محوّل لتشغيل مضخات الحرارة كهربائيًّا: تحديد سعة التحديثات التجارية لتيار التشغيل الأولي وذروة الشتاء

أزالت حرم مدرسي في جنوب أونتاريو غلايات الغاز الخاصة بها في صيف عام ٢٠٢٦، واستبدلتْها بمضخات حرارية تعمل بالهواء بسعة ٤٢٠ كيلوواط. وقد قام المهندس الميكانيكي بتحديد سعة الضواغط بدقة. ومع ذلك، فشل التجهيز الكهربائي عند أول صباح بارد: فقد أدّى تشغيل الضاغط الرئيسي إلى خفض التيار الرئيسي البالغ ١٢٠٠ أمبير إلى جهد ٣٩٨ فولت، وانقطعت وحدتا تحكُّم ترددية على السطح بسبب انخفاض الجهد قبل أن يبدأ التشغيل بالمرحلة الثانية حتى. محوّل لتشغيل مضخات الحرارة كهربائيًّا نادرًا ما يكون عنصر المحوّل هو ما يثير الجدل في رسومات التحديث، وهذا بالضبط سبب انتهاء الأمر بتقديمه بمواصفات أقل من المطلوب.

 

تحديثات التشغيل الكهربائي تُبطِل الافتراضات المتعلِّقة بالمحوِّلات

يُوفِّر غلاية غازية ومضخة حرارية نفس كمية الحرارة. أما على الرسم الكهربائي، فليس بينهما أي تشابه. فالغلاية تستهلك بضعة مئات من الواط لتشغيل المضخة الدوارة ووحدة التحكم في الموقد، بينما تمتص مضخة الحرارة مئات الكيلوواط عبر ضواغط كهربائية مغلقة، وتستهلكها على دفعات: التشغيل الأولي، الزيادة التدريجية في الأداء، دورة إزالة التجمد، ثم التناقص التدريجي في الأداء.

كانت الخدمات القائمة مُصمَّمة وفق ذروة التبريد الصيفية وحمولة الإضاءة المُتنوِّعة. أما ترقية نظام التدفئة فتُحوِّل الذروة إلى صباح شتوي، حين تبلغ حمولة الإضاءة والأجهزة المتصلة بالمنافذ أيضًا أقصى مستوياتها، كما تحوِّل الحمولة الحرارية إلى حمولة محركية. محوّل لتشغيل مضخات الحرارة كهربائيًّا يبدأ اتخاذ القرار فعليًّا هنا، وليس عند جدول اختيار الضواغط.

يوجد تغيير ثالث تتجاهله حسابات التحميل عادةً. فقد اعتمدت حسابات الخدمة الأصلية عوامل الطلب التي وافقت عليها شركة التوزيع لبناءٍ مُسخَّن بالغاز، والذي يتميَّز بذروة شتوية قصيرة ومحتوى منخفض من المحركات. أما إعادة تطبيق تلك الافتراضات نفسها حول التنوُّع على محطة مضخات حرارية فتؤدي إلى تقدير أقل للحمل، لأن الضواغط المتدرجة لا تتنوَّع بنفس الطريقة التي تتنوَّع بها أحمال المقبس والإضاءة.

 

حسابات الحمل: ما تطلبه المضخات الحرارية فعليًّا من خدمة التغذية

ابدأ دائمًا بسعة يوم التصميم، وليس السعة المُدوَّنة على اللوحة التعريفية. فقد تُحقِّق محطة مضخات حرارية هوائية اسمية سعتها ٤٢٠ كيلوواط في جنوب أونتاريو سعةً قدرها ٤٢٠ كيلوواط عند درجة حرارة ٨,٣°م، بينما تُحقِّق نحو ٦٨٪ فقط من تلك السعة عند ظرف التصميم الذي يبلغ −١٥°م. وتبيِّن جداول السعة المنشورة هذا الانخفاض؛ لكنها لا توضح بشكلٍ كافٍ أن الاستهلاك الكهربائي يرتفع في الوقت نفسه، لأن معامل الأداء (COP) ينخفض من نحو ٣,٤ إلى ١,٨.

