books components of power systems

المولدات

جميع أنظمة الطاقة لديها واحد أو أكثر من مصادر الطاقة. بالنسبة لبعض أنظمة الطاقة، مصدر الطاقة هو خارج النظام ولكن بالنسبة للآخرين هو جزء من النظام نفسه وهذه هي مصادر الطاقة الداخلية التي تمت مناقشتها في الفترة المتبقية من هذا القسم. يمكن أن يتم توفير التيار المستمر مباشرة من البطاريات وخلايا الوقود أو الخلايا الضوئية. اما التيار المتردد في الفترة الحالية يتم توفيره عادة من قبل الدوار الذي يدور في مجال مغناطيسي في جهاز يعرف باسم مولد توربيني في محطة توليد الكهرباء. كانت هناك مجموعة واسعة من التقنيات المستخدمة في حركة دوران الدوار التوربينى، بدايه من البخار الذي يسخن باستخدام الوقود الأحفوري (بما في ذلك الغاز والفحم والنفط) أو الطاقة النووية، أو سقوط المياه (الطاقة الكهرومائية) وطاقة الرياح (طاقة الرياح).

السرعة التي يدور الدوار بالاشتراك مع عدد أقطاب المولدات يحددان تردد التيار المتردد الذي تنتجه المولدات. جميع المولدات على نظام واحد، على سبيل المثال الشبكة الوطنية (في المملكة المتحدة) تدور بشكل متزامن (أي بمتوسط سرعة مماثلة)، وبذلك تستهدف ضبط التردد، في البلدان الأوروبية التردد الشائع 50 هرتز. إذا زاد حمل النظام، فإن المولدات سوف تتطلب المزيد من عزم الدوران لزيادة التيار، والسرعة في محطة للطاقة التقليدية، لا بد من توفير المزيد من القوة الدافعة للتوربينات لديهم. حيث تعتمد كمية الطاقة الكهربية المنتجة على كل من الوقود الذي يتم حرقه والبخار الذي يتم إنتاجه منه.

يعتمد أيضا على كيفية تغذية القطبين: مولدات التيار المتردد الحالية، تنتج عدد متغير من الأطوار. ارتفاع عدد الأطوار يؤدي إلى زيادة كفاءة طاقة نظام التشغيل لكنه يزيد أيضا من متطلبات البنية التحتية للنظام.

شبكة الكهرباء تربط مولدات متعددة وكذلك الأحمال التي تعمل على نفس التردد وعدد من الأطوار، والأكثر شيوعا يجري على ثلاث اطوار عند تردد 50 أو 60 هرتز.

ولكن هناك اعتبارات أخرى. فمن البديهي ما هي كمية الطاقة التي يمكن أن يزودها المولد؟ ما هو الوقت اللازم لكى يبدأالمولد في العمل (بعض المولدات يمكن أن يستغرق ساعات ليبدء)؟ هل توافر مصادر الطاقة المقبولة؟؟ (بعض مصادر الطاقة المتجددة متوفرة فقط عندما تكون الشمس مشرقة أو عند الرياح التي تهب)؟، لمزيد من التقنية: كيف ينبغي أن يبدأ المولد؟ (بعض التوربينات تعمل مثل المحركات لتصل الي سرعة، ففي أي حالة تحتاج لها دوائر بدء مناسبة)؟ ما هي السرعة الميكانيكية لتشغيل التوربينات وبالتالي ما هي عدد ألاقطاب المطلوبة؟ ما هو نوع المولد المناسب (متزامن أو غير متزامن) ونوع الدوار (قفص السنجاب الدوار، الدوار الملفوف، الدوار الدوار أو قطب بارز أسطواني)؟

