بهینه سازی ولتاژ

گاهی اوقات برای شکستن یک مهره، ممکن است از یک چکش بزرگ با نیروی بسیارزیاد استفاده کنید، درحالی که آن مهره با نیروی کمتر نیز قابل شکست بوده است. این پدیده دقیقا همان چیزی است که درباره‌ی برق و الکتریسیته نیزرخ می‌دهد. ولتاژ، معادل نیروی الکتریسیته است. اغلب لوازم الکتریکی و وسایل کوچک برقی با ولتاژ بسیار بیشتر از حد مورد نیازآنها تغذیه میشوند.استفاده از یک "چکش برقی الکتریکی" برای شکستن یک مهره الکتریکی در مصرف هزینه و انرژی زیاده‌روی می‌کند و عمر تجهیزات الکتریکی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. اگر یک کارخانه با تعداد زیادی از تجهیزات با مصرف انرژی و توان بالا دارید، استفاده بیش از حد ولتاژ، ممکن است بین 10-20 درصد به صورتحساب برق کارخانه بیفزاید و این اتفاق پدیده‌ای مضر هم برای جهان صنعتی و هم برای اقتصاد تلقی می‌شود. بهینه سازی ولتاژ تجهیزات به عنوان راه حلی است که با اصلاح ولتاژ، تثبیت، یا کاهش آن، می‌توانید همواره میزان برق موردنیاز تجهیزات را به طور منظم دریافت کنید. در ادامه توضیحات جامع تری در این باره ارائه خواهد شد.

گاهی اوقات برای شکستن یک مهره، ممکن است از یک چکش بزرگ با نیروی بسیارزیاد استفاده کنید، درحالی که آن مهره با نیروی کمتر نیز قابل شکست بوده است. این پدیده دقیقا همان چیزی است که درباره‌ی برق و الکتریسیته نیزرخ می‌دهد. ولتاژ، معادل نیروی الکتریسیته است. اغلب لوازم الکتریکی و وسایل کوچک برقی با ولتاژ بسیار بیشتر از حد مورد نیازآنها تغذیه میشوند.استفاده از یک “چکش برقی الکتریکی” برای شکستن یک مهره الکتریکی در مصرف هزینه و انرژی زیاده‌روی می‌کند و عمر تجهیزات الکتریکی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. اگر یک کارخانه با تعداد زیادی از تجهیزات با مصرف انرژی و توان بالا دارید، استفاده بیش از حد ولتاژ، ممکن است بین ۱۰-۲۰ درصد به صورتحساب برق کارخانه بیفزاید و این اتفاق پدیده‌ای مضر هم برای جهان صنعتی و هم برای اقتصاد تلقی می‌شود. بهینه سازی ولتاژ تجهیزات به عنوان راه حلی است که با اصلاح ولتاژ، تثبیت، یا کاهش آن، می‌توانید همواره میزان برق موردنیاز تجهیزات را به طور منظم دریافت کنید. در ادامه توضیحات جامع تری در این باره ارائه خواهد شد.

بهینه سازی ولتاژ

بهینه سازی ولتاژ

شکل۱٫مفهوم بهینه سازی ولتاژ: تبدیل امواج خط تغذیه در اشکال و اندازه های مختلف به امواج با شکل و اندازه مناسب.

چرا ولتاژ می‌تواند به عنوان یک مشکل بروز پیداکند؟

همیشه متوجه شده اید که تمام وسایل کوچک و عجیب و غریب خانگی از ولتاژهای کمتری استفاده می‌کنند. در واقع لوازم بزرگتر برای کنترل ولتاژ تغذیه منازل، به طور معمول ۱۱۰ ولت یا ۲۳۰ ولت، ولتاژ نیاز دارند درحالی که ابزارهای کوچکتر به ولتاژ تغذیه کمتری نیاز دارند. به عنوان مثال، یک چراغ قوه ۳ ولت، یک دوربین ۴ ولت، یک موبایل یا پخش کننده سی دی ۶ ولت، یک لپ تاپ ۲۰ ولت ولتاژ برای تغذیه نیاز دارند.

