نگهداری و تعمیرات ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی

(نویسنده:مهندس مائده رستمی، مدیر مهندسی شرکت خزرترانسفو)

ماهنامه پردازش-ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی به عنوان مبدل‌های الکتریکی جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) از کاربرد گسترده‌ای در فرایندهای الکتروشیمیایی و متالورژی برخوردار هستند. این تجهیزات جزو لاینفک ماشین‌آلات مورد نیاز صنایع فرآوری معدنی از جمله استحصال و پالایش الکتریکی فلزات رنگین، ذوب مواد دیرگداز توسط قوس الکتریکی جریان مستقیم، آبکاری و سخت‌کاری سطوح فلزی می‌باشند. از این منظر آشنایی با اصول عملکرد، اجزاء و قطعات، شرایط محیطی کار، عیب‌یابی و تعمیرات ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی برای اپراتورها و تکنسین‌های واحد نگهداری و تعمیرات کارخانجات بهره‌بردار این تجهیزات از جایگاه شایان توجهی برخوردار است. اهمیت این موضوع زمانی افزایش می‌یابد که یادآور شویم ترانس‌رکتیفایرهای موجود در صنایع در اثر سالخوردگی و بعضاً شرایط نامناسب نگهداری و تعمیرات از ضریب اطمینان مطلوبی برخودار نیستند.

خارج شدن ترانس‌رکتیفایر از سرویس مترادف با توقف تولید و تحمیل زیان‌های هنگفت ناشی از آن تا زمان انجام تعمیرات و برگردان ترانس‌رکتیفایر به مدار تولید است.

اهمیت نگهداری و تعمیرات صنعتی

در اهمیت نگهداری و تعمیرات تجهیزات ترانس‌رکتیفایر صنعتی همین بس که معمولا ارزش محصولات تولید شده طی یک روز برابر با بهای مجموعه ترانس‌رکتیفایر است. به این نکته اضافه کنید که تعمیرات اساسی ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی بزرگ بعضاً هفته‌ها به طول می‌انجامد. بنابراین به منظور اجتناب از ضررهای هنگفت اقتصادی از مجموعه دو ترانس‌رکتیفایر استفاده می‌شود تا در صورت بروز اشکال در عملکرد یکی از آنها دیگری به کار خود ادامه دهد و واحد صنعتی دچار توقف کامل نگردد. علی‌ایحال با انجام سرویس‌های دوره‌ای از قبیل بازدید ظاهری، پاک‌سازی قطعات اصلی، آچارکشی رساناها، بررسی و رفع نقاط داغ از کلیدفیوز ورودی تا شینه‌های خروجی، کنترل کیفیت تغذیه ورودی، بازدید سیستم‌های خنک‌کننده، کنترل دما، رطوبت و سایر آلاینده‌های هوای محیط می‌توان به ضریب اطمینان بالاتر عملکرد تجهیزات، مصرف بهینه انرژی و راندمان مطلوب، ایمنی اپراتورها، افزایش طول عمر اجزاء و قطعات و نیز بهبود پارامتر متوسط زمان بین خطاها دست یافت.

آشنایی با فناوری‌های رایج ساخت ترانس‌رکتیفایر صنعتی

فناوری ساخت ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی مانند سایر تکنولوژی‌ها با پیشرفت علم دستخوش تغییرات اساسی شده است. با وجود این کماکان تکنولوژی‌های نسل‌های قبلی به دلیل کارآمدی و کفایت در برآوردن نیاز صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. بهره جستن از ترانس‌رکتیفایرهای مدرن و مزایای آنها مستلزم آشنایی تکنسین‌های الکتریکال کارخانجات با اصول نگهداری و تعمیرات این تجهیزات است.

