راه‌حل اندازه‌گیری باتری 48 ولت برای سیستم‌های پشتیبان صنعتی

چرا 48 ولت استاندارد توان پشتیبان صنعتی است

مزایای کارایی، ایمنی و سازگاری سیستم‌های 48 ولت

کارخانه‌های بیشتری به سیستم‌های باتری 48 ولتی روی می‌آورند، چون این سیستم‌ها ترکیب مناسبی از بازدهی، ویژگی‌های ایمنی و سازگاری با تجهیزات دیگر ارائه می‌دهند. هنگامی که سیستم‌ها با ولتاژ 48 ولت کار می‌کنند، برای مقدار مشخصی از توان خروجی، جریان کمتری می‌کشند که این به معنای تلفات انرژی کمتر از طریق مقاومت در سیم‌هاست (به یاد داشته باشید که P برابر است با I به توان دو در R از درس فیزیک مدرسه). علاوه بر این، این جریان پایین‌تر به شرکت‌ها این امکان را می‌دهد که از کابل‌های نازک‌تری استفاده کنند که در مجموع هزینه کمتری دارند. یک مزیت بزرگ دیگر مربوط به ایمنی است. در ولتاژ 48 ولت، این سیستم‌ها زیر حد 60 ولت «ولتاژ بسیار پایین ایمن» (SELV) تعیین‌شده توسط استانداردهای بین‌المللی مانند IEC 61140 باقی می‌مانند. این بدین معناست که کارگران در حین انجام کارهای معمول نگهداری نیازی به نگرانی درباره قوس‌های الکتریکی خطرناک ندارند و در بیشتر موارد می‌توانند از خرید تجهیزات محافظتی گران‌قیمت صرف‌نظر کنند. و چه بسا می‌دانید؟ این سطح ولتاژ از دیرباز در مواردی مانند شبکه‌های تلفن، سیستم‌های اتوماسیون کارخانه و تابلوهای کنترل در سراسر جهان استفاده می‌شده است. بنابراین، تأسیسات می‌توانند این سیستم‌ها را به زیرساخت موجود متصل کنند بدون اینکه هزینه‌های زیادی برای سیم‌کشی جدید یا اصلاحات صرف کنند.

ادغام با سیستم‌های UPS، اینورترها و زیرساخت‌های صنعتی موجود

استاندارد 48 ولت استفاده از قطعات پایه توان را به‌طور کلی بسیار آسان‌تر می‌کند. بسیاری از سیستم‌های منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و اینورترهای امروزی در واقع از پشتیبانی داخلی برای ورودی جریان مستقیم 48 ولت از همان ابتدا برخوردار هستند. این بدین معناست که باتری‌ها می‌توانند مستقیماً متصل شوند و نیازی به مراحل تبدیل اتلاف‌کننده انرژی از جریان متناوب به مستقیم یا مستقیم به مستقیم نیست که مقدار زیادی انرژی را مصرف می‌کنند. نکته جالب این است که این موضوع در سیستم‌های صنعتی قدیمی‌تر نیز به خوبی عمل می‌کند. بسیاری از کارخانه‌ها همچنان شبکه‌های حسگر، PLCها و مدارهای مختلف کنترلی خود را با برق 48 ولت راه‌اندازی می‌کنند. به دلیل وجود این زیرساخت، انتقال به باتری‌های لیتیومی مبتنی بر 48 ولت به سرعت انجام می‌شود، خطر کمی برای عملیات ایجاد می‌کند و نیازی به سرمایه‌گذاری عظیم نیز ندارد.

ارزیابی نیازهای توان صنعتی و تقاضای بارهای حیاتی

ارزیابی دقیق نیازهای انرژی صنعتی، اساس طراحی قابل اعتماد باتری پشتیبان 48 ولتی را تشکیل می‌دهد. این فرآیند سیستم‌های ضروری که نیاز به حفاظت دارند را شناسایی کرده و میزان مصرف انرژی آن‌ها را تعیین می‌کند تا از توقف سیستم جلوگیری شود.