إليك الحسابات الخاصة بالحرم الجامعي المشار إليه أعلاه، وهي نموذجية لمشروع تجديد تجاري متوسط الحجم يعمل عند جهد ٤٨٠ فولت:

• المضخات الحرارية، وحدتان × ٢١٠ كيلوواط: ٢٣٣ كيلوواط كهربائي عند −١٥°م، ومعامل أداء (COP) قدره ١,٨
• مضخات التدوير، ٤ مضخات ذات سرعة ثابتة: ٢٢ كيلوواط، تشغيل مستمر
• أنظمة التحكم ونظام إدارة المباني (BMS): ٤ كيلوواط، تشغيل مستمر
• التسخين الاحتياطي بالمقاومة، ٤ مراحل: ١٢٠ كيلوواط، يعمل فقط عند درجات حرارة أقل من الدرجة المصممة
• إجمالي الاستهلاك الكهربائي التصميمي: ٣٧٩ كيلوواط، أي ما يعادل نحو ٤٠٧ كيلوفولت-أمبير عند معامل قدرة ٠,٩٣

 

 

إن قيمة ٤٠٧ كيلوفولت-أمبير هذه تمثّل الحمل الفعلي. وهي ليست سعة المحول. والفارق بين هذين الرقمين هو المكان الذي تخطئ فيه ميزانيات التحديث الجذري في كلا الاتجاهين، أما القسم التالي فيركّز على سدّ هذه الفجوة دون شراء نحاسٍ يفوق احتياجات المبنى بنسبة ٤٠٪.

 

تحديد سعة المحول لتشغيل مضخات الحرارة كهربائياً

تنص المادة ٤٤٠ من قانون الكهرباء الوطني (NEC) على دوائر المحركات والضواغط، وتطالب باستخدام تيار الحمل المُصنّف بدل تيار اللوحة الإسمية في ضواغط التبريد المغلقة محكياً. أما إجمالي التغذية والخدمات فيظل خاضعاً للمادة ٢٢٠، و NFPA 70 هذه هي النصوص التي سيقرؤها مفتش الكهرباء فعلاً. عملياً: حدد سعة المحول استناداً إلى حمل محسوب يشمل تيارات الحمل المُصنّفة للضواغط، والتسخين الاحتياطي المتدرج، والـ تيار التشغيل الأولي التي تُولِّدها تشغيل تلك الضواغط، والحمل المبني الذي يبقى متصلًا.

في حالة أونتاريو، بلغ الحمل المبني المتبقي بعد إزالة الغلايات ٥٢٠ كيلوفولت أمبير. أما المجموع الكلي فكان ٩٢٧ كيلوفولت أمبير. وكانت الوحدة الحالية المثبتة على القاعدة والتي سعتها ٧٥٠ كيلوفولت أمبير تعمل بالفعل بنسبة ٩٨٪ تقريبًا في أيام الصيف ذات الذروة، لذا لم تكن إعادة الاستخدام خيارًا ممكنًا. ولذلك حددنا وحدة سعتها ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير، جهد أولي ١٣,٨ كيلوفولت (دلتا) إلى جهد ثانوي ٤٨٠Y/٢٧٧ فولت، مع مقاومة داخلية نسبية قدرها ٥,٧٥٪، وهي أقرب درجة قياسية أعلى من السعة المطلوبة، وتترك هامش راحة يبلغ نحو ٣٥٪ لمرحلة ثانية من نفس البرنامج.

