Table of Contents
ويعد تصميم نظام قوي وموثوق لإمدادات الطاقة من أجل التشغيل الآلي للمصانع من أهم المهام الهندسية في البيئات الصناعية الحديثة، ويستخدم الإمداد بالطاقة كركيزة أساسية لنظم التصنيع الآلية، ويوفر الطاقة الكهربائية المستقرة لأجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة، والمجسات، والمواقف، والوصلات المحركة، والوصلات بينات بينية بينية بينية للمناخ البشري، وأجهزة أخرى لا حصر لها تحافظ على جودة الإنتاج.
فهم متطلبات الإمداد بالطاقة في التألق في المصنع
وتمارس نظم التشغيل الآلي للمصانع في بيئات صناعية صعبة تتسم بأهمية قصوى في مجال الطاقة وموثوقيتها وتوافرها، وتحتاج أجهزة الرقابة الصناعية مثل مركبات PLCs عادة إلى 24 فولت من طاقة DC، تختلف اختلافا كبيرا عن قدرة شركة AC المتاحة من مصادر المرافق العامة، ويشكل فهم الاحتياجات المحددة من الطاقة لكل عنصر من عناصر نظام التشغيل الآلي أساسا لتصميم إمدادات الطاقة الفعالة.
وتشمل الخطوة الأولى في أي مشروع لتصميم الإمداد بالطاقة إنشاء جرد شامل لجميع الحمولات الكهربائية في النظام، ولا يشمل ذلك طاقة التشغيل الاسمية لكل جهاز فحسب، بل يشمل أيضا الاحتياجات الحالية الجامحة أثناء بدء التشغيل، والطلبات على الطاقة خلال العملية، وأي اعتبارات خاصة مثل تيارات بدء السيارات أو حمولات الأسرى، وكثيرا ما تتضمن معدات التشغيل الآلي الحديثة مواصفات مفصلة للطاقة في صحائف البيانات التقنية، ولكن يجب على المصممين أيضا أن يحسبوا لظروف التشغيل في العالم الحقيقي.
وفي البيئات الصناعية الحديثة، يعمل كل شيء من صفائف الاستشعار إلى الأسلحة الآلية في إطار نظم مراقبة الوقت الحقيقي، ولا يمكن للإمدادات التقليدية للطاقة أن تتكيف مع الطلبات المتغيرة، ولكن يمكن للإمدادات الكهربائية القابلة للبرمجة أن تتكامل مع برامج التشغيل الآلي للمصانع للتمكين من التوحيد في الوقت الحقيقي لملامح النواتج، وقد أصبح هذا التكييف أكثر أهمية لأن مبادئ الصناعة 4.0 تؤدي إلى زيادة المرونة والاستخبارات في عمليات التصنيع.
حساب الإمداد بالطاقة الأساسية
وتشكل الحسابات الدقيقة حجر الزاوية في تصميم إمدادات الطاقة الموثوق به، وهذه الحسابات تكفل أن تكون عناصر الإمداد بالطاقة المختارة قادرة على معالجة ظروف التشغيل العادية والسيناريوهات الأسوأ دون فشل أو تدهور في الأداء.
مجموع حساب القروض وميزانية الطاقة
ويسمح تحديد حجم الطاقة وتقديرها بتحديد أي إمدادات للطاقة تكون أكثر ملاءمة لمنتجك، وكذلك مجموعات عناصركم لتبديد الحرارة بشكل أفضل، ويستلزم إنشاء ميزانية تفصيلية للطاقة القيام بصورة منهجية بفهرسة كل جهاز يسحب الطاقة من الإمدادات ويحسب مساهمته في الحمولة الإجمالية.
وينبغي أن تشمل حسابات ميزانية الطاقة عدة بارامترات رئيسية لكل جهاز:
- Nominal operating voltage and current] - The standard voltage and current draw during normal operation
- Peak or inrush current] - الحد الأقصى لليسار الذي يُرسم أثناء مرحلة بدء التشغيل أو في ظروف عابرة
- Duty cycle] - النسبة المئوية للوقت الذي يعمل فيه الجهاز على مختلف مستويات الطاقة
- ] - عدد الأجهزة المتطابقة في النظام
- Efficiency losses] - Power dissipated as heat in cables, connectors, and conversion stages
وتحسب ميزانية الطاقة تلقائياً بتلخيص استهلاك الطاقة لكل جهاز، غير أنه ينبغي ألا يضيف المصممون جميع تقديرات الطاقة الاسمية فحسب، بل إن اتباع نهج أكثر تطوراً يعتبر احتمال أن تعمل جميع الأجهزة بأقصى طاقتها في آن واحد، وأن يطبق هوامش الأمان المناسبة، وأن يحسب احتياجات التوسع في المستقبل.
وعادة ما توصي أفضل الممارسات في مجال الصناعة بتعظيم إمدادات الطاقة بالعمل بنسبة 70-80% من قدرتها القصوى على التقييم خلال الظروف العادية، وهذا الترميم يوفر عدة فوائد: فهو يقلل من الإجهاد الحراري على المكونات، ويمتد العمر التشغيلي، ويستوعب الحمولات العابرة دون أن يحفز دوائر الحماية، ويوفر قاعة رئيسية لتوسيع النظام في المستقبل.
حساب الفولطية
ويمثل انخفاض الكوابل في توزيع الطاقة أحد أكثر المصادر شيوعاً لمشكلات نوعية الطاقة في نظم التشغيل الآلي للمصانع، وحتى مع وجود إمدادات محكمة تماماً من الطاقة، فإن الانخفاض المفرط في حجم أسلاك التوزيع يمكن أن يسبب أجهزة في نهاية مسالك طويلة لا تتلقى سوى كميات غير كافية من الطوابق، مما يؤدي إلى عدم التشغيل المنتظم أو الفشل الكامل.
انخفاض الفولط في نظام توزيع العاصمة يمكن حسابه باستخدام قانون (أوم)
voltage drop = 2 × Current × Resistance × Length / 1000]
وحيثما يمثل عامل اثنين من الموصلات الإيجابية والسلبية على السواء، يقاس المجرى حاليا بالآمبر، تكون المقاومة هي مقاومة الوصل لكل وحدة (تشبه أوهام لكل كيلومتر أو أو أو أمتار لكل ألف قدم)، والطول هو المسافة الوحيدة من إمدادات الطاقة إلى الحمولة.
