تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ ( AVR ) در ژنراتور

1. تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ AVR در ژنراتور

دیزل ژنراتورها نقش بسیار مهمی در تامین یک منبع تغذیه مطمئن و مداوم در کاربردهای مختلف از جمله صنایع، مؤسسات تجاری و سیستم‌های برق اضطراری دارند. یکی از اجزای کلیدی که به افزایش راندمان و پایداری دیزل ژنراتور کمک می‌کند، تنظیم کننده ولتاژ اتوماتیک (Automatic Voltage Regulator) است. در این مقاله به اهمیت AVR در دیزل ژنراتورها و نقش آن در تثبیت ولتاژ خروجی و پایداری آن خواهیم پرداخت.

 2.  AVR چیست؟

AVR یک تجهیز ضروری در سیستم کنترل دیزل ژنراتور است که وظیفه اصلی آن تنظیم و نگهداشت ولتاژ ژنراتور در محدوده‌های مشخص شده و تامین پایدار و ثابت توان الکتریکی است. AVR با تنظیم جریان تزریقی به سیم‌پیچ استاتور تحریک، جریان رتور ژنراتور را تغییر داده که باعث ثابت ماندن ولتاژ خروجی ژنراتور در بارهای متغیر می‌گردد. AVR ولتاژ خروجی ژنراتور به طور ثابت حفظ می‌کند و در حالت سنکرون توان راکتیو خروجی دیزل ژنراتور را تنظیم می‌کند. اگر ولتاژ ژنراتور ثابت نباشد و نوسانات بیش از حد داشته باشد، ممکن است عملکرد ژنراتور تحت تأثیر قرار گرفته و مصرف کننده‌ها دچار آسیب شوند.

3. مکانیزم عملکرد AVR در ژنراتور

اساس کار تمامی AVR‌ های آنالوگ بر مبنای یک سیستم کنترلی حلقه بسته PID(Proportional-Integral-Derivative) می‌باشد. به زبان ساده هنگامی که ولتاژ خروجی ژنراتور با مقدار ست پوینت اختلاف داشته باشد (خطا)، عملکردهای کنترلی AVR متوجه این مقدار خطا شده و بلوک تناسبی (Proportional) با توجه به میزان خطا، خروجی AVR را تغییر می‌دهد. تا زمانی که این مقدار خطا وجود دارد، بلوک انتگرال‌گیر (Integral) به طور مداوم خروجی AVR را کاهش یا افزایش می‌دهد تا مقدار خطا را اصلاح کند. نرخ تغییرات خطا توسط بلوک مشتق‌گیر (Derivative) تشخیص داده می‌شود و متناسب با آن یک ورودی به سیستم کنترل کلی ارسال می‌شود تا نوسانات خروجی را مهار و پایداری آن را تسهیل کند.  این فرایند برای AVR های آنالوگ بوده و AVR های دیجیتال مکانیزم متفاوتی در تنظیم ولتاژ خروجی دیزل ژنراتور دارند.

4. وظایف کلیدی AVR در دیزل ژنراتور

1. تنظیم ولتاژ: وظیفه اصلی AVR ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی ژنراتور، بدون توجه به تغییرات بار یا دور ژنراتور است. این امر برای عملکرد مناسب تجهیزات الکتریکی که توسط دیزل ژنراتور تغذیه می‌شوند بسیار مهم است. زیرا بسیاری از دستگاه‌ها به نوسانات ولتاژ حساس هستند.
2. پاسخ بار: AVR نقش مهمی در پاسخ به تغییرات بار اعمال شده به دیزل ژنراتور ایفا می‌کند. هنگامی که بار دیزل ژنراتور تغییر می‌کند، AVR جریان تحریک را تنظیم نموده تا از ثابت ماندن ولتاژ خروجی ژنراتور اطمینان حاصل نماید
3. پایداری فرکانس: علاوه بر تثبیت ولتاژ، AVR به پایداری فرکانس توان خروجی ژنراتور نیز می‌کند.
4. ویژگی حفاظتی : AVR برای حفاظت ژنراتور در برابر Over Voltage و Under Voltage ناشی از بارگذاری‌های لحظه‌ای ولتاژ خروجی ژنراتور را به گونه‌ای تنظیم می‌کند تا از آسیب رسیدن به سیم‌پیچ‌های جلوگیری شود.
5. بهبود عملکرد ژنراتور: AVR با تثبیت ولتاژ و فرکانس، به عملکرد و کارایی دیزل ژنراتور کمک می‌کند و این منجر به بهبود قابلیت اطمینان و طول عمر سیستم دیزل ژنراتور می‌شود.