يأتي بعد ذلك ثلاثة أرقام مباشرةً، وكل رقم منها يؤثر في معدات التوزيع اللاحقة. فالتيار الأولي يساوي ٦٢,٨ أمبير، والحمل الكامل للتيار الثانوي يساوي ١٨٠٤ أمبير، بينما تبلغ قيمة التيارات القصيرة المتاحة عند طرفي الدائرة الثانوية نحو ٣١ كيلوأمبير، وهذه القيمة هي التي تحدد ما إذا كانت أجهزة التحكم والحماية ستُطلب بقدرة تحمل ٤٢ كيلوأمبير أم ٦٥ كيلوأمبير. وهي أيضًا القيمة التي ينساها المقاولون في أغلب الأحيان عند طلب المواصفات.

تحذيرٌ واحدٌ بشأن التحميل. إن محول نوع جاف لا يحتمل التشغيل فوق الحمل لفترات طويلة كما تفعل الوحدات المملوءة بالزيت. IEEE C57.12.01 تستند التصنيفات الجافة إلى متوسط درجة حرارة ٣٠°م وحد أقصى ٤٠°م للبيئة المحيطة، بينما تتجاوز درجة الحرارة داخل غرفة التثبيت على السطح تلك القيم بكثير في شهر يوليو. تشغيل وحدة جافة بنسبة ١٠٠٪ من قدرتها الاسمية داخل غرفة بدرجة حرارة ٥٠°م يُعد قراراً يؤثر في عمر الخدمة، وليس مجرد قرار احترازي.

 

التيار الأولي والانخفاض في الجهد: حيث تفشل عمليات الاستبدال عادةً

ينخفض الجهد عند بدء تشغيل المحرك عبر المحول بنسبة تقريبية تساوي (القدرة الكلية بالكيلوفولت أمبير عند التشغيل ÷ القدرة الكلية للمحول بالكيلوفولت أمبير) مضروبة في النسبة المئوية لمقاومة التشتت. فضاغط بقدرة ٩٠ كيلوواط، وتيار تحميله المقنن ١٤٠ أمبير، وتيار الإقفال الدوراني له ٦ أضعاف التيار المقنن، يستهلك عند التشغيل نحو ٨٤٠ أمبير عند جهد ٤٨٠ فولت، أي ما يعادل طلب تشغيلي قدره ٦٩٨ كيلوفولت أمبير. وعند تمرير هذا الطلب عبر محول سعة ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير وممانعته ٥,٧٥٪، يكون الانخفاض في الجهد نحو ٢,٧٪، وهو ضمن الحد المسموح به البالغ ١٠٪ لدى معظم شركات التوزيع عند نقطة التغذية.

تصغير محول الطاقة إلى ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير يؤدي إلى انخفاض بنسبة ٤,٠٪ في الجهد عند تشغيل الضاغط نفسه. أما عند توصيل ضاغطَين على نفس أمر التدرج، فإن الانخفاض يتضاعف لجزء من الثانية فقط، وهي الحالة التي تؤدي إلى قطع محولات التردد المتغير (VFDs) وإعادة تعيين وحدات التحكم. وتتسبب إجراءات التحديث الرخيصة في حدوث هذا بالضبط، لأن منطق التدرج يُكتب من قِبل المقاول الميكانيكي ولا يراجعه أي شخص من الجانب الكهربائي.

تيار التشغيل الأولي الحدث الذي يحدث عند التشغيل الأولي هو حدث منفصل وأكبر. فوحدة بسعة ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير باردة قد تسحب تياراً يساوي ٨ إلى ١٢ ضعف التيار المقنن خلال الجزء الأول من الثانية (٠,١ ثانية)، ما يعني عند جهد ٤٨٠ فولت تياراً يتراوح بين ١٤٠٠٠ و٢١٠٠٠ أمبير. وإذا ترك إعداد القاطع الرئيسي للتيار الفوري على القيمة الافتراضية للمصنع، فإن يوم التشغيل والتسليم سيبدأ بانقطاع غير مقصود، يليه نقاش حول ما إذا كانت وحدة المحول معيبة أم لا.