وبالنسبة لنظام رقم 24V DC، توصي المعايير الصناعية عادة بالحد من انخفاض الفولط إلى ما لا يزيد على 5 في المائة (1.2 في المائة) لضمان التشغيل الموثوق للأجهزة المترابطة، وقد تتطلب معدات أكثر حساسية تنظيما أكثر صرامة للفولط، حيث تبلغ نسبة الانخفاض الأقصى في الفولطية 2.3 في المائة، ويمكن للتصميم أن يقلل من انخفاض الفولط باستخدام أحجام أكبر من الموصلات، أو أن يخفض عدد الكابلات، مع التنظيم المحلي عند الحمولة، أو أن ينفذ هياكل الطاقة الموزعة.
الكفاءة وحساب فقدان الطاقة
إن تغيير أسلوب النبض في استخدام الطاقة الكهربائية أكثر كفاءة (70-85%) وأقل كثافة من أجهزة التنظيم الخطي، فهم الكفاءة أمر حاسم ليس فقط بالنسبة لحسابات تكاليف الطاقة وإنما أيضا بالنسبة للإدارة الحرارية، حيث أن جميع مظاهر عدم الكفاءة هي حرارة النفايات التي يجب أن تُفرَض.
إن تفكك الطاقة في أجهزة التنظيم الخطي أمر مستقيم للغاية: أنت فقط تسحبين حجم الناتج من حجم المدخلات وتضاعف الناتج من خلال ما هو قائم من النواتج، وبالنسبة لتبديل إمدادات الطاقة، فإن حسابات الكفاءة أكثر تعقيدا، ولكن يمكن الحصول عليها عادة من صحائف بيانات الصانع أو قياسها عمليا.
ويمكن حساب إجمالي القوة التي يجب أن توفرها مدخلات لجنة التكيف على النحو التالي:
Input Power = الناتج Power / Efficiency]
القوة تُفرّق كدفنة تساوي:
Power Loss = Input Power - Output Power]
وحسابات التفكك الحراري هذه تُفيد مباشرة بمتطلبات نظام التبريد وتصميم الضيوف وقرارات المباعدة بين العناصر، على الفولطية، والفولط السلبي حيث لا يتوقع، ودرجة الحرارة هي الأشياء الثلاثة التي تقتل الأجهزة، وهي كلها تغلي إلى درجة الحرارة، مما يجعل الإدارة الحرارية جانبا حاسما من موثوقية إمدادات الطاقة.
المحولات والمراجع
وبالنسبة لإمدادات الطاقة التي تحول طاقة المرافق التابعة لشركة AC إلى العاصمة، فإن الحجم السليم للمحولات والمصحح يكفل توفير الطاقة الكافية في ظل جميع ظروف التشغيل، واستخدام إمدادات الطاقة ذات الخط المنظم هو توفير مجموعة مستمرة من النواتج على مجموعة متنوعة من الحمولات، وكذلك تغيير في حجم المدخلات، مع افتراض أن حجم المدخلات يمكن أن يتفاوت من 95 إلى 130 في المائة.
يجب أن يُحسب اختيار المحول لمتطلبات التطويع، والقدرة الحالية، وخصائص التنظيم، والكفاءة، وينبغي أن يتجاوز تقدير درجة المحولات الحد الأقصى المتوقع للشحنة بواسطة هامش أمان مناسب، يتراوح عادة بين 20 و30 في المائة، وأن تحول دوائر البحث والتطوير إلى العاصمة، مع تشكيلات مشتركة تشمل نصف الموجات، ومجموعات متغيرة بالكامل، وكل عنصر من عناصر الإنتاج التي تصلح.
وتشمل إمدادات الطاقة غير المنظمة أربعة عناصر أساسية: محول، مصحح، مصفح، مصفح، ومقاوم للنزيف، وهذا النوع من إمدادات الطاقة هو أقل تكلفة وأكثرها موثوقية لاحتياجات الطاقة المنخفضة، غير أنه بالنسبة لتطبيقات التشغيل الآلي في المصنع التي تتطلب قدرا مستقرا من التحميل تحت حمولات مختلفة، فإن إمدادات الطاقة المنظمة ضرورية عادة رغم ارتفاع تعقيدها وتكلفتها.
منهجيات تصميم الإمداد بالطاقة
تطور تصميم الإمداد بالطاقة الحديثة من الحسابات اليدوية البحتة إلى نهج التصميم المتطورة التي تساعد على الحاسوب والتي تبسط العملية وتحسن النتائج، وقد وضع برنامج القوى العاملة في مجال الطاقة المتجددة بواسطة خبراء تطبيق الطاقة في أجهزة الأنالوج كأداة لتصميم إمدادات الطاقة وتقنينها على نحو أمثل للقيام بتصميمات لأجهزة التحكم في الطاقة الكهربائية
نهج التصميم المنهجي
وتوفر أداة تصميم نظام لوتيب كيد طريقة منهجية لتصميم البارامترات الرئيسية لإمدادات الطاقة في خمس خطوات بسيطة: الدخول في مواصفات الإمداد واختيار حل، وتحقيق الحد الأمثل من عناصر مرحلة الطاقة مع الإنذارات التلقائية، وتحقيق الحد الأمثل من كفاءة العرض وفقدان الطاقة، وتصميم تعويضات عن الثغرات، وتحقيق أقصى قدر من نقل الحمولة، وإعداد تقرير موجز.
وتشمل المواصفات الطاقة المتاحة، وفولط المدخلات، والحجم الأقصى للمدخلات الجارية، والفولط والتيارات التي يتعين توليدها، إلى جانب اعتبارات أخرى تشمل الحجم، والميزانية المالية، والتشتت الحراري، ومتطلبات الرصد البيئي، ومرورات الشحن المتوقع، والتغيرات في حجم الإمدادات، والسلامة، وتشكل هذه المواصفات الشاملة الأساس لجميع القرارات اللاحقة المتعلقة بالتصميم.
وتشمل مرحلة الهيكل تحديد الاستراتيجية العامة لتوزيع الطاقة، ويمكن أن يحدد حساب هيكلي بسيط تشكيل مراحل التحويل الفردية الأكثر فائدة من حيث الكفاءة عموما، ويجب على المصممين أن يقرروا بين إمدادات الطاقة المركزية والشحنات الموزعة، أو هياكل الطاقة الموزعة ذات الإمدادات الأصغر المتعددة، أو النهج المختلطة التي تجمع بين كلا الاستراتيجيين.