الاحمال

أنظمة الطاقة توصل الطاقة إلى الأحمال التي تؤدي وظيفة ما. هذه الأحمال مجموعة من الأجهزة المنزلية أو الآلات الصناعية. معظم الأحمال تتطلب جهد معين، وبالنسبة لأجهزة التيار المتردد الحالي تتطلب تردد معين وعدد معين من الأطوار. الأجهزة الموجودة في المنزل، على سبيل المثال، تحتاج عادة على طور واحد تعمل عند 50 أو 60 هرتز والجهد بين 110 و 260 فولت (اعتمادا على معايير وطنية). باستثناء وجود أنظمة تكييف الهواء المركزية وهذه هي الآن عادة من ثلاث اطوار لأن هذا يسمح لها بالعمل بشكل أكثر كفاءة. جميع الأجهزة في منزلك سوف يكون لها أيضا القوة الكهربائية، وهذا يحدد كمية الطاقة التي يستهلكها الجهاز. في أي وقت واحد، يجب أن تكون الكميه الكلية من الطاقة المستهلكة من قبل الأحمال على نظام الطاقة تساوي الكميه الكلية من الطاقة التي تنتجها المولدات وهي أقل من الطاقة المفقوده أثناء النقل.

يجب التأكد من أن الجهد والتردد وكمية الطاقة التي تزوَد بها الأحمال يتماشى مع المطلوب، وهي واحدة من التحديات الكبرى لهندسة أنظمة الطاقة. لكن ليس هذا هو التحدي الوحيد، بالإضافة إلى استهلاك الطاقة من قبل الحمل للقيام بعمل مفيد (وهو ما يسمى القدرة الحقيقية)، العديد من الأجهزة الحالية التي تعمل بالتيار المتردد أيضا تسختدم كمية إضافية من الطاقة لأنها تسبب التيار الكهربائي المتردد والجهد المتردد ليصبحوا بقدر قليل خارج التزامن أي ليسوا متزامنين (وهو ما يسمى قوة رد الفعل). قدره رد الفعل مثل القدرة الحقيقية يجب أن تتزن (القدرة لرد الفعل التي ينتجها النظام يجب أن تساوي الطاقة المستهلكة عند الحمل) وهذا يمكن توفيره من المولدات، ولكن غالبا ما يكون أكثر اقتصادا لتوفير مثل هذه القدرة من المكثفات (انظر "مكثفات ومفاعلات "أدناه للحصول على مزيد من التفاصيل)

وهناك اعتبار أخير مع الاحمال هو كفاءه الطاقة. بالإضافة إلى(قضايا التحميل الزائد)و (قضايا تنظيم الجهد) فضلا عن انحرافات مستمرة من نظام التردد (قضايا تنظيم التردد)، ويمكن تحميل نظام القوى المتضرر من مجموعة من القضايا المؤقتة. وتشمل هذه انخفاض الجهد، والانخفاضات والتضخمات، الجهد الزائد، الوميض العابر، وارتفاع وتيرة الضجيج، وعدم توازن المرحلة وضعف معامل القدرة، فالكثير من قضايا الجودة تحدث عند إمدادات الطاقة للحمل فتنحرف عن المثالية للحصول على إمدادات التيار المتردد، فالمثالي هو الحصول على التيار والجهد في تزامن أي يكون لكل منهما نفس الطور بشرط توافق الترددات المقررة مع الجهد والسعة. والمثالي هو جهود غير متفاوتة عن المستوى المحدد لإمداد الاحمال. القضايا المتعلقة بجودة الطاقة قد تكون ذات أهمية خاصة عندما يتعلق الأمر بماكينات صناعية متخصصة أو معدات المستشفى

الموصلات

الموصلات تحمل الطاقة من المولدات الكهربائية إلى الاحمال. في الشبكة، يمكن تصنيفها على أنها تنتمي إلى نظام نقل الطاقة، والذي يحمل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية عند الجهود العالية (عادة أكثر من 50 كيلوفولت) من مراكز التوليد إلى مراكز الأحمال، أو نظام التوزيع الذي يغذي كميات صغيرة من الطاقة عند مستوى جهد منخفض (عادة أقل من 50 كيلوفولت) من مراكز الأحمال في المنازل المجاورة والصناعة.