انجام ممیزی انرژی: اندازه‌گیری مصرف روزانه و بارهای اوج

ابتدا فهرستی کامل از تمام تجهیزات موجود در محل را تهیه کنید و سپس مقدار برق مصرفی هر آیتم را اندازه‌گیری نمایید. برای این نوع کار، دستگاه‌های اندازه‌گیری برق بدون کلیپ (Clamp meters) عملکرد بسیار خوبی دارند، هرچند برخی افراد ترجیح می‌دهند در موارد نصب‌های بزرگ‌تر از سیستم‌های زیرمتراژ (submetering) استفاده کنند. هنگام بررسی فهرست، ابتدا به تجهیزاتی توجه کنید که قطعاً باید همواره در حال کار باشند. چیزهایی مانند کنترلرهای فرآیند، کلیدهای ایمنی که در صورت بروز مشکل ماشین‌ها را متوقف می‌کنند، و تمام تجهیزات شبکه‌ای که ارتباطات عملیاتی را برقرار نگه می‌دارند، باید اولویت اول باشند. سایر تجهیزات؟ روشنایی محیط دفتر، واحدهای اضافی گرمایش یا سرمایش که مستقیماً به فرآیندهای تولید پیوند ندارند؛ معمولاً می‌توان اینها را به تعویق انداخت یا حتی موقتاً خاموش کرد بدون آنکه مشکلات بزرگی ایجاد شود. حتماً مقادیر مصرف عادی را ثبت کنید، اما همچنین به افزایش‌های ناگهانی تقاضای انرژی نیز توجه داشته باشید. موتورها و کمپرسورهای بزرگ مشهور هستند که هنگام روشن شدن، سه برابر جریان عادی خود را مصرف می‌کنند، بنابراین شناخت دقیق آنچه در لحظات راه‌اندازی اتفاق می‌افتد، بسیار ارزشمند است.

ابزارهای مدرن مدلسازی پیش‌بینانه خطا در اندازه‌گیری را با ترکیب داده‌های بار تاریخی نسبت به محاسبات دستی تا 39٪ کاهش می‌دهند. کل مصرف روزانه به کیلووات‌ساعت را با ضرب میانگین مصرف وات در ساعات کارکرد محاسبه کنید، سپس 25٪ ذخیره برای فرسودگی تجهیزات و گسترش آینده اضافه کنید.

طبقه‌بندی‌های قابلیت اطمینان و چرخه‌های کاری برای برنامه‌ریزی پشتیبان قابل اعتماد

امروزه اکثر تأسیسات صنعتی به طبقه‌بندی‌های استاندارد زمان در دسترس پایبند هستند. نصب‌وساخت‌های سطح سوم (Tier III) به‌طور متوسط نیازمند حدود ۹۹٫۹۸۲٪ در دسترس‌بودن هستند، در حالی که تأسیسات سطح دوم (Tier II) به‌طور تقریبی به ۹۹٫۷۴۱٪ هدف می‌گیرند. هنگام بررسی چرخه‌های کاری تجهیزات، تفاوت بزرگی بین بارهای پیوسته مانند سیستم‌های SCADA و ماشین‌آلاتی که در طول دوره‌های عملیاتی خود به‌طور مکرر روشن و خاموش می‌شوند، وجود دارد. برای کاربردهای واقعاً حیاتی، بسیاری از مشخصات، نیاز به چیدمان پشتیبانی N+1 دارند. این اساساً به معنای داشتن ظرفیت پشتیبان انرژی است که به میزان یک ماژول کامل فراتر از حداکثر نیازها باشد. عوامل محیطی نیز مهم هستند. عملکرد باتری‌های لیتیومی زمانی که دما پایین‌تر از شرایط عملیاتی معمول قرار می‌گیرد، به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در نقطه انجماد (۰ درجه سانتی‌گراد)، این باتری‌ها معمولاً تنها حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد از ظرفیت نامی خود را در مقایسه با آنچه می‌توانند در دمای مرجع استاندارد ۲۵ درجه سانتی‌گراد تأمین کنند، فراهم می‌آورند.

تعیین اندازه ظرفیت باتری 48 ولت برای مدت زمان پشتیبانی هدف

محاسبه kWh و Ah مورد نیاز: در نظر گرفتن عمق تخلیه و بازدهی

تعیین اندازه مناسب برای بانک باتری 48 ولت، با محاسبه تعداد کیلووات‌ساعات (kWh) مورد نیاز آغاز می‌شود. محاسبه پایه به این صورت است: بار ضروری را بر حسب کیلووات در نظر بگیرید و در مدت زمان مورد نیاز برای تأمین برق پشتیبان ضرب کنید. سپس آن عدد را بر دو عامل تقسیم کنید: اول، درصد تخلیه (Depth of Discharge) و دوم، ضریب بازده سیستم. بیشتر باتری‌های لیتیومی قادر به تحمل تخلیه در حدود 80 تا 90 درصد هستند که تقریباً دو برابر توان باتری‌های سرب-اسیدی با حدود 50 درصد تخلیه می‌باشد. فرض کنید شخصی به 10 کیلووات برق برای مدت چهار ساعت نیاز داشته باشد و عمق تخلیه 80 درصد و بازده سیستم 95 درصد باشد. با انجام محاسبات، به میزان تقریبی 52.6 کیلووات‌ساعت نیاز خواهیم داشت. برای تبدیل این مقدار به آمپر‌ساعت در سیستم 48 ولتی، کافی است کیلووات‌ساعت را در 1000 ضرب کرده و سپس بر 48 ولت تقسیم کنید. این مقدار تقریباً برابر با 1,096 آمپر‌ساعت خواهد بود. پیروی از این روش به جلوگیری از خرید باتری کوچک‌تر از حد نیاز کمک می‌کند و در عین حال هزینه‌ها را در طول زمان منطقی نگه می‌دارد و عملکرد مناسبی از همان ابتدا تضمین می‌کند.

برنامه‌ریزی برای روزهای خودکفایی و معاوضات عملکرد در دنیای واقعی

وقتی می‌خواهیم تأمین برق پشتیبان را به مدت بیش از یک روز گسترش دهیم، در اصل تنها کاری که انجام می‌دهیم این است که مصرف روزانه معمول خود را در تعداد روزهای مورد نیاز ضرب کنیم. بیایید به یک مثال نگاه کنیم: اگر یک تأسیسات در هر روز حدود ۱۲۰ کیلووات‌ساعت انرژی مصرف کند و بخواهد برای سه روز کامل با حفظ عمق تخلیه ۸۰ درصدی، خودکفا باشد، محاسبات به این صورت خواهد بود. ۱۲۰ کیلووات‌ساعت را در سه روز ضرب می‌کنیم که برابر با ۳۶۰ می‌شود، سپس به دلیل شرط ۸۰ درصدی آن را بر ۰٫۸ تقسیم می‌کنیم که حدود ۴۵۰ کیلووات‌ساعت نیازمندی ما را نشان می‌دهد. با این حال، هیچ‌کس در شرایط کامل کار نمی‌کند. تنها سرمای هوا می‌تواند ظرفیت باتری را حدود ۲۰ درصد کاهش دهد، زمانی که دما به زیر نقطه انجماد برسد. باتری‌های لیتیومی نیز با گذشت زمان عملکرد خود را از دست می‌دهند، تقریباً ۳ درصد در هر سال. و هر زمان که تقاضای جریان بالای ناگهانی وجود داشته باشد، سیستم با افت ولتاژ مواجه می‌شود که باعث می‌شود ظرفیت قابل استفاده واقعی حتی کمتر از حد انتظار باشد. به همین دلیل، بیشتر مهندسان برای احتیاط حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد اضافی به محاسبات اضافه می‌کنند. این امر برآورد اولیه ما را از ۴۵۰ به حدود ۵۶۲ کیلووات‌ساعت افزایش می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که حتی در صورت بروز مشکلات غیرمنتظره در طول قطعی‌های طولانی‌مدت برق، سیستم همچنان به درستی کار می‌کند.

طراحی پیکربندی‌های باتری بانک 48 ولتی مقیاس‌پذیر و با قابلیت تحریم

معماری سری-موازی: تضمین پایداری ولتاژ و تعادل جریان

سیستم‌های پشتیبان در محیط‌های صنعتی معمولاً از تنظیمات سری-موازی استفاده می‌کنند تا خروجی ۴۸ ولتی را حتی در شرایط تغییر بار نیز ثابت نگه دارند. هنگامی که باتری‌ها به صورت سری به هم متصل می‌شوند، ولتاژ مورد نیاز حاصل می‌شود. اتصال موازی باتری‌ها ظرفیت کلی (برحسب آمپر-ساعت) را افزایش می‌دهد تا سیستم بتواند در طول قطعی برق، مدت زمان طولانی‌تری کار کند. مزیت بزرگ این روش این است که از جریان نامتوازنی که اغلب منجر به خرابی زودهنگام باتری می‌شود، جلوگیری می‌کند. به عنوان مثال، یک پیکربندی رایج به نام 4S4P را در نظر بگیرید که یعنی چهار مجموعه چهارتا باتری که به هم متصل شده‌اند. این تنظیم ولتاژ مورد نظر ۴۸ ولت را فراهم می‌کند و در عین حال ظرفیت کلی را چهار برابر می‌کند. نکته واقعاً مهم این است که جریان به طور یکنواخت در تمام اتصالات موازی جریان داشته باشد. بیشتر تکنسین‌های مجرب می‌دانند که برای حفظ اختلاف جریان در حدود ۵ درصد، باید بوس‌بارها را با دقت طراحی کرد و سلول‌ها را دقیقاً مطابقت داد. آزمون‌های تصویربرداری حرارتی که در محل واقعی صنعتی انجام شده‌اند، به طور مداوم این یافته‌ها را تأیید می‌کنند.

جدا سازی خطا، افزونگی و گسترش آینده در نهادهای صنعتی

برای کسانی که از تأسیسات سطح III یا IV استفاده می‌کنند و به دنبال دستیابی به نقطه ایده‌آل ۹۹٫۹۹۵٪ زمان فعال هستند، افزونگی N+1 تنها یک ویژگی مطلوب نیست، بلکه ضروری محسوب می‌شود. زمانی که یک ماژول از کار می‌افتد، عملیات بدون وقفه ادامه می‌یابد. رویکرد ماژولار از کلیدهای قطع فیوز شده‌ای برخوردار است که می‌توانند بخش‌های معیوب را در عرض نیم ثانیه قطع کنند. از لحاظ رشد، این سیستم‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به راحتی قابل گسترش باشند، بدلیل وجود رابرهای رک استاندارد. تأسیسات می‌توانند ظرفیت خود را به تدریج افزایش دهند و به اندازه ۵ کیلووات‌ساعت در هر مرحله واحد اضافه کنند. همچنین نیازی به بازسیم‌بندی پیچیده نیست. شرکت‌ها گزارش داده‌اند که با جایگزینی سیستم‌های قدیمی یکپارچه با این سیستم‌ها، حدود ۶۰٪ در هزینه‌های ارتقا صرفه‌جویی می‌کنند. مطالعات اخیر سال ۲۰۲۳ نیز این موضوع را تأیید می‌کنند و نشان می‌دهند که چه مقدار پول در طول زمان با این زیرساخت انعطاف‌پذیر ذخیره می‌شود.