اختيار العناصر وتحقيق الاستفادة المثلى
ويصبح اختيار الدائرة المتكاملة خطوة هامة جدا، حيث أنه بمجرد اختيار دائرة متكاملة، تحدد خصائص تلك الدائرة لبقية عملية التصميم، وتدمج مراكز الإمداد الحديثة بالطاقة العديد من المهام بما في ذلك التحكم في التحول، ودوائر الحماية، والتعويضات عن التغذية المرتدة، وتبسيط التصميم، مع تحسين الأداء.
وفي الصفحة التخطيطية للشركة، يمكن اختيار جميع عناصر الطاقة مثل الموصلات والمكثفات والكهرباء من المكتبة التي توجد في موقعها مع نقرة فأر، مع ما يزيد على خمسة آلاف عنصر من العديد من البائعين الشائعين، وتعجل قاعدة البيانات هذه المكوّنة بعملية التصميم وتضمن التوافق بين أجزاء مختارة.
وتحتاج العناصر السلبية الرئيسية إلى اختيار دقيق استنادا إلى المواصفات الكهربائية، والقيود على الحجم المادي، وأهداف التكلفة، ومتطلبات الموثوقية، ويجب على الموصلات أن تعالج تيارات الذروة دون التشبع مع الحفاظ على الكفاءة المقبولة، ويجب على المكثفات أن توفر ما يكفي من التصفيف وتخزين الطاقة مع تلبية المواصفات المتعلقة بالفولط ودرجات الحرارة والعمر، وأن تولي اهتماما دقيقا لتقديرات المكونات وعوامل التحلل والظروف البيئية تكفل موثوقية طويلة الأجل في الطلب على البيئات الصناعية.
التبسيط والتحقق
وتنشأ ضرورة محاكاة كل جزء من أجزاء الإمداد بالطاقة من متطلبات السلامة والأداء، وضمان أن تكون للدائرة الخصائص الكهربائية المتوقعة، مع محاكاة برنامج سبيس تتضمن نماذج البيانات المكونية والنماذج الفرعية، ويتيح المحاكاة للمصممين التحقق من الأداء في ظل ظروف تشغيلية مختلفة قبل الالتزام بالنموذج الأولي المادي.
برمجيات برنامج سبيس تستخدم على نطاق واسع في نماذج إمدادات الطاقة، حيث أن جهاز PSpice الخاص بكادنس هو أداة محاكاة رئيسية للسبيس تجمع بين محركات تحليلية محلية، ذات إشارات مختلطة، ومحركات تحليل متقدمة، توفر حلا كاملا للتحفيز والتحقق من الدائرة، وهذه الأدوات تتيح تحليل العمليات الثابتة، والاستجابة عبر الزمن، والهومش الاستقرارية، والكفاءة عبر نطاقات التحميل، وخصائص التداخل الكهرومغناطيسي.
وتجرى حسابات الاستقرار التي أجريت في مجال الترددات، وهي سريعة جدا، أسرع بكثير من المحاكاة في المجال الزمني، مما يتيح تغيير البارامترات على أساس تجريبي مع مؤامرة مستكملة من طراز بودي توفر في ثوان، وهذه القدرة على التكرار السريع تمكن المصممين من تحقيق الحد الأمثل من التعويض عن حلقة التحكم عن التشغيل المستقرة في جميع ظروف التشغيل.
اعتبارات الموثوقية بالنسبة لموردي الطاقة الصناعية
وربما تمثل الموثوقية أكثر الخصائص أهمية في إمدادات الطاقة في تطبيقات التشغيل الآلي للمصانع، فالتطبيقات البالغة الأهمية والتي تستمر في الركض لا يمكن أن تُغلق بسبب فشل الإمداد بالطاقة، لأن الفشل الوحيد يمكن أن يكون له أثر كارثي يعادل كمية هائلة من الدخل الضائع، ويتطلب التصميم للموثوقية نهجا متعدد الجوانب يعالج نوعية المكونات، والإدارة الحرارية، ودوائر الحماية، وإعادة التكرار على مستوى المنظومة.
جيم - نوعية المكونات وترسيمها
ويعتمد موثوقية نظام الإمداد بالطاقة أساسا على نوعية عناصره المكونة وضغطها التشغيلي، وينبغي تحديد عناصر عالية الجودة من المصنعين ذوي السمعة، مع أن هذه المكونات تكون أكثر تكلفة في البداية، توفر موثوقية أعلى وأعمار تشغيلية أطول.
وتحسن معايير الصناعة، التي توصي عادة بتشغيل الموصلات شبه الموصلات بنسبة لا تزيد على 80 في المائة من أقصى درجات التطاير والتصنيفات الحالية، والمكثفات بنسبة 50-7 في المائة من الفولطية المقومة، وجميع المكونات التي تقل كثيرا عن درجات الحرارة القصوى، ويرجح أن تستمر في العمل في تصميم المنتجات على أساس قدر معين من الموثوقية، مع وجود معايير محددة من الوقت.
الإدارة الحرارية
فالإدارة الحرارية الفعالة توسّع نطاق الحياة المكوّنة وتحسن موثوقية النظام عموماً، فكل 10 درجات مئوية من انخفاض درجة حرارة التشغيل يضاعف تقريباً عمر المكونات الإلكترونية، مما يجعل التصميم الحراري عاملاً حاسماً للموثوقية، ويجب أن توفر أجهزة الإمداد بالطاقة التهوية الكافية، مع التبريد القسري للهواء في كثير من الأحيان، وهو أمر ضروري لتطبيقات الطاقة العالية.
وتسهم مصارف الحرارة، والمواد البينية الحرارية، والتنسيب الاستراتيجي في إدارة حرارية فعالة، ويمكن أن يساعد وجود أدوات متقدمة مختلفة في وضع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور - وهو خطوة حاسمة، حيث يؤثر على استراتيجيات الإدارة الحرارية اللازمة للحفاظ على درجة حرارة منخفضة على اللوحة، ويمكن أن تتنبأ أدوات المحاكاة الحرارية بأماكن ساخنة وترشد التصميم إلى أقصى حد قبل بناء النماذج الأولية.