ويستند اختيار الموصلات على اعتبارات مثل التكلفة وخسائر النقل وغيرها من الخصائص المرغوبة للمعدن مثل قوة الشد. والنحاس، لديه مقاومة أقل من الألومنيوم، وهو الموصل المفضل لمعظم أنظمة القوى. ومع ذلك، فالألمنيوم أقل تكلفة لنفس القدرة الاستيعابية للتيار والمعادن الأولية المستخدمة. في خط نقل، قد يتم تعزيز الموصلات بسبائك الفولاذ أو الألومنيوم.

ويمكن وضع أنظمة الطاقة في الموصلات الخارجية العلوية أو تحت الأرض. وعادة ما تكون الموصلات المعزولة وأحمال الهواء معتمدة على عوازل من الخزف والزجاج أو البوليمرات. والكابلات المستخدمة للنقل أو الأسلاك تكون معزوله باستخدام البولي ايثيلين أو مواد عزل مرنة أخرى، يتم تضفير الموصلات الكبيرة لسهولة المناولة ؛ الموصلات الصغيرة والأسلاك المستخدمة في البناء غالبا ما تكون صلبة، لا سيما في اضاءات المبانى التجارية أو السكنية.

تصنف عادة موصلات للتيار حسب أقصى يمكن أن تحملها في ارتفاع درجة حرارة معينة على الظروف المحيطة. كلما زاد تدفق التيار في موصل فإنه يسخن. بالنسبة للموصلات المعزولة، يتم تحديد التصنيف بناء على العزل. بالنسبنه للموصلات التي تستخدم في الأبراج العليا التصنيف يتم على أساس النقطة التي تصبح فيها جوده الموصل غير مقبوله.

مكثفات ومفاعلات

الغالبية العظمى من الاحمال في نظام قوى نموذجي للتيار المتردد، هي استقرائية، حيث يتخلف التيار وراء الجهد الحالي. حيث الجهد والتيار ليسا متزامنين، وهذا يؤدي إلى ظهور شكل "عديم الفائدة" من القوة المعروفة باسم قوة رد الفعل. قوة رد الفعل لا يمكن قياسها بأي عمل ولكن تبث مجيئاوذهابا بين مصدر الطاقة التفاعلية والاحمال في كل دورة. ويمكن توفير هذه القدرة من جانب المولدات نفسها ولكنها غالبا ما تكون أرخص لتوفيرها من خلال المكثفات، وبالتالي فهي كثيرا ما وضعت بالقرب من المكثفات من الأحمال للحد من طلب التيار على نظام الطاقة ويمكن تطبيق تصحيح عامل الطاقة في المحطة المركزية أو المتناظره للأحمال الكبيرة

المفاعلات تستهلك طاقة رد الفعل وتستخدم لتنظيم الجهد على خطوط النقل الطويلة. في حالة الأحمال الخفيفة، حيث التحميل على خطوط نقل أقل بكثير من الزيادة في تحميل المعاوقة، قد تتحسن فعلا كفاءة نظام الطاقة عن طريق التحول في المفاعلات. المفاعلات مثبتة على التوالى في نظام الطاقة بما يحد أيضا من تدفق اندفاع التيار، ولذلك فإن مفاعلات صغيرة مثبتة على الدوام تقريبا في سلسلة من المكثفات للحد من الاندفاع في التيار المرتبط مع المكثف. ويمكن أيضا سلسلة مفاعلات يمكن استخدامها للحد من تيارات الأخطاء في النظام.

يتم تبديل المكثفات والمفاعلات في الدائرة عن طريق قواطع، مما يؤدي إلى تعديل خطوات كبيره في قدرة رد الفعل الحل يأتي في صوره معوضات كهربيه ساكنه ومعوضات كهربيه متزامنه. باختصار هذه المعوضات الساكنه تعمل على تبديل المكثفات باستخدام ثيرستور وقواطع كهربيه، ذلك عن طريق السماح للمكثفات بالتبديل بالدخول والفصل في الدائرة تبادليا مما يوفر استجابه أكثر دقه للمكثفات في الدائرة القاطعه المعوضات المتزامنه الساكنه تعتبر خطوة أخرى إلى الأمام من خلال تحقيق تسويات قوة رد الفعل باستخدام إلكترونيات القوى. === إلكترونيات القوى === حححح