5. اجزای AVR

هر تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ در یک ژنراتور دارای  سه قسمت اصلی است:

1. مدار نمونه‌گیر: این قسمت از ولتاژ خروجی ژنراتور نمونه گرفته و فیدبک ولتاژ ژنراتور را برای کنترلر AVR ارسال می‌کند.
2. مدار کنترلر: سیگنال‌های فیدبک مدار نمونه‌گیر را پردازش کرده و جریان تحریک مورد نیاز برای حفظ ولتاژ را تعیین می‌کند.
3. سیستم تحریک: توان مورد نیاز AVR را تامین می‌کند.

در واقع AVR دارای دو ورودی، یک خروجی و یک مقدار رفرنس است. نمونه ولتاژ خروجی ژنراتور و تغذیه ورودی‌های AVR بوده و خروجی آن جریان تحریکی است که به سیم‌پیچ میدان اعمال می‌گردد.

6. توان ورودی AVR

AVR توان ورودی مورد نیاز خود را از طریق یکی از روش‌های مورد استفاده برای سیستم تحریک ژنراتور که در مقاله مقایسه سیستم‌های تحریک در ژنراتورها بیان گردید، دریافت می‌کند. به منظور عملکرد صحیح AVR برای تامین جریان تحریک در حالات مختلف مخصوصا در حالات گذرا، باید یک منبع توان قدرتمند و کافی موجود باشد و تفاوت سیستم‌های تحریک مختلف در روش تامین همین توان می‌باشد. بدون این منبع توان، ممکن است سیستم در بازیابی ولتاژ حین استارت الکتروموتورها و یا حالات‌ گذار و خطاها دچار مشکل شده و این امر می‌تواند منجر به آسیب رسیدن به الکتروموتورها در لحظه استارت و خاموش شدن ژنراتور به دلیل از دست رفتن تحریک گردد. انواع سیستم‌های تحریک مورد استفاده برای تامین توان مورد نیاز AVR عبارتند از:

• سیستم تحریک موازی (Shunt)
• سیستم تقویت تحریک (EBS)
• ژنراتور آهنربای دائم (PMG)
• سیم‌پیچ جانبی (AUX)

7. انواع AVR در ژنراتورها

از نظر نوع ساخت، AVR می‌تواند تاثیر بسزایی در توانایی هر یک از انواع سیستم‌های تحریک ژنراتور داشته باشد. ما دو نوع SCR و FET را در ساخت AVR  مورد بحث قرار خواهیم داد که در هر دو مدل ورودی‌های مربوط به نمونه ولتاژ و توان ورودی AVR مجزا و مستقل می‌باشد.

7.1-   AVR نوع SCR (Silicon Controller Rectifier)

AVR نوع SCR ولتاژ خروجی آلترناتور را به عنوان نمونه دریافت و از این نمونه برای زمان‌بندی تریگر تریستورهای یکسوکننده در AVR استفاده کرده و زمان روشن و خاموش شدن سوییچ‌ها را مشخص می‌کند. در این نوع AVR ها تریستورهای مدار SCR، براساس سطح ولتاژ خروجی ژنراتور تریگر شده و هنگامی که شکل موج ولتاژ از نقطه صفر عبور می‌کند، تریستورها خاموش می‌شوند. مدت زمانی که سوئیچ‌های SCR روشن هستند، مقدار توان ارسالی به سیم‌پیچ میدان و متعاقبا جریان تحریک را مشخص می‌نماید.