وكثيرا ما تخضع البيئات الصناعية لإمدادات الطاقة لزيادة درجات الحرارة المحيطة، والغبار، والرطوبة، وغيرها من الظروف الصعبة، وتحمي تقديرات الضبط السليم مع الحماية الاقتحامية الملائمة العناصر الداخلية مع الحفاظ على التبريد المناسب، وتمنع عمليات رصد التدرج وحماية الإغلاق الحراري الإخفاقات الكارثة عند تجاوز ظروف التشغيل حدود التصميم.
دوائر الحماية وأجهزة السلامة
وتصان دوائر الحماية الشاملة كلا من إمدادات الطاقة نفسها والشحنات المرتبطة بها من مختلف الظروف التي تنطوي على عيوب، ويمثل الإمداد القوي بالنواتج المحمية من أجل زيادة الإنتاج، وقصر الدائرة في الإنتاج، وتجاوز حجم الإنتاج، وازدياد درجات الحرارة، الحد الأدنى من سمات الحماية لإمدادات الطاقة الصناعية.
وتشمل خصائص الحماية الأساسية ما يلي:
- الحماية الجارية - يحد الناتج الحالي من منع الضرر أثناء ظروف الحمل المفرط
- Short circuit protection] - Safely handle output short circuits without damage
- حماية شاملة ] - منع حدوث فائض في الناتج يمكن أن يلحق أضراراً بالكميات
- Undervoltage lockout] - Prevent operation when input voltage is insufficient
- Thermal shutdown] – Disables output when internal temperature exceeds safe limits
- Reverse polarity protection] - Prevents damage from incorrect wiring
وتكتسي الحماية الكبيرة أهمية خاصة في البيئات الصناعية حيث يمكن للإضرابات في البرق، والتبديل في السيارات، وغيرها من المحركات عبر الزمن أن تُحدث تسربات ضارة في الفولطية، وتلبي متطلبات معيار الانبعاثات في الفئة باء، والقاعدة EFT IEC6000-4-4 من المستوى الثالث، وتضمن القاعدة الكبيرة IEC61000-4-5 من المستوى الثالث حماية كافية من الاضطرابات الكهربائية الصناعية المشتركة.
إعادة الإمداد بالطاقة
إن إعادة الإمداد بالطاقة وسيلة هامة لزيادة موثوقية النظام، إذ أن هياكل الإمداد بالطاقة المتجددة تكفل استمرار التشغيل حتى عندما تفشل وحدات الإمداد بالطاقة الفردية، مما يجعلها ضرورية لتطبيقات التشغيل الآلي الحرجة حيث يكون الوقت غير مقبول.
وفي بعض الحالات، علينا أن نتأكد من أنه إذا فشلت إمدادات الطاقة الأولية، فإن هناك إمدادات أخرى من الطاقة الاحتياطية لتوليد الطاقة الكهربائية لمركبات PLC والأجهزة داخل هيئة مراقبة لمنع التعطل، باستخدام إمدادات طاقة زائدة بـ 24 فولت من إمدادات الطاقة في العاصمة، بحيث يمكن للآخر أن يقفز فيها عندما يتوقف العمل.
وهناك نوعان من منهجيات الإمداد بالطاقة الزائدة: التصلب الأولي/الإعادة (100 في المائة زائد عن الحاجة) والتقاسم القائم على الأسلاك الواحدة، مع تشكيلة أولية/تجديدية تربط بين ناتجي إمدادات الطاقة المتطابقة وبين نقطة مشتركة من خلال أجهزة العزل، وفي النهج الأولي/التجديدي، يعمل أحد الإمدادات كمصدر رئيسي بينما يظل الدعم جاهزاً لتحمل الحمولة إذا فشل في البداية.
ويشير مصطلح " زيادة بنسبة 100 في المائة " إلى النظم التي توفر فيها الإمدادات الاحتياطية جميع كميات التشغيل المطلوبة، في حين أن هناك نهجا آخر هو الزيادة (في عام + 1) حيث لا يوجد سوى عدد إمدادات الطاقة الحالية المقترنة بالتقاسم بالإضافة إلى إمدادات إضافية، ويتيح النهج (في عام + 1) مزايا التكلفة لتطبيقات عالية القدرة مع الحفاظ على التكرار الكامل.
2 - إن الأسلوبين 1 و 1+1 هما طريقتان موثوق بهما لإعادة التشغيل تكفلان استمرار تشغيل النظام حتى أثناء فشل الإمداد بالطاقة، مما يؤدي إلى انخفاض شديد في معدلات الانتقال إلى مرحلة الإصلاح، وتوفر هذه التشكيلات التراكمية مستويات مختلفة من الحماية وفعالية التكلفة تبعاً لمتطلبات التطبيق.
ويمكن استخدام وحدات احتياطية موازية مع إمدادات الطاقة من أجل زيادة القدرة على التشغيل لتحسين استقرار وموثوقية التشغيل عموماً في النظام، وتشمل نماذج التكرار الحديثة سمات مثل تقاسم الحمولة التلقائية، وكشف الفشل، ورصد الحالة لتبسيط التنفيذ وتحسين الموثوقية.
عناصر وتكنولوجيات الإمداد المشتركة بالطاقة
ففهم خصائص ومزايا وحدود عناصر الإمداد بالكهرباء المشتركة يمكّن المصممين من القيام باختيارات مستنيرة تُحدِّد الأداء والتكلفة والموثوقية على نحو أمثل لتطبيقات محددة.
مترجمون
وتوفر المحولات العزلة الكهربائية وتحويل الفولط بين دوائر المدخلات والنواتج التابعة لشركة AC، وفي تطبيقات الإمداد بالطاقة، تخفض المحولات قدرة شركة AC على استخدام الطاقة العالية الفولطية إلى فولت أقل تناسب التصحيح والتنظيم، ويشمل اختيار المحولات اعتبارات تقدير الطاقة، ونسبة الفولط، وخصائص التنظيم، والكفاءة، والحجم المادي، والتكلفة.
ويعمل المحولات الحديثة ذات التردد العالي المستخدمة في تحويل إمدادات الطاقة على ترددات من عشرات الكيلوهرتز إلى عدة ميغاهرتز، مما يتيح إجراء تخفيضات كبيرة في الحجم والوزن مقارنة بالمحولين التقليديين للزدحام، غير أن العمليات العالية التردد تنطوي على تحديات تصميم إضافية تشمل الخسائر الأساسية، وتأثير الجلد في الرياح، والتدخل الكهرومغناطيسي.
ويشبه الإمداد بالطاقة الحديدية إمدادات الطاقة غير المنظمة إلى حد كبير، باستثناء خصائص المحولات الحديدية التي ستوفر إنتاجا ثابتا على اختلاف واسع في حجم مدخلات المحول، حيث توفر المحولات المسببة للصدمات الكهربائية المتأصلة تنظيما متأصلا للفولط دون وجود دوائر رقابة نشطة، وإن كانت تقتصر على نطاقات تردد محددة وتكون لها كفاءة ضعيفة نسبيا.
المدققون
وتحوّل المُنتَقَات إلى العاصمة مُنَحَة للتدفق الحالي في اتجاه واحد فقط، وتشمل تشكيلات المُصحح المشتركة نصف الموجات الواحدة، وأجهزة الموجة الكاملة، وأجهزة جسر الموجات الكاملة، فضلاً عن تشكيلات ثلاث مراحل لتطبيقات الطاقة العالية، وتستخدم أجهزة الاستصلاح الحديثة عادة أجهزة الاستصلاح أجهزة الاستصلاح الوصل الفوقية السائلة أو أجهزة الاستديوكتارية، حسب الكفاءة الحالية للاختيار.
ويجب أن يُحسب اختيار الديود في تقديرات الفول العكسي القصوى، والقدرة الحالية المتقدمة، والهبوط الفولطي الأمامي، والوقت العكسي للانتعاش، والخصائص الحرارية.
منظمو المربعات
ويحافظ منظمو التبديل على إنتاج مستمر رغم التباينات في حجم المدخلات أو التيار الكهربائي، كما أن الإمداد بالكهرباء الخطي المنظم مطابق للإمدادات غير الخاضعة للتنظيم من الطاقة، إلا أن جهازاً تنظيمياً ثلاثياً يستخدم بدلاً من المقاوم للنزيف، ويحل جميع مشاكل العرض غير المنظم، ولكن أقل كفاءة لأن القائمين على التنظيم يوزعون القوة الزائدة على الحرارة.
فالأجهزة التنظيمية ذات المقاييس تقدم البساطة، والضوضاء المنخفضة، والتنظيم الممتاز، ولكنها تعاني من ضعف الكفاءة، لا سيما عندما يكون الفرق في حجم المدخلات - الناتج كبيراً، إذ أن الجهات التنظيمية ذات النتائج المنخفضة تقلل من الفرق المطلوب في الفولط، وتحسن الكفاءة في التطبيقات التي تكون فيها كميات المدخلات والنواتج متشابهة.
ويحقق المنظمون المتناوبون كفاءة أعلى بكثير من خلال التبديل السريع لمترجمي الطاقة على نحو متقطع وخارجه، والسيطرة على تضخم الناتج من خلال رطوبة نبضية أو تقنيات أخرى، كما أن تحويل إمدادات الطاقة أكثر كفاءة (70-85% من الكفاءة) وتوفير العديد من فولتات الإنتاج ذات الكفاءة العالية، غير أن أجهزة التحكم المتحولة تولد تدخلاً كهرومغناطيسياً وتتطلب أجهزة رقابة أكثر تعقيداً مقارنة بأجهزة التحكم الخفية.
الحاميون العُرّاب والقمع المُعَدِّر
وتكشف البيئات الصناعية إمدادات الطاقة لمختلف محركات الكهرباء، بما في ذلك الطفرة الناجمة عن البرق، ومحركات التحول، والتصريف الكهروستانتي، وتصان أجهزة الحماية الكبيرة الإلكترونيات الحساسة عن طريق القذف أو تحويل التداخلات العابرة قبل أن تسبب ضررا.
وتشمل تكنولوجيات الحماية المشتركة للزيادة المفاجئة موزعات أكسيد المعادن، وأجهزة إطفاء الفولط، وأشرطة تفريغ الغاز، وأجهزة الحماية المختلطة التي تجمع بين تكنولوجيات متعددة، وتتطلب الحماية الفعالة من الطفرة تنسيقاً دقيقاً لأجهزة الحماية عند مدخل متعدد المستويات، وألواح توزيع الطاقة، ومدخلات المعدات الفردية لتوفير حماية شاملة دون خلق ثغرات أرضية أو مشاكل أخرى.
ويجب أن ينظر اختيار أجهزة الحماية في الحرق، والقدرة على استيعاب الطاقة، والوقت اللازم للاستجابة، وطرق الفشل، وتوفر هياكل الحماية المتعددة المراحل حماية أعلى بتوزيع استيعاب الطاقة عبر أجهزة متعددة، مما يحول دون أن يُغنى أي عنصر واحد عن طريق عمليات نقل شديدة.
لوازم الطاقة غير المفصولة
وإذا فشلت الطاقة الكهربائية، يمكن لمصدر احتياطي للبطاريات (يشار إليه عادة باسم نظام طاقة غير متداخل، أو نظام إمدادي متعدد الأطراف) أن يلتقط الحمولة لفترة محدودة، ولا يدعم الحمولة إلا في حين تظل حمولة بطارية الشركة محملة، ولكن يحتفظ بنظام يعمل حتى يتم إصلاح خط توليد الطاقة المخفض.
وتوفر نظم خدمات البريد الإلكتروني قوة احتياطية أثناء انقطاع المرافق، وحماية معدات التشغيل الآلي الحرجة من فقدان البيانات وإجراءات الإغلاق النظامي التمكيني، وتخدم ثلاثة من الطبقات الرئيسية في نظام البريد العالمي تطبيقات مختلفة: التحولات الاحتياطية (الخطية) إلى طاقة البطاريات عندما تفشل الطاقة في المرافق، وتوفر الحماية الأساسية بتكلفة منخفضة؛ وتوفر نظاما احتياطيا للشحن بالطائرات، مع توفير فترات نقل أسرع؛ وتحميل أعلى مستوى من الطاقة الكهربائية على شبكة الإنترنت (التحويل) باستمرار.
ويتطلب تجهيز نظام المعلومات البريدية تحليلا دقيقا لاحتياجات الطاقة الحمولة، والوقت الاحتياطي المرغوب فيه، وخصائص البطاريات، والظروف البيئية، حيث تضيع نظم الاتحاد مالا وحيزا، بينما لا توفر النظم الاحتياطية الكافية أو قد تتضرر من جراء ظروف الحمولة الزائدة، ولا بد من صيانة البطاريات، بما في ذلك الاختبارات الدورية والاستبدال، لضمان موثوقية النظام عند الحاجة.
إصلاح مصانع الطاقة والتخفيف من آثارها
ويفي عامل الطاقة المرتفع الذي يزيد عن 0.97 في كل من 115 فياك و 230 فيك بنسبة 100 في المائة باللوائح الحالية للدلائل الفوقية للدواء وفقاً للرقم القياسي IEC 61000-3-2، تصحيح معامل القوة (PFC) ويحسن كفاءة تحويل الطاقة من AC إلى شركةDC، بينما يقلل من التيار المتناسق الذي يمكن أن يتداخل مع المعدات الأخرى وينتهك أنظمة المرافق.
وينجم عامل القوة السيء عن التحول التدريجي بين الفولط والحمولات الحالية في حمولات تفاعلية، وكذلك التيارات المتناسقة التي تسحبها حمولات غير خطية مثل أجهزة التصحيح، ويزيد عامل الطاقة المنخفض من تكاليف المرافق العامة، ويقلل من قدرة نظام التوزيع، ويمكن أن يؤدي إلى تشوهات في الفولطية تؤثر على معدات أخرى، كما أن دوائر تحويل المركبات تعمل على استخدام المحولات لتشكل نماذج الموجات الحالية، مما يحقق عوامل قوة تفوق 0.95 في الوقت نفسه.
ويتزايد إدماج إمدادات الطاقة الصناعية الحديثة في التصنيفات الفعالة للمركبات الكربونية الفلورية كأحد السمات القياسية، ولا سيما بالنسبة إلى ارتفاع مستويات الطاقة حيث تكون الأنظمة المتجانسة أكثر صرامة، وقد صمم هذا التصميم المرجعي دائرة إصلاحية لتصنيف القوى الكهربائية مصممة باستخدام جهاز التحكم في مركبات الكربون الكلورية فلورية في اليورانيوم - 28051، تليها محولات الترددات العمودية في كواسي - ريسون، مما يدل على إدماج هذه المركبات في حلول كاملة لتوريد الطاقة.
الاعتبارات المتعلقة بالقدرة على المنافسة الكهرومغنطيسية
ويجب على إمدادات الطاقة أن تقاوم التدخل الكهرومغناطيسي من مصادر خارجية وتتجنب توليد تدخل يؤثر على معدات أخرى، ويكفل امتثال شركة EMC التشغيل الموثوق به في البيئات الصناعية الضئيلة كهربائياً مع الوفاء بالمتطلبات التنظيمية للانبعاثات التي تجرى والمشعة.
(ج) التصميم بطبقات اتصال وعزل قوية وضمان الحصانة من الضوضاء من أجل الاندماج في البيئات المعرضة للانبعاثات، ويشمل التصميم الفعال للحركة استراتيجيات متعددة تشمل التحديد السليم للطوابق والتحميل، والتعبئة للمدخلات والمخرجات، والتصميم الدقيق لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، واختيار العناصر.
:: إجراء عمليات نقل الانبعاثات عبر كابلات الكهرباء والإشارات، مما قد يتداخل مع معدات أخرى مرتبطة بنظام توزيع الطاقة نفسه، وتزيد من الانبعاثات التي تستخدم مكونات موحدة وقائمة على اختلافات في الحركة إلى مستويات مقبولة، وتنتقل الانبعاثات المتفرقة عبر الفضاء كميادين الكهرومغناطيسية، مما يتطلب حماية المسارات الحالية العالية التردد وتركيز الاهتمام على نحو يخفف إلى أدنى حد.
وتحدد معايير الإدارة الصناعية للكيمياء البيئية مثل EN 55011، وIEC 61000-4-4 (النقل السريع السريع الكهربي)، وIEC 61000-4-5 (التحويل) أساليب الاختبار والحدود لمختلف أنواع الاضطرابات الكهرومغناطيسية، ويتفادى التصميم على استيفاء هذه المعايير منذ بداية المشروع إعادة تصميمات باهظة التكلفة والتأخيرات في مرحلة لاحقة من عملية التنمية.
لوازم الطاقة البرمجية والذكية للصناعة
اليوم تتطلب النظم الآلية حلولاً ذكية وتكيفية وتحكمية رقمياً للطاقة - معروفة أيضاً بإمدادات الطاقة الرقمية القابلة للبرمجة - والتي تزيد عن توفير الفولطية عند تواصلها، وتنظيرها الذاتي، وتدمجها بلاسقة مع الأيوت ومركبات ثلاثي النيتروجين وشبكات صناعية، مما يسمح بالتكيف في الوقت الحقيقي مع البرامترات الفولطية والراهنة والعاملة.
ويحفز التطور نحو الصناعة 4.0 والصناعات الذكية الطلب على إمدادات الطاقة بفضل قدرات متقدمة في مجالات الرصد والاتصال والمراقبة، مما يتيح التحكم الأذكى، والتنبؤ، والارتقاء بمستوى الطاقة على المستوى النظامي، وتوفر إمدادات الطاقة الرقمية قياساً زمنياً حقيقياً بما في ذلك بيانات التطاير والحاضر ودرجة الحرارة والكفاءة، مما يتيح استراتيجيات الصيانة المتوقعة التي تحدد الإخفاقات المحتملة قبل أن تتسبب في حدوث انخفاض في الوقت.
وتتيح بروتوكولات الاتصالات مثل مودبوس، وPMBus، و CANbus، وEthernet، إمكانية الاندماج في شبكات التشغيل الآلي للمصانع، وتوفير الرصد والمراقبة المركزيين، وتتيح هذه القدرة على الاتصال للمشغلين تعديل بارامترات الإمداد بالطاقة عن بعد، وسجل البيانات التاريخية للتحليل، وتنسيق إدارة الطاقة عبر نظم متعددة لتحقيق الكفاءة المثلى.
ويقتضي المرونة أن تكون نظم التصنيع قادرة على التكيف بسهولة مع متطلبات الإنتاج المتغيرة، مع استخدام إمدادات الطاقة القابلة للبرمجة في تحقيق هذه المرونة من خلال قدرتها على إعادة تشكيلها إلكترونيا، وذلك في كثير من الأحيان من خلال أوامر البرامجيات، مما يتيح لها تلبية مجموعة واسعة من الطلبات الفولطية والراهنة، مما يقلل من الحاجة إلى إمدادات متعددة من الطاقة المخصصة، وتخفيض التكاليف وتبسيط إدارة المخزون.
الاختبار والتقييم
ويصدق الاختبار الشامل على أن تصميمات الإمداد بالطاقة تفي بجميع المواصفات وتؤدي بشكل موثوق في ظروف التشغيل في العالم الحقيقي، وينبغي أن يحرز الاختبار تقدماً من خلال مراحل متعددة من التحقق الأولي من التصميم إلى مؤهلات الإنتاج النهائية.
وتؤكد اختبارات التحقق الأولي من التصميمات على الأداء الوظيفي الأساسي ومعايير الأداء، بما في ذلك دقة وتنظيم إنتاجية، وتنظيم الحمل عبر النطاق الحالي الكامل، وتنظيم خطي على نطاق مجموعة المدخلات المحددة، والكفاءة على مختلف مستويات الحمولة، والاستجابة المباشرة للخطوات الحمولة، وتحدد هذه الاختبارات أخطاء التصميم في وقت مبكر عندما تكون التصويبات أقل تكلفة.
ويخضع الاختبار البيئي إمدادات الطاقة إلى درجة الحرارة القصوى، ومستويات الرطوبة، والاهتزاز، وغيرها من الظروف التي ستواجهها في الخدمة، وينبغي أن يمتد اختبار درجة الحرارة إلى كامل نطاق التشغيل المحدد، مع إيلاء اهتمام خاص إلى التشغيل العالي الحرارة حيث تكون أشد الضغوط، ويحدد التصوير الحراري البقع الساخنة التي قد تتطلب تعديلات في التصميم لضمان التبريد الملائم.
ويعجل اختبار الموثوقية بعمليات الشيخوخة للتنبؤ بالأداء الطويل الأجل وتحديد أنماط الفشل المحتملة، ويستخدم اختبار الحياة المعجلة إمدادات الطاقة في درجات الحرارة المرتفعة ومستويات الإجهاد، ويتراكم ساعات عمل مماثلة في فترات زمنية مضغطة، ويزيد من سرعة اختبار الحياة، ويزيد من سرعة تسارع منهجيات فحص الإجهاد، ويضغط على المنتجات بصورة منهجية لتحديد نقاط الضعف في التصميم والعيوب الصناعية.
ويصدق اختبارات الرصد والتقييم على الامتثال لمعايير التوافق الكهرومغناطيسي المنطبقة، ويكفل إجراء اختبارات للانبعاثات المشعّة عدم توليد الطاقة تدخلاً مفرطاً، في حين تؤكد اختبار الحصانة أنها تعمل بصورة موثوقة في وجود اضطرابات خارجية، ويحدد اختبار الامتثال السابق أثناء التنمية المسائل المحتملة قبل إجراء اختبارات التصديق الرسمية، مما يحد من خطر حدوث حالات فشل باهظة الثمن.
تركيب أفضل الممارسات وتفويضها
:: ضمان أداء نظم الإمداد بالطاقة على النحو المصمم وتحقيق الموثوقية المتوقعة لها وعمرها، وحتى أفضل إمدادات الطاقة التي يمكن تصميمها يمكن أن تفشل قبل الأوان أو أن تؤدي أداء ضعيفا إذا ما تم تركيبها أو التكليف بها بصورة غير صحيحة.
وينبغي أن يوفر الترميم المادي التهوية الكافية للتبريد، مع إيلاء اهتمام خاص لتوجيهات التدفق الجوي وعمليات التطهير التي يحددها المصنعون، وينبغي تركيب إمدادات الطاقة في اتجاهات تعزز التبريد الطبيعي، مع استنفاد الهواء الساخن بعيدا عن العناصر الأخرى المولدة للحرارة، كما أن نظم التبريد الجوي الجبارية تتطلب الصيانة المنتظمة لضمان عمل المراوح على نحو سليم، وتظل أجهزة التصفير الجوي نظيفة.
ويجب أن تكون الاتصالات الكهربائية مجهزة على النحو المناسب، وأن تُنهى، وأن تحمي، وينبغي أن يُحسب اختيار المقاييس على كلا من القدرة الحالية على الحمل والهبوط بالفولط، مع إجراء تقدير مناسب لدرجات الحرارة المرتفعة داخل الضواحي، وينبغي أن تُنقل الاتصالات النهائية إلى مواصفات الصانع لضمان الاتصال الموثوق به دون محطات مضرة، وينبغي أن يفصل مسارات المركبات بين الطاقة وكابلات الاهتمام العالية إلى الحد الأدنى.
وتؤثر الممارسات المتعلقة بالربط والربط تأثيراً كبيراً على السلامة والتوافق الكهرومغناطيسي، إذ إن الربط البري من نقطة واحدة يوفر عادة أفضل أداء للشركة، وإن كانت متطلبات السلامة قد تُسند إلى روابط أرضية متعددة، ويمكن أن تُحدث الحلقات الأرضية - مسارات جارية غير مقصودة من خلال مرشدين أرضيين - ضوضاء وتدخلات، مما يتطلب اهتماماً دقيقاً لتركيب المباني.
وينبغي أن تتحقق إجراءات المفوضية من جميع خصائص الحماية بصورة صحيحة، بما في ذلك التجاوزات في التغلغل والتجاوزات في مهام الإغلاق الحراري، وينبغي قياس وتعديل حجم الناتج إذا لزم الأمر لحصر الانخفاض في أسعار التوزيع، كما أن اختبارات تحديد مواقع الإمداد بالكهرباء يمكن أن تحقق مشاكل في الوقت الراهن دون ارتفاع حرارة مفرطة أو تآكل في حجمه، وتوثيق التشكيلات القائمة على البناء، ونتائج الاختبارات، وأي تغييرات قيمة في المستقبل.
الصيانة وإدارة دورة الحياة
فالالصيانة الاستباقية تزيد من عمر إمدادات الطاقة وتمنع الفشل غير المتوقع الذي يتسبب في انخفاض الوقت باهظ التكلفة وينبغي أن تستند استراتيجيات الصيانة إلى توصيات الصانعين، وشدة بيئة التشغيل، ودرجة حرجة التطبيق.
ويحدد التفتيش الدوري المشاكل المحتملة قبل أن تسبب الفشل، وينبغي أن يبحث التفتيش البصري عن علامات على التسخين المفرط مثل المكونات المفككة أو مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، والروابط غير المستقرة، وتراكم الغبار، والأضرار المادية، ويمكن للتصوير الحراري أن يحدد المكونات التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة، مع بيان المشاكل المحتملة في التبريد أو تدهور المكونات.
وتتتبع القياسات الكهربائية أداء الإمداد بالطاقة على مر الزمن، وتحدد التدهور التدريجي الذي قد يشير إلى اقتراب نهاية العمر، وتوفر مقاييس الناتج والنضوج والكفاءة ودرجات الحرارة بيانات كمية لتحليل الاتجاهات، وتستدعي الانحرافات الكبيرة عن قياسات خط الأساس إجراء تحقيق واستبدال العناصر المحتملة.
ويمثل استبدال الكاباتسيتور أكثر نشاط صيانة شائع لإمدادات الطاقة، حيث أن للمكثفات الكهربائية عمرا محدودا ينخفض بدرجة حرارة التشغيل المرتفعة.
ويمكن أن تضيف تحديثات البرمجيات الإلكترونية لإمدادات الطاقة الرقمية ملامح، أو تحسين الأداء، أو تصحيح المسائل التي تم اكتشافها بعد النشر الأولي.() ويضمن الاحتفاظ بالنسخ الحالية من البرمجيات الثابتة الوصول إلى أحدث التحسينات والوصلات الأمنية لإمدادات الطاقة التي تربطها الشبكات.
الاتجاهات المستقبلية في تصميم إمدادات الطاقة الصناعية
وما زالت تكنولوجيا الإمداد بالطاقة تتطور، مدفوعة بمطالبات بزيادة الكفاءة، وزيادة كثافة الطاقة، وتحسين الموثوقية، وتعزيز الاستخبارات، وشبه الموصلات الواسعة النطاق مثل قنبل السيليكون ونيتريد غالويوم (GaN) تتيح زيادة الترددات التحويلية، وانخفاض الخسائر، والعمل في درجات حرارة مرتفعة مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية، وتترجم هذه المزايا إلى إمدادات أقل كفاءة من الطاقة الكهربائية، وتزداد كفاءة.
وأصبحت قدرات المراقبة الرقمية والاتصال سمات قياسية بدلا من خيارات أقساط، فالتكامل مع برامج الإنترنت الصناعية للأشياء (اللوت) يتيح استراتيجيات متطورة لإدارة الطاقة، والصيانة المتوقعة، وتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة في جميع المرافق، كما أن المعلومات الاستخبارية الفنية وأجهزة التكتل الألكترونية تحلل بيانات قياس القدرة عن بعد للتنبؤ بالفشل، وتعظيم الكفاءة، وتكيف تلقائيا معالم تغير الظروف.
وتوفر هياكل الطاقة الحديثة والمرتادة المرونة اللازمة لتطور نظم التشغيل الآلي، وتحسن هياكل الطاقة الموزعة مع نظام تحديد نقطة التحميل الكفاءة وتخفض خسائر التوزيع مع تبسيط التوسع في النظام، وتتيح الوحدات القابلة للاستعمال الساخنة الصيانة والارتقاء دون إغلاق النظام، وتزيد من وقت العمل في التطبيقات الحيوية إلى أقصى حد.
ولا تزال كفاءة الطاقة تدفع الابتكار في الوقت الذي تسعى فيه الجهات المصنعة إلى خفض تكاليف التشغيل وتحقيق أهداف الاستدامة البيئية، وتزيد فيه التكنولوجيات المتقدمة، وتحسن المغناطيسيات، وتحسن مقاييس التحكم، وتزيد مستويات الكفاءة إلى الحد الأمثل، وتلتقط تقنيات جمع الطاقة وتجديد الطاقة الطاقة التي ستضيع لولا ذلك، مما يزيد من تحسين كفاءة النظام عموما.
خاتمة
ويتطلب تصميم نظم موثوقة لتوريد الطاقة من أجل التشغيل الآلي للمصانع اتباع نهج شامل يشمل الحسابات الدقيقة، والاختيار المناسب للعناصر، وملامح الحماية القوية، والإدارة الحرارية الفعالة، واستراتيجيات التكرار على مستوى المنظومة، ويستخدم الإمداد بالطاقة أساسا لجميع معدات التشغيل الآلي، مما يجعل موثوقيته وأدائه أمرا حاسما في نجاح النظام عموما.
وتبسط أدوات التصميم الحديثة ومنهجيات عملية التصميم مع تحسين النتائج من خلال النُهج المنهجية، والمكتبات المكوّنة الواسعة، وقدرات المحاكاة المتطورة، ففهم المفاضلة بين مختلف أعاليات الإمداد بالطاقة، والعناصر، والهيكلات، يمكّن المصممين من تحقيق الحد الأمثل من الحلول لاحتياجات تطبيق محددة.
ومن شأن اعتبارات الموثوقية، بما في ذلك تكريس العناصر، والإدارة الحرارية، ودوائر الحماية، والهيكلات الزائدة عن الحاجة، أن تكفل استمرار التشغيل في البيئات الصناعية المتطلبة، وأن تؤدي ممارسات الإنشاء السليم، والتكليف، والصيانة إلى زيادة عمر إمدادات الطاقة ومنع حدوث حالات فشل غير متوقعة.
ومع تطور نظم التشغيل الآلي للمصانع نحو زيادة المعلومات الاستخبارية والوصلات في إطار مبادئ الصناعة 4.0، يجب أن توفر إمدادات الطاقة الكهربائية الموثوقة ليس فقط، بل أيضا قدرات الاتصالات والرصد والمراقبة التكييفية.
وبتطبيق المبادئ والحسابات وأفضل الممارسات المبينة في هذا الدليل، يمكن للمهندسين تصميم نظم الإمداد بالطاقة تلبي متطلبات التشغيل الآلي الحديثة في المصنع، مع توفير الموثوقية والأداء اللازمين لاستمرار التشغيل الفعال من حيث التكلفة، ولزيادة الموارد المتعلقة بتصميم الإمداد بالطاقة والتشغيل الآلي الصناعي، بزيارة الجمعية الدولية للتلقائية و[FLT:]