منابع آزمون نظام مهندسی تاسیسات برقی

آمادگی آزمون نظام مهندسی پایه ۳ تأسیسات برقی

در ابزارهای بزرگتر، به عنوان مثال در موتوریخچال یا جاروبرقی برای اینکه جریان در دستگاه شارش داشته باشد، به ولتاژ یا در واقع همان نیروی بزرگتری نیاز است. در واقع برای شکستن یک مهره‌ی بزرگ، یک چکش بزرگتر نیاز خواهیم داشت. میزان توان مصرفی دستگاه‌های الکتریکی با ولتاژ آنها متناسب است. استفاده از تجهیزاتی که زندگی را آسان‌تر می‌کنند، اما در عوض از توان و ولتاژ زیادی بهره می برند، منطقی به نظر نمی رسد. برای نمونه، یک خشکن کن لباس را درنظر بگیرید که با ولتاژ ۱٫۵ ولت کار می‌کند. بدیهی ست که زمان زیادی باید صرف شود تا این خشک کن با این توان بتواند لباس ها را خشککند و یک وسیله با این مشخصات ولتاژ تغذیه برای این عمل، کافی به نظر نمی رسد. اما یک خشک کن ۱۱۰ تا ۲۲۰ ولت به خوبی اینکار را می‌تواند در مدت زمان کوتاه تری با کیفیت بهتر به انجام برساند.

بهینه سازی ولتاژ

شکل۲٫ اساس طراحی نیروگاه ها بر این است که با استفاده از تنظیم کننده های ولتاژ، آمپرمترها و واتمترها ولتاژهایی ثابت و هماهنگ در توپولوژی شبکه تولید کنند. تصویر بالا، تجهیزات تنظیم  توان در یک اتاق کنترل پروژه هیدرولیک را نشان می‌دهد.

اضافه ولتاژ

اگر برق یک نیروگاه قطع شود، هیچ شرکتی ایده یا طرحی برای رفع این مشکل ندارد. در صنعت، میزان ولتاژ بیشتری برای راه اندازی دستگاه‌ها در مقایسه با ولتاژ مصرفی در منازل استفاده می شود. اما با این حال، یک ناسازگاری بین ولتاژ مصرفی و ولتاژ واقعی موردنیاز در منازل وجود دارد.اکثر ماشین های الکتریکی ساخته شده باید در ولتاژ های مختلف و در کشورهای مختلف کارکنند.به عنوان مثال، اگر از یک ماشین تراش برقی ساخت آلمان در کشورهای اروپایی استفاده شود،باید در ولتاژهای ۲۰۰ تا ۲۵۰ ولت کارکند درحالی که این ماشین برای راه اندازی در خودکشور سازنده اش، به ۲۳۰ ولت ولتاژ نیاز دارد. هرچه میزان ولتاژ موردنیاز بیشترمی شود، ۱۰ درصد انرژی بیشتری مصرف خواهد شد در نتیجه دستگاه داغ تر شده و از عمرمفید آن به طور قابل توجهی کم می‌شود.

بهینه سازی ولتاژ

شکل۳٫ میزان ولتاژ تغذیه مصرفی در سراسر جهان: همانطور که می‌دانید ولتاژ منبع تغذیه در سراسر جهان متفاوت است. به طور کلی دو گروه مرزبندی مصرف ولتاژ درجهان وجود دارد:گروه اول که تقریبا بین  ۱۰۰-۱۳۰ ولت است و متعلق به آمریکای شمالی و اقیانوس آرام است و گروه دوم بین ۲۲۰-۲۴۰ ولت متعلق به نواحی دیگر. این موضوع اختلاف ولتاژ در واقع به عنوان یک مشکل برای تولید کنندگان محصولات برقی محسوب می‌شود. با این حال این مشکل برای کشورهای اروپایی کمرنگ تر است زیرا محدوده ولتاژها در این کشورها به یکدیگر نزدیکترهستند و اختلاف چندانی ندارند.

هارمونیک ها و نویزهای گذرا

یک مسئله مهم دیگر این است که ولتاژی که منازل دریافت می کنند، به طورچشمگیری می تواند از ساعت به ساعت ویا حتی دقیقه به دقیقه و ثانیه به ثانیه، به علت نوسانات تقاضا وعرضه تغییرکند. به عنوان مثال، روشن و خاموش شدن تجهیزات یک کارخانه در نزدیکی مناطق مسکونی، می تواند منجر به ایجاد اسپایک های کوچک در توان شود و تمام ساختمان های حوالی خود را تحت تاثیر قرار دهد. اسپایک ها یا سرج ها می توانند حتی زمانی که به طور مثال همه مردم در بازه‌ی زمانی ای از روز، معمولا عصرها، شروع به پخت و پز می کنند نیز ایجاد شوند و یک ولتاژ تغذیه ثابت ۲۳۰ ولتی با ایجاد ۱۰ درصد تغییردرآن بین ۲۱۰ تا ۲۵۰ ولت نوسان پیدا می کند.

از دیدگاه تئوری، برق در اثر تغییریک موج سینوسی جریان متناوب تولید می شود یعنی به طور معمول در برق شهر، این نقاط فرود و فراز منحنی نزدیک به ۵۰-۶۰ بار در یک ثانیه تغییر می‌کنند. منابع تغذیه AC  ای که شامل امواج فرکانس بالا و نامنظم می شوند، هارمونیک نام دارند که با ایجاد گرمای بیش از حد برای تجهیزات، به آنها آسیب می رسانند و باید حتما فیلتر شوند.

بهینه سازی ولتاژ

شکل۴٫ یک موج جریان متناوب مطلوب، باید در الگوی موج سینوسی هموار باشد. اگر این الگو بطور نامنظم تغییر کند، به تجهیزات آسیب می رساند.

هارمونیک در ولتاژ تا چه اندازه می تواند خطرناک باشد؟

اکثر ما ازمشکلات ناشی از تغییرهارمونیک در ولتاژ مطلع نیستیم و از وسایلی مانند لپ تاپ، تلفن همراه، مسواک برقی و غیره استفاده می‌کنیم که ترانسفورماتور داخلی و منبع تغذیه معمولی(۱۱۰-۱۲۰ ولت در آمریکای شمالی و منطقه اقیانوس آرام ویا ۲۲۰-۲۴۰ ولت در اروپا و مناطق دیگر) دارند تا ولتاژ تغذیه ورودی را به ولتاژ درست و متناظر با هر دستگاه تبدیل کند. دربرخی از کسب و کارها همین ناسازگاری بین ولتاژ عرضه و ولتاژ واقعی موردنیاز برای تجهیزات، به عنوان یک مشکل به حساب می آید و هزینه زیادی دراین راه بیهوده از دست می رود.

بهینه سازی ولتاژ

شکل۵٫ تصویری از وسایل الکترونیکی خانگی که از ولتاژ کم استفاده می کنند و هریک دارای ترانسفورماتور کوچکی هستند.این تجهیزات از ولتاژ ۲۳۰ ولت استفاده می کنند اما برای کابردخاص خود،از ولتاژ کمتری استفاده می کنند. ولتاژ موردنیاز برای مبدل مودم ۱۸ ولت، شارژر تلفن همراه ۵٫۹ ولت و شارژر آی پد ۱۲ ولت است.

بهینه سازی ولتاژ

برای حل مشکل تبدیل بهینه ولتاژ دو راه حل وجود دارد. راه حل اول این است که یک ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ بسازید تا ولتاژ ورودی سطح بالا را به سطح پایین تر، دقیقا مطابق با آنچه که واقعا نیاز دارید تبدیل کنید. کارخانه ها و ادارات با استفاده ازایستگاه های ترانسفورماتوری درون سازمانی، با تنظیم نسبت بین ورودی و خروجی ولتاژ این مشکل را تاحدودی برطرف می کنند. بدین ترتیب، با افزودن ترانسفورماتورکاهنده، ولتاژ منبع برق بیرونی به ولتاژ موردنیازکاربردی خود تبدیل می کنند. اما همانطور که گفته شد، این رویکرد تنها راه حل مسئله‌ی ولتاژ نیست. درصورتی که ولتاژ کمی از شبکه برق دریافت شود و با استفاده از ترانسفورماتورهای کاهنده، میزان آن مجددا کاهش یابد، مشکلات بیشتری ایجاد می شود.

بهینه سازی ولتاژ

شکل۶٫ تصویری از یک ترانسفورماتور کاهنده که ولتاژ بالا از کابل برق را به یک ولتاژ پایین برای خانه ها و کارخانه ها تبدیل می کند. با اعمال تنظیمات نسبت ورودی و خروجی، می توان به ازای یک ورودی ثابت، ولتاژهای خروجی بالاتر یا پایین تر به دست آورد.

راه حل دوم و بهتربرای حل این مسئله آن است که از تجهیزات خاص بهینه سازی ولتاژ استفاده شود به گونه ای که با افزایش یا کاهش ولتاژ، تغییرات ولتاژ در یک باند معلوم باشد.دستگاه هایی که این کار را انجام می دهند، رگولاتورهای ولتاژ، بهینه سازهای ولتاژ، تثبیت کننده های ولتاژ یا اصلاح کننده‌های ولتاژ نام دارند و نیازی به تعمیر و نگهداری یا نظارت ندارند و سالیان سال به خوبی کار می‌کنند. این تجهیزات همچنین می توانند اسپایک ها و هارمونیک ها را فیلتر کنند.

تنظیم کننده های ولتاژ در شرایط مختلفی کار می‌کنند. ترانسفورماتورهای فرو رزونانس که ترانسفورماتور ولتاژ ثابت یاCVTS نیز نامیده می شوند، مانند ترانسفورماتورهای معمولی هستند اما حاوی قطعات اضافی مانند یک خازنو کویل رزونانسساخته شده در سیم پیچی داخلی هستند. معمولا ابتدا “ورودی” و سپس “خروجی”یک ترانسفورماتور وصل می شوند و هرگونه تغییر در ولتاژ اولیه به طور مستقیم در ولتاژ ثانویه منعکس می‌شود. اگر ولتاژ اولیه افزایش پیدا کند،جریان مغناطیسی القاء شده در هسته ترانسفورماتور افزایش می یابد و ولتاژ ثانویه نیز افزایش خواهد یافت. مدار اضافی در ترانسفورماتور فرو رزونانس، شار مغناطیسی بخش ثانویه را در یک مقدار ثابت حفظ می‌کند و حداکثر شارش جریان در قسمت اولیه اتفاق می‌افتد. این ویژگی باعث می‌شود که ترانسفورماتور،یک ولتاژثابت یا کمتر و بیشتر تولید کند و معمولا حتی در صورت تغییرات کم ولتاژ ورودی،ولتاژ خروجی بین ۱ تا ۳ درصد نوسان داشته باشد.

بهینه سازی ولتاژ

یکی دیگر از تنظیم کننده های ولتاژ که ساده ترین آنها نیز محسوب می شود، بر اساس اندازه گیری ولتاژ امواج تغذیه ورودی و مقایسه آن با میزان ولتاژ مورد انتظارکار می کنند.اگر ولتاژ ورودی بیش از حد باشد،یک موج ثانویه هم اندازه اما در فاز مخالف ایجاد می‌کند تا بتواند مقدار ولتاژ دقیق را بسازد. بنابراین اگر ولتاژ ورودی، به مقدار ۲۵۰ ولت افزایش یابد، رگولاتور را باید در ۲۲۰ ولت تنظیم کرد تا موجی معادل با ۳۰ ولت به ۲۵۰ ولت اضافه کند و توان موردنیاز برای ساخت شکل موج ۲۲۰ ولت را فراهم سازد. دراینگونه مواقع حتی اگر ولتاژ تغذیه ورودی به ۲۴۰ ولت کاهش یابد، میزان ولتاژ تنظیم ۲۰ ولت خواهد شد تا بتواند همواره ولتاژ خروجی را در ۲۲۰ ولت ثابت نگه دارد.

هزینه استفاده از رگولاتور ولتاژ، معمولا گران تر از یک ترانسفورماتور کاهنده است اما می تواند نیمی از انرژی را دوباره ذخیره کند و در صرفه جویی انرژی بین ۱۰الی ۲۰ درصد نقش داشته باشد. لازم به ذکر است واحد های بزرگ حاضر به صرف چنین هزینه هایی برای استفاده بیشتر و طولانی مدت از تجهیزات هستند.

بهینه سازی ولتاژ

شکل ۷٫ در ابتدا ممکن است تصور کنید تمامی لوازم خانگی الکتریکی از تغذیه ۱۱۰ ولت یا ۲۲۰ و ۲۴۰ولت بهره می برند درحالی که بسیاری از این وسایل ولتاژ ورودی را به ولتاژ دیگری تبدیل می کنند. مدار کوچکی که در شکل بالا مشاهده می کنید بر پایه تکنولوژی جدید لامپ های فلورسنتاست که با افزایش فرکانس تغذیه، میزان روشنایی را بیشتر و در مصرف انرژی بسیار موثر عمل می کند.

نحوه‌ی بهینه سازی ولتاژ در منزل

تجهیزات بهینه سازی ولتاژبسیار پیچیده هستند و در تمامی امور بزرگ و صنعتی از آنها استفاده می شود. اما در حال حاضر،نسخه های کم حجم این تجهیزات مورد تولید انبوه قرارگرفته اند. یکی از ابزارهای بهینه سازی ولتاژ کم حجم تولید شده که توسط VPhaseتولید شده است، برای کاهش برق تغذیه منازل از ۲۴۰-۲۵۰ولت تا یک سطح سازگارتر، حدود۲۲۰ ولت کاربرد دارد.واحدهای بهینه سازی ولتاژکوچک دربرابر هارمونیک‌ها و نویزها محافظت نمی شوند اما برای برخی از کاربردها مانند خاموش کردن ترموستات ها مناسب واقع می شوند.

نتیجه گیری

همانطور که مشاهده کردید، ولتاژ خروجی موردنیازبه ازای دریافت ولتاژورودی کم بابهینه سازی ولتاژ به دست می آید. این پدیده، در ابتدا به نظر می رسد که قانون فیزیکی”تبدیل انرژی” را نقض می‌کند.طبق این قانون، با ورود انرژی یا هوای کم، نمی توان انرژی یا هوای بیشتر به دست آورد پس در نتیجه اگر انرژی ورودی به یک دستگاه کاهش یابد،انرژی بیشترحاصل نمی شود.اگر رگولاتور ولتاژ، میزان ولتاژ ورودی راکاهش دهد در واقع مانند یک موتور صنعتی با دور کند عمل می کند و باعث می شود تجهیزاتی همچون یخچال و فریزر یا کولر به خوبی عمل خنک کردن را انجام ندهند.

به عنوان مثالی دیگر، اگر ولتاژ ورودی یک موتور را بیش از حد افزایش دهید، این موتور سریعتر نخواهد چرخید و انرژی اضافی رابه صورت گرما آزاد می کند. در اینصورت اگر ولتاژ ورودی را کاهش دهید، به تبع آن میزان گرمای تلفی و انرژی کافی موردنیاز برای چرخیدن موتور را نیز کاهش می دهید. در حالت ایده آل، با کاهش ولتاژ ورودی موتور، راندمان آن باید بیشترگردد.

به یاد داشته باشید اگر دستگاه ها را باولتاژ یا جریان زیاد راه اندازی کنید، از عمر مفید آنها به سرعت کاسته خواهد شد پس در واقع افزایش عمر تجهیزات الکتریکی منافع اقتصادی و زیست محیطی زیادی را در پی خواهد داشت.همچنین لازم به ذکر است که اگر ولتاژ ورودی را بیش ازحد کاهش دهید، در ولتاژ خروجیمحدودیت رخ می دهد. برای نمونه، یک یخچال که با ولتاژ ۲۲۰ ولت کار می‌کند را نمی توان با یک باتری ۱٫۵ ولت راه‌اندازی کرد زیرا این باتری برای تامین قدرت لازم موتورکافی نیست. به عبارت دیگر، برای کاهش ولتاژ ورودی نیز محدودیت وجود دارد.برخی از تولید کنندگان تجهیزات بهینه سازی ولتاژادعا می کنند که بسیاری از لوازم الکتریکی را می توان با توانی ۱۰ الی ۲۰ درصد کمتر راه اندازی نمود و بدون ایجاد اختلال در خروجی، می توان ورودی را به میزان ۱۰ الی ۲۰ درصد کاهش داد اما این ادعا درست نیست و واقعیت حاکی از آن است که برای ولتاژ ورودی هر وسیله ای نمی توان محدویت قائل شد و بستگی به نوع تجهیز دارد. همچنین راندمان دستگاه نیز با محدود شدن ولتاژ اندکی کاهش می یابد.

در اینجا یک سوال مطرح می شود که آیا بهینه سازی ولتاژ در لامپ ها باعث کاهش روشنایی آن ها می شود؟ برای بسیاری از انواع چراغ ها بین ولتاژورودی و میزان روشنایی آنها یک رابطه خطی وجود دارد. به عنوان مثال،یک چراغ قوه‌ی ساده با کاهش ولتاژ، به تدریجشارژ خود را از دست می دهد. آنچه که در واقعیت رخ می‌دهد این است کهباتری به آرامی ولتاژ خود را از دست می دهد وهنگامی که به حدود ۰٫۵-۱٫۰ ولت می‌رسد،دیگرهیچ کاری نمی تواند انجام دهد و این به معنای کاهش میزان روشنایی است. جالب توجه است، برای برخی از انواعلامپ‌ها، یک رابطه خطی معکوس بین ولتاژ و عمر لامپ وجود داردبه طوری که هرچه ولتاژ پایین تر باشد، طول عمر روشنایی بیشتر می شود. کاهش میزان روشنایی با کاهش ولتاژ تغذیه، در اماکنی که از نور پردازی خوبی برخورد هستند شاید آنچنان محسوس نباشد و بتواند گامی در جهت صرفه جویی انرژی تلقی گردد.

منبع: https://www.explainthatstuff.com/voltage-optimisation.html