شکل موج‌های ولتاژ خروجی  ژنراتور، زمان تریگر و ولتاژ تحریک در یک موج بدون هارمونیک برای AVR نوع SCR

ایراد AVR نوع SCR این است که در هنگام تغذیه بارهای غیرخطی و ایجاد هارمونیک در شکل موج ولتاژ خروجی، تریستورهای SCR در زمان نادرست خاموش می‌شوند و باعث می‌شود که سیستم تحریک جریان مورد نیاز خود برای تثبیت ولتاژ خروجی ژنراتور را دریافت نکند.

شکل موج‌های ولتاژ خروجی ژنراتور، زمان تریگر و ولتاژ تحریک در یک موج هارمونیکی برای AVR نوع SCR

همانگونه که در شکل فوق مشاهده می‌شود، هنگامی که شکل موج ولتاژ هارمونیکی در خروجی ژنراتور داشته باشیم، SCR به اشتباه عبور شکل موج از نقطه صفر را تشخص داده و تریستورهای آن خاموش می‌شوند که نتیجه آن توان ناکافی در سیستم تحریک می‌باشد. استفاده از AVR نوع SCR در برخی از سیستم‌های تحریک مانند تحریک موازی (Shunt) یا تقویت تحریک (EBS) به دلیل تاثیر هارمونیک‌ها بر زمان روشن بودن تریستورهای AVR هرگز توصیه نمی‌شود.

7.2- AVR نوع FET (Field Effect Transistor)

AVR نوع FET دارای مزایای بسیاری است که برای هر چهار مدل سیستم تحریک ذکر شده، بهبود عملکرد را در رابطه با بارهای غیر خطی به همراه دارد. در AVR نوع FET، ولتاژ ژنراتور از طریق نمونه‌گیری از خروجی اندازه‌گیری می‌شود و متناسب با آن، Duty Cycle موج PWM اعمالی به سیم‌پیچ تحریک و طبع آن جریان تحریک مشخص می‌شود. AVR نوع FET چالش‌های مربوط به تشخیص عبور شکل موج ولتاژ از صفر را نداشته که آن را برای استفاده در تمامی سیستم‌های تحریک ژنراتور مناسب می‌سازد.

شکل موج‌های ولتاژ خروجی ژنراتور، زمان تریگر و ولتاژ تحریک در یک موج هارمونیکی برای AVR نوع FET

8. AVR در دیزل ژنراتورهای کامینز پاور

دیزل ژنراتورهای کوپل فابریک شرکت Cummins Power Generation از سیستم کنترلی یکپارچه Power Command Controller که به اختصار PCC گفته شده استفاده می‌کنند و وظیفه تنظیم خودکار ولتاژ نیز بر عهده PCC می‌باشد. در PCC3.3  تنظیم اتوماتیک ولتاژ از نوع دیجیتال بوده و برد AUX 103 AVR Power Stage تنظیم ولتاژ را به عهده داشته و کلیه ست پوینت‌ها، بهره‌ها و ثابت‌های زمانی AVR به صورت دیجیتال تنظیم می‌گردد. با توجه به اینکه ژنراتورهای STAMFORD مورد استفاده در دیزل ژنراتورهای کامینز پاور دارای سیستم تحریک PMG بوده، توان ورودی مورد نیاز AVR نیز مستقل از خروجی ژنراتور تامین شده و این امر بهبود عملکرد دیزل ژنراتور در هنگام شرایط گذرا مانند اتصال کوتاه با راه اندازی الکتروموتورها را به دنبال دارد. همچنین یکپارچگی سیستم کنترلی PCC ارتباط موثر بین AVR و پردازنده اصلی PCC را به همراه دارد که یکی از چندین مزایای آن، حفاظت AmpSentry  است. حفاظت AmpSentry به طور انحصاری در سیستم‌های‌ کنترلی دیزل ژنراتورهای ساخت شرکت کامینز پاور مورد استفاده قرار می‌گیرد. این حفاظت با استفاده از جریان تحریک، جریان خطا را در هنگام اتصال کوتاه به گونه‌ای کنترل می‌کند که علاوه بر جلوگیری از آسیب حرارتی سیم‌پیچ‌های ژنراتور، امکان  Selective Coordination نیز فراهم شده و هماهنگی  حفاظتی دیزل ژنراتور  با تجهیزات حفاظت‌ شبکه بالادست حاصل گردد.