هذا الجزء من الحزمة الذي نادرًا ما يراه المشترون في عرض السعر. فكل وحدة نُرسلها إلى مشروع ترقية تخرج مرفقةً بملف حسابي لتيار البدء المُحتسب، مُرفقٌ بتقرير الاختبار الروتيني، كي يتمكّن المقاول من ضبط تأخير التيار القصير أو تحديد لحظة إغلاق الدائرة عند موجة الجهد قبل وصول الشاحنة. وفي مشروع مدرسي في ولاية فيرمونت، ورد في المواصفات الكهربائية قيمة التيارات عند حالة القفل للضواغط، لكن البيانات الفنية المقدمة ذكرت فقط التيارات عند الحمل المُصنّف. وقد كشفت مراجعة المستندات المقدمة عن هذا التناقض قبل ثلاثة أسابيع من التسليم، بدلًا من اكتشافه في الساعة ٦ صباحًا خلال بدء التشغيل في شهر يناير.

 

التشويهات التوافقية الناتجة عن ضواغط العاكس وما تسببه في ملفات اللف

لا تتصرف الضواغط اللولبية والحلزونية التي تُدار بواسطة عاكسات مثل المحركات المتصلة مباشرةً بالشبكة. فطرفها الأمامي يستهلك تيارًا غير جيبي الشكل، وتتراوح نسبة تشويه التيار التوافقي الكلي عادةً بين ٢٥٪ و٤٠٪ عند الأحمال الجزئية، ويؤدي هذا الطيف من التوافقيات إلى زيادة الخسائر الناتجة عن التيارات الدوامية وارتفاع درجة الحرارة في أماكن موضعية داخل الملفات. محول نوع جاف الوحدة المختارة بناءً على الكيلوفولت-أمبير وحدها ستسخن أكثر مما تشير إليه لوحتها التعريفية بالضبط في الساعات التي يعمل فيها المصنع بنسبة ٣٠٪ من طاقته.

هناك استجابتان عمليتان: تحديد وحدة ذات تصنيف كي (K-rated)، أي تصنيف كي-٤ حيث يكون عدد المحركات محدودًا، وتصنيف كي-١٣ حيث تهيمن وحدات التكييف المتغير التردد الخارجي (VRF) أو حزم محولات التردد المتغير (VFD) الكبيرة؛ أو تخفيض قدرة الوحدة التقليدية باستخدام طريقة عامل الخسارة التوافقيّة. وكلا الطريقتين مشروعان؛ أما تجاهل هذه المسألة فهو غير مقبول أبدًا، وبخاصة في أنظمة التكييف المتغير التردد (VRF)، حيث تُضيف عشرون وحدة صغيرة تعمل بالمحولات العكسية تشويشًا كهربائيًّا عند نفس نقطة التوزيع.

أما الأثر الثانوي فهو معامل القدرة المتقدم عند الأحمال الخفيفة. فالمكثفات الموجودة في دائرة التيار المستمر تدفع التيار أمام الجهد عندما يعمل المصنع بنسبة ٢٠٪ فقط في يوم معتدل، وبالتالي فإن محوّل لتشغيل مضخات الحرارة كهربائيًّا الوحدة المُحدَّدة بمعامل قدرة ٠,٩٣ متأخر تصبح تعمل بمعامل قدرة ٠,٨٥ متقدم. ولا يحدث أي عطل فوري، لكن أجهزة قياس شركة التوزيع الكهربائي، والمجموعات المكثِّفية، وأنظمة التحكم في تشغيل المولدات بالتوازي تبدأ في التصرف بشكل غير طبيعي. لذا يجب إبلاغ مهندس شركة التوزيع قبل أن يكتشف الأمر أثناء قراءة العداد.

 

المناخ البارد، والتسخين الاحتياطي، ومشكلة التدرج الزمني

عند درجات الحرارة الأقل من -١٢°م، تُوفِّر وحدات المصدر الهوائي القياسية ما بين ٥٥٪ و٦٥٪ من السعة المُعلَّنة. أما وحدات المناخ البارد فتحتفظ بنسبة ٧٠٪ إلى ٨٠٪ وتُحافظ على معامل الأداء (كوب) قرب ١,٨. وبغض النظر عن الفرق الموجود، فإن التسخين بالمقاومة يغطّيه كاملاً، ويظهر هذا التسخين على شكل خطوات متزايدة في الحمل. وعند استخدام بنك احتياطي بقدرة ١٢٠ كيلوواط، مُقسَّم إلى أربع خطوات كلٌّ منها ٣٠ كيلوواط، يزداد التيار بمقدار ٣٦ أمبير في كل خطوة عند جهد ٤٨٠ فولت. وبشكل منفرد، لا يُشكِّل ذلك أي تأثير ملحوظ. لكن عند تفعيل جميع الخطوات الأربع دفعة واحدة خلال استدعاء واحد، فإن التغيُّر في القدرة يبلغ ١٢٠ كيلوواط في أقل من ثانية واحدة، ولا يستطيع المحول المصمَّم بدقة وفقاً للحمل المحسوب أن يتعامل مع هذه الزيادة المفاجئة.

عملية إزالة الصقيع هي القمة الخفية غير المرئية. ففي حالة إزالة الصقيع بدورة عكسية، تُستخلص الحرارة من حلقة المبنى بينما تستمر الضواغط في التشغيل، وقد تُجرَى عملية إزالة الصقيع تسلسلياً في محطة مؤلفة من ثمانية وحدات، حتى في صباح رطب درجة حرارته ٢°م. لذا يجب التصميم وفق حالة إزالة الصقيع المتزامنة، وليس وفق جدول السعة في الحالة المستقرة، كما يجب إدراج تيار التشغيل الأولي الناتج عن إعادة التشغيل ضمن نفس الحساب.

يجب إيلاء اهتمامٍ أكبر للغلاف والبيئة المحيطة مقارنةً بما تنص عليه عادةً مواصفات التشغيل في المناخات الباردة. فحدوث التكثّف على لفائف جافة غير مشحونة كهربائيًّا عند درجة حرارة -٢٥°م، يليه ارتفاعٌ سريع في الحمل صباحًا، يُعَدُّ مسارًا حقيقيًّا للفشل؛ ولذلك فإن سخانات المساحات وثرموستات تعمل فعليًّا ليستا من البنود الاختيارية. أما بالنسبة للمحولات المُركَّبة على القواعد المملوءة بالزيت في نفس المناخ، فيجب إدراج نقطة تجمُّد السائل ولزوجته عند بدء التشغيل في درجات الحرارة المنخفضة ضمن المواصفات الرسمية، وليس في الحواشي.

 

من المواصفات إلى الشحن: ما نُصنِّعه وما نختبره

ريان إلكترك شركة مورد محولات معتمد من UL تصنع وحدات من فئة ١٥٠٠ كيلوفولت أمبير مثل هذه الوحدة في مصنعها الواقع بمقاطعة جيانغسو، والذي تبلغ مساحته ١٢٠٠٠٠ متر مربع، وتتوافر فيه أكثر من ١٨٠ مجموعة من معدات الإنتاج والاختبار، وتمتلك ٣٧ براءة اختراع. وبصفتها شريكًا استراتيجيًّا في مشروع مشترك مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣، فإنها تتبع نفس الانضباط المتعلق بالخسائر والمقاومة الكهربائية الذي تتبعه كبرى الشركات المصنِّعة الأصلية في أمريكا الشمالية، كما أنها تنشر بيانات الاختبارات الروتينية بشكل مباشر بدلًا من تلخيصها.

يتم إجراء تسلسل الاختبارات الروتينية وفق معيار IEEE C57.12.90 على كل وحدة: مقاومة اللفات، النسبة، الاستقطاب، الفقد عند الخلو، الفقد عند التحميل، المعاوقة، الجهد المطبق والجهد المستحث، بالإضافة إلى اختبار ارتفاع درجة الحرارة من نوع «نوع التصميم». وتُحتفظ قيمة المعاوقة ضمن مدى ±٧٫٥٪ من القيمة المحددة، وهي مسألة بالغة الأهمية حين تدرس شركة التوزيع تيار القصر قبل الموافقة على ترقية الخدمة. ويشكّل هذا التحليل السببَ أيضًا في ضرورة ذكر قيمة المعاوقة صراحةً في عرض السعر بدل تركها لتكون القيمة الافتراضية للمصنع. محول نوع جاف يجب أن تُذكر المعاوقة صراحةً في عرض السعر بدل تركها لتكون القيمة الافتراضية للمصنع.

الاعتماد هو أمرٌ إما أن تكون الوثائق متوفرةً له أو لا تكون. إذ ينطبق معيار UL 1561 على الوحدات الجافة العامة الغرض، ومعيار CSA C22.2 رقم 66 على كندا، ومعيار cULus عند تطبيق كلا السوقين معًا. مورد محولات معتمد من UL وفي الحرم الجامعي بأونتاريو، طلبت شركة التوزيع أن تكون علامة CSA ظاهرةً بوضوح على اللوحة التعريفية، وأن يكون تقرير الاختبار قابلاً للتتبع حسب الرقم التسلسلي. وكانت كلتا هاتين المطلوبتين موجودتين داخل ظرف الشحن، فاجتازت الوحدة الفحص بنجاح في أول زيارة تفتيش.

 

 

استغرق التسليم ١٦ أسبوعاً ابتداءً من الموافقة على المخططات، وشهد مفتش طرف ثالث تابع للمالك الاختبارات الروتينية. وبعد مذكّرتنا الخاصة بالتشغيل الأولي، أُعيد توصيل مقاومة التسخين المرحلية للتحكم ذي المرحلتين، فانخفض انخفاض الجهد أثناء التشغيل الاحتياطي المقاس من ٣,٩٪ إلى ١,٨٪. وقد بلغت تكلفة هذا التغيير قاطعاً كهربائياً وساعتين من وقت فني كهربائي.

 

الخطوة التالية

إذا كنت تحوّل مبنىً يُسخَّن بالغاز، فأرسل أربعة عناصر: حمل التدفئة في يوم التصميم مع جدول السعة الذي يدعمه، والتيار المُصنّف والتيار عند القفل الكامل للضاغط، وحمل المبنى المتبقي، ودرجة حرارة الجو المحيط بالغلاف. وسنُرسل لك ورقة تحديد الأحجام التي تتضمّن الـkVA المحسوبة، وانخفاض الجهد المتوقّع، والتيار القصيري المتاح، وتوصية بعامل K، وعادةً ما نُنهي ذلك خلال يومَي عمل.

اطلب مورد محولات معتمد من UL مجموعة المستندات في الوقت نفسه: تقرير الاختبار الروتيني، ومراجع شهادة الاعتماد من UL أو CSA، وبيان تحمل المعاوقة. ويطلب مراجعو شركة التوزيع هذه الوثائق الثلاث، وبوجودها جاهزة يتسارع اعتماد ترقية الخدمة أكثر بكثيرٍ من أي مفاوضات سعرية.

حول المؤلف — كتبت هذه المقالة فرقة هندسة المحولات في شركة رايان إلكترك، وهي شركة مصنِّعة معتمدة من «يو إل» و«سي إس إيه»، وشريكة في مشروع مشترك مع شركة إيتن، ومقرها مقاطعة جيانغسو في الصين، وتزود مشاريع مراكز البيانات، وتخزين الطاقة، والطاقة المتجددة، والرعاية الصحية، والمرافق العامة في أمريكا الشمالية والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا وأفريقيا بمحولات جافة ومحولات غامقة في الزيت ومحولات مركَّبة على القواعد.