• ترانس‌رکتیفایرهای دیودی؛ رایج‌ترین فناوری در ساخت ترانس‌رکتیفایر صنعتی استفاده از دیود به عنوان المان یکسوسازی است. این تجهیزات به طور گسترده‌ای در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند چرا که به واسطه سطح پایین و ساده تکنولوژی نیازی به اشراف فنی اپراتورها و تکنسین‌ها نیست. تلفات حرارتی دیودها با روش‌های مختلف مانند دمش هوا، گردش آب یا غوطه‌وری در روغن از آن دور می‌شوند. عیب اصلی این فناوری عدم‌امکان تنظیم سطح جریان مستقیم در خروجی است که عمدتاً با تنظیم سطح ولتاژ در سمت اولیه ترانسفوماتور با استفاده از تپ‌چنجر، واریاک و یا تریاک تا حدودی مرتفع می‌گردد که البته در معایب دیگر مانند راندمان و ضریب توان شرایط را بدتر می‌کنند. برای دستیابی به تنظیمات دقیق جریان مستقیم خروجی می‌توان از راکتورهای اشباع شونده در سمت ثانویه استفاده نمود که فناوری طراحی و ساخت آن در انحصار تعداد معدودی از شرکت‌های سازنده ترانس‌رکتیفایر در جهان می‌باشد.
• ترانس‌رکتیفایرهای تریستوری؛ جایگزین شدن تریستور با دیود در ساخت ترانس‌رکتیفایرها توانست مشکل عدم‌تنظیم سطح جریان مستقیم خروجی را در ازاء افزایش پیچیدگی تجهیزات به واسطه افزوده شدن مدارهای کنترل زاویه آتش تریستور برطرف نماید. هم‌اکنون این ترانس‌رکتیفایرها از سهم قابل توجهی از تجهیزات مورد استفاده در صنایع را به خود اختصاص داده‌اند. عیب اصلی این فناوری ضریب توان غیربهینه در نقاط کار با ولتاژ متفاوت با ولتاژ نامی ترانس‌رکتیفایر است به گونه‌ای که مقدار ضریب توان تقریباً برابر با نسبت ولتاژ نقطه کار به ولتاژ نامی ترانس‌رکتیفایر است.
• ترانس‌رکتیفایرهای سوییچینگ: پیشرفت تکنولوژی در ساخت نیمه‌هادی‌های قدرت به‌ویژه توسعه ترانزیستورهای IGBT زمینه توسعه نسل نوینی از ترانس‌رکتیفایرهای مبتنی بر سوییچینگ را فراهم نمود.دستیابی به مکانیزم کلیدزنی با فرکانس بالا از یکسو منجر به کاهش چشمگیر حجم و وزن ترانسفورماتورها شد و از سوی دیگر در هم‌افزایی با مدولاسیون پهنای پالس مشکل ضریب توان غیربهینه در نقاط کار با ولتاژ متفاوت با ولتاژ رکتیفایر را به طور کامل برطرف نمود. مشکل اصلی این فناوری عدم امکان ساخت ترانس‌رکتیفایرهای مگاواتی با ضریب اطمینان مطلوب است که در آینده با توسعه بیشتر تکنولوژی ساخت نیمه‌های قدرت در مقیاس اقتصادی برطرف خواهد شد.

معرفی پارامترهای اساسی ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی

در عمده مراجعات مربوط به تجهیزات ترانس‌رکتیفایر صنعتی صرفا به ظرفیت جریان خروجی آن به عنوان پارامتر معرف دستگاه اشاره می‌شود در حالیکه برای شناخت و ارزیابی ترانس‌رکتیفایر صنعتی پارامترهای متعددی مورد نیاز است که برخی آنها در ادامه توضیح داده شده‌اند:

• جریان مستقیم خروجی(I_OUT)؛ حداکثر میزان جریانی است که رکتیفایر در شرایط کاری نرمال به ویژه با رعایت دما و رطوبت محیط کار می‌تواند به فرایند صنعتی تحویل دهد.
• ولتاژ مستقیم خروجی(V_OUT)؛ حداکثرمیزان ولتاژ است که رکتیفایر در شرایط کاری نرمال به ویژه با تأمین ولتاژ ورودی مناسب می‌تواند در حداکثر جریان مستقیم خروجی به فرایند صنعتی اعمال کند.
• ولتاژ مدار باز(OCV)؛ حداکثرمیزان ولتاژ است که در شرایط کاری نرمال به ویژه با تأمین ولتاژ ورودی مناسب در ترمینال‌های خروجی رکتیفایر اندازه‌گیری می‌شود.
• ولتاژ تغذیه؛ اطلاعات ولتاژ مورد نیاز کار رکتیفایر شامل تعداد فاز، فرکانس، مقدار ولتاژ و محدوده مجاز تغییرات آن است.
• ریپل (Ripple)؛ پارامتر اصلی معرف کیفیت جریان مستقیم خروجی ترانس‌رکتیفایر است که با تقسیم مولفه متناوب به مولفه مستقیم ولتاژ خروجی به دست می‌آید. نکته حائز اهمیت آنکه پارامتر ریپل در ولتاژ نامی ترانس‌رکتیفایر مشخص می‌گردد.
• خنک‌کنندگی (Cooling): نحوه دفع حرارت ناشی از تلفات در ترانس‌رکتیفایر را مشخص می‌کند. از روش‌های مرسوم می‌توان به دمش هوا (AF)، گردش روغن بدون دمش هوا (ONAN)، گردش روغن خنک شده توسط آب (OFWF) اشاره کرد.
• راندمان (Efficiency)؛ این پارامتر به صورت کل توان خروجی ترانس‌رکتیفایر تقسیم بر توان مصرفی آن از منبع تغذیه تعریف می‌شود. میزان تلفات هادی‌های ترانسفورماتور و میزان تلفان کلیدزنی در قطعات نیمه‌هادی عوامل اصلی تعیین‌کننده راندمان ترانس‌رکتیفایر هستند.
• ضریب توان (PF)؛ عبارت است نسبت توان اکتیو مصرف شده توسط ترانس‌رکتیفایر به توان ظاهری دریافت شده توسط آن.
• کلاس حفاظتی (IP)؛ پارامتر کلاس حفاظتی با دو عدد مشخص می‌شود که عدد سمت چپ بیانگر قطر منافذ پوسته ترانس‌رکتیفایر و عدد سمت راست بیانگر پاشش مجاز آب به روی آن است.
• تداخل هارمونیک (THD)؛ اینپارامتر بیانگر مجموع مولفات همه فرکانس‌های تزریق شده به شبکه از سوی ترانس‌رکتیفایر است.
• دمای کار (Working Temperature)؛ دمای مطلوب کار ترانس‌رکتیفایر که مبنای محاسبات دفع تلفات و ظرفیت‌های جریان قطعات رسانا و نیمه‌هادی‌هاست.
• ابعاد (Dimensions)؛ اندازه‌های ابعادی ترانس‌رکتیفایر در سه بُعد عمدتاً به میلیمتر ارائه می‌شود.
• وزن(Weight)؛ وزن ترانس‌رکتیفایر به دو صورت بدون سیال خنک‌کننده و با سیال خنک‌کننده عمدتاً با واحد کیلوگرم ذکر می‌گردد.

مروری بر اجزاء تشکیل‌دهنده ترانس‌رکتیفایرها

• ترانس‌رکتیفایرهای دیودی؛ بخش‌های اصلی تشکیل‌دهنده این نوع ترانس‌رکتیفایرها عبارت از کلید فیوز برق ورودی، ترانسفورماتور اصلی، مجموعه یکسوسازهای دیودی است. بخش‌های انتخابی دیگر می‌تواند شامل فیلتر خروجی، واریاک ورودی، ترایاک ورودی، راکتورهای اشباع شونده، سنجه‌ها و نمایشگرهای جریان و ولتