 را روشن میکند. فرض اگر S1p
روشن باشد (کهت مثبت جریان) کلید S2p بلافاصله هدایت جریان بار را بر عهده میگیرد و انتقال بار انجام خواهد شد
(مود(2
3. انتقال بار، زمانی کامل میشود که جریان منبع اصلی به کمتر از حد معین (جریان آستانه تریستور(5 کاهش یابد. دیگر کلیدهاي S2 نیز به همین صورت بسته به مود عملکرديشان کلیدزنی میشوند.
4. در بعضی مواقع کموتاسیون رخ نمیدهد یا در صورت اتفاق افتادن قبل از اینکه مود کاري تغییر بکند بصورت کامل انجام
نمیشود. بنابراین کلیدهاي منبع اصلی به هدایت خود ادامه خواهند داد. در این حالت، منطق انتقال کلیدزنی کلید منبع اصلی (S1n) را خارج میکند تا اینکه عبور از صفر جریان فرا برسد و مود عملکردي عوض شود. اگر عبور از صفر جریان رخ دهد یک تأخیر منطقی براي اطمینان از اینکه سوئیچ S1p خاموش شده و کلید S2n آتش گردیده است در نظر میگیریم.
.5 در حالتی که پلاریته جریان تغییر بکند و عبور از صفر آن آشکارسازي نشود منطق کلیدزنی، S2n را در عبور از صفر ولتاژ آتش میکند تا زمان انتقال را بهینه سازد و کمترین زمان ممکن براي انتقال بار رخ دهد. [1]
5ـ انتقال بار توسط STS در سیستم سه فاز
شکل (7) آرایش سیستم مورد مطالعه رانشان میدهد. در این شکل V1a و V2a ولتاژهاي فاز a دو خط تغذیه مستقل میباشند. تحت شرایط کارکرد ایدهآل فرض میشود که آنها هم فاز و داراي دامنه ولتاژ یکسان باشند. R1 و L1 به ترتیب
مقاومت و اندوکتانس سیستم تغذیه 1، R2 و L2 مقاومت و اندوکتانس سیستم تغذیه 2 و Ro و Lo مقاومت و اندوکتانس مدل کننده بار میباشد. بانک تریستوري S1 و S2 براي وصل و یا قطع بار به خطوط تغذیه استفاده میشود.
پالسهاي آتش گیتهاي تریستوري S1 (و یا (S2 داراي الگوي مشابهی هستند. [2] براي انتقال توان بار از یک ورودي تغذیه به ورودي دیگر (بعنوان مثال از خط 1 به خط (2، ولتاژ بار اندازهگیري و با مقدار مطلوب مقایسه میشود. هرگاه کاهش ولتاژي در خط تغذیه 1 مشاهده شود، کلیه پالسهاي آتش مجموعه کلیدهاي S1 قطع و پالسهاي آتش مجموعه کلید S2 روشن میشوند. [2]
شکل :(7) تأمین توان یک بار حساس توسط دو خط تغذیه مجزا
شکل (8) و (9) نحوه آشکارسازي سیگنال انتقال را براي دو حالت اتصال کوتاه تکفاز به زمین و تحت کمبود ولتاژ %40
نمایش می دهد.
شکل (8) نحوه آشکارسازي سیگنال انتقال را براي اتصال کوتاه تکفاز به زمین
در اتصال کوتاه تکفاز به زمین، زمان وقوع خطا 18/3ms و لحظا آشکارسازي 19/8ms است بنابراین زمان کل آشکارسازي Tdet= 1/5ms و براي حالت کمبود ولتاژ زمان وقوع خطا 17/5ms و لحظا آشکارسازي 18/5ms است بنابراین زمان کل آشکارسازي برابر است با .Tdet= 1ms
شبیه سازي انجام شده توسط نرمافزار [3] PSIM انجام شده است.