إلكترونيات القوى هي مجموعه من الاجهزه التي تم عملها بناء على تكنولوجيا اشباه الموصلات التي تكون قادرة على تبديل كميات من الطاقة تتراوح بين بضع مئات واط إلى عدة مئات ميجاوات. ذلك بالرغم من ان وظيفتها بسيطة نسبيا، وسرعة عملها (عادة في حدود النانو ثانية)، مما يعني انها قادرة على مجموعة واسعة من المهام التي سيكون من الصعب أو المستحيل عملها مع التكنولوجيا التقليدية. الوظيفة الكلاسيكية لإلكترونيات القوى هي توحيد التيار، أو تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، وبالتالي وُجدت إلكترونيات القوى في معظم الاجهزه تقريبا خصوصا الرقمية التي يتم تزويدها من مصدر للتيار المترددإما كمحول يوضع في مقابس الجدار (انظر الصورة في أساسيات قسم الطاقة الكهربائية)أو كمكون داخلي للجهاز. ويمكن أيضا لإلكترونيات القوى رفيعة المستوى ان تُستخدم لتحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر للنقل لمسافات كبيره الجهود العالية للتيار المستمر، وذلك لان هذه الانظمه أكثر اقتصادا في النقل لمسافات كبيره جدا تصل إلى (مئات أو الآلاف الكيلو مترات) وهي أفضل من النقل عن طريق التيار المتردد. هذه الانظمه مفيده أيضا بسبب عدم اعتمادها في النقل على الترددات المختلفة للمولدات وهذا يعمل على تحسين ثبات النظام، إلكترونيات القوى أيضا مهمه في أي مصدر للطاقة مطلوب منه إنتاج التيار المتردد ولكنه بطبيعته ينتج تيار مستمر لذلك هذه الإلكترونيات تستخدم بواسطه العديد من التركيبات الكهروضوئيه في مجال الصناعة وغيرها.

إلكترونيات القوى أيضا لها ميزة في مجموعة واسعة من الاستخدامات أكثر غرابة. فهي في صميم جميع المركبات الكهربائية والهجينة الحديثة—حيث أنها تُستخدم في كل من التحكم في المحركات، وكجزء من المحرك العديم الفرش. وتوجد أيضا إلكترونيات القوى عمليا في جميع المركبات بالبنزين الحديثة، وذلك لأن القوة التي توفرها بطاريات السيارة وحدها غير كافية لتوفير الإشعال، وتكييف الهواء، والإضاءة الداخلية والراديوا في لوحه السائق في السيارة، لذلك يجب إعادة شحن البطاريات أثناء القيادة باستخدام التيار المستمر من المحرك—وهو الإنجاز الذي يتحقق عادة باستخدام إلكترونيات القوى حيث التكنولوجيا التقليدية كما ستكون مناسبة للسيارة الكهربائية الحديثة، ويمكن استخدامها في سيارات تعمل بالبنزين. والتحول إلى المولدات العديمه الفرش أدى إلى تحسن وتطور في إلكترونيات القوى بشكل عام.

بعض أنظمة السكك الحديدية الكهربائية أيضا تستخدم إلكترونيات القوى، وبالتالي الاستفادة من الطاقة لتغذية إلكترونيات شبكة كهرباء القاطرات وغالبا لمراقبة سرعة السيارات القاطرة. في منتصف القرن العشرين، انتشرت القاطرات المعدلة، وهذه استخدمت إلكترونيات القوى لتحويل التيار المتردد من شبكة السكك الحديدية لاستخدامها من قبل المحركات. اليوم معظم القاطرات الكهربائية المتوفرة تعمل بالتيار المتردد وتشغيلها باستخدام محركات التيار المتردد، ولكن لا يزال استخدام الطاقة والإلكترونيات لتقديم وظيفة التحكم في المحركات.

لا يمكن الاستهانة باستخدام إلكترونيات القوى للمساعدة في التحكم في المحركات ودوائر مُبدئ الحركة، وبالإضافة إلى التصحيح، فهي المسؤولة عن الطاقة وعن الإلكترونيات التي تظهر في مجموعة واسعة من الآلات الصناعية. إلكترونيات القوى الحديثة تظهر حتى في مكيفات الهواء السكنية.

إلكترونيات القوى هي أيضا في قلب من توربينات الرياح متغيرة السرعة. ببساطة، تتطلب توربينات الرياح التقليدية عمليات هندسية كبيرة للتأكد من أنها تعمل في بعض نسبة تواتر النظام (الذي يمثل نسبة لاستخدام التروس)، ولكن باستخدام الطاقة والإلكترونيات يمكن التخلص من هذا الشرط كما يمكن أن يؤدي إلى نقلات أكثر هدوءا وأكثر مرونة، وأكثر تكلفة لتوربينات الرياح. وهناك مثال أخير لواحد من أكثر استخدامات إلكترونيات القوي غرابة يأتي من المقطع السابق، حيث كانت تُستخدم في أوقات التحول السريع من إلكترونيات القوى لتقديم مزيد من التفاعل التعويض المكرر إلى نظام السلطة

أجهزه واقيه

تحتوي أنظمة الطاقة على أجهزة وقائية لمنع الإصابة أو الضرر أثناء الفشل. الجهاز المثالي الواقي هو الفتيل أو الصمام الكهربائي (الفيوز). عندما يتجاوز التيار خلال الفتيل عتبة معينة، ينصهر عنصر الصمام الكهربائي، وتنتج قوس عبر الفجوة الناتجة التي انطفأت بعد ذلك، مما يؤدي لقطع الدائرة. يمكن أيضا اعتبار بناء الصمامات علي أنه نقطة ضعف النظام، الصمامات مثالية لحماية الدوائر من التلف. ولكن على الرغم من ذلك هناك مشكلتين في الصمامات: الأولى، بعد أن تكون قد عملت، لا بد من استبدالها لأنها لا يمكن إعادة تعيينها. وهذا قد يكون غير مريح إذا كان الفتيل هو في موقع بعيد أو قطع غيار الصمامات ليست في متناول اليد. والثانية أنها عادة ما تكون غير كافية كجهاز السلامة الوحيدة في معظم أنظمة التحكم، لكونها تسمح بتدفق جيد للتيار يتجاوز بكثير ذلك الذي من شأنه أن يقتل الإنسان أو الحيوان.

تم حل المشكلة الأولى عن طريق استخدام القواطع - الأجهزة التي يمكن إعادة تعيينها بعد أن يتم قطع تدفق التيار. في النظم الحديثة التي تستخدم أقل من نحو 10 كيلوواط، عادة ما تستخدم قواطع مصغرة. هذه الأجهزة تجمع بين الآلية التي تبدأ رحلة (بواسطة الاستشعار عن فائض في التيار)، وكذلك الآلية التي تكسر تدفق التيار في وحدة واحدة. بعض القواطع مصغرة تعمل فقط على أساس الكهرومغناطيسية. في هذه القواطع المصغرة، يتم تشغيل التيار من خلال ملف لولبي، وفي حال حدوث تدفق التيار الزائد، يسحب الملف اللولبي المغناطيسي قوة كافية لفتح اتصالات الموجة في الدائرة (بشكل غير مباشر في كثير من الأحيان من خلال آلية التعثر). وأفضل تصميم ينشأ عن طريق إدراج شريحة ثنائية المعدن قبل الملف اللولبي—وهذا يعني أنه بدلا من الإنتاج الدائم للقوة المغناطيسية، فإن الملفا الولبي لا تنتج سوى قوة مغناطيسية عندما يكون التيار قوي بما يكفي لتشويه الشريحة الثنائية المعدن وإكمال الدائرة الكهربائية للملف اللولبي.

في تطبيقات أعلى للطاقة، هناك المرحلات الواقية التي تكشف عن الخلل والشروع في رحلة منفصلة عن دائرة القاطع. المرحلات المبكرة عملت على أساس مبادئ الكهرومغناطيسية المماثلة لتلك المذكورة في الفقرة السابقة، المرحلات الحديثة هي تطبيق أجهزة الكمبيوتر التي تحدد ما إذا كانت الرحلة بناء على قراءات من نظام الطاقة. وسوف تبدأ رحلات المرحلات المختلفة تبعا لبرامج الحماية المختلفة. على سبيل المثال، ترحيل التيار الزائد قد بدء رحلة إذا كان التيار في أي مرحلة يتجاوز عتبة معينة ،و حيث أنها مجموعة من المرحلات فإن الفرق قد بدء رحلة إذا كان مجموع التيارات بينهما يشير إلي أن هناك تسريب التيار إلى الأرض. قواطع الدائرة في تطبيقات مختلفة تعمل بالطاقة العالية جدا. الهواء عادة لم يعد كافيا لإخماد القوس الذي يتكون عندما تجبر التوصيلات علي أن تكون مفتوحة حتى يتم استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. الأسلوب الأكثر شعبية في الوقت الراهن هو جعل الغرفة التي تحتوي التوصيلات تكون مغمورة بسادس فلوريد الكبريت (SF6) -- وهو غاز غير سام لديه خصائص إخماد القوس عالية.

المشكلة الثانية، وهي عدم كفاية الصمامات لتكون بمثابة وسيلة الأمان الوحيدة في معظم أنظمة الطاقة، الحل الأفضل من خلال استخدام أجهزة التيار المتبقي (RCDs). في الأجهزة الكهربائية التي تعمل بشكل صحيح ،التيار المتدفق في الأجهزة النشطة على خط تساوي التيار التي تتدفق من الأجهزة على خط الحياد. جهاز التيار المتبقي يعمل عن طريق رصد خطوط نشطة ومحايدة تتعثر الخطوط النشطة إذا استشعرت فرقا.أجهزة التيار المتبقي تتطلب سطر منفصل لكل مرحلة محايدة وتكون قادرة على رحلة ضمن برنامج زمني قبل حدوث الضرر. هذه عادة ليست مشكلة في معظم التطبيقات السكنية حيث أن الأسلاك القياسية توفر خط نشط ومحايد لكل الأجهزة (و هذا هو سبب وجود لاقطين على الأقل في مقابس الطاقة التي لديك) وذو جهد منخفض نسبيا ولكن هذه القضايا لا تحد من فعالية أجهزة التيار المتبقي في تطبيقات أخرى مثل الصناعة. حتى مع تركيب التجمع، يمكن التعرض للكهرباء القاتلة حتما.

نظم SCADA

في نظم الطاقة الكهربائية الكبيرة، يتم استخدام التحكم الرقابي واكتساب البيانات (SCADA) لمهام مثل تشغيل مولدات الكهرباء، والسيطرة على خرج المولد وتشغيل أو ايقاف عناصر النظام للصيانة. وتألفت أول أنظمة التحكم الإشرافي من مصابيح ومفاتيح وحدة التحكم المركزية في المصنع بالقرب من محطة الرقابة. قدمت المصابيح ملاحظات في حالة المحطة (وظيفة الحصول على البيانات) وسمحت المفاتيح باجراء تعديلات على المحطة(وظيفة الرقابة الإشرافية). أما اليوم ،فنظم SCADA أصبحت أكثر تعقيدا بكثير، ونظرا للتقدم في أنظمة الاتصالات، فإن لوحات مفاتيح السيطرة على المحطة لم تعد بحاجة إلى أن تكون بالقرب من المحطة نفسها. وبدلا أنظمة الطاقة الموجودة اليوم، فإنه من الشائع على نحو متزايد أن تكون الرقابة للمحطة من موقع مركزي بعيد بواسطة معدات مماثلة ل(إن لم تكن مطابقة ل) جهاز كمبيوتر سطح المكتب. وزودت القدرة على السيطرة على هذه المحطة من خلال أجهزة الكمبيوتر الحاجة إلى الأمن، وبالفعل كانت هناك تقارير عن الهجمات الإلكترونية على مثل هذه الأنظمة التي تسبب تعطيلات كبيرة لنظم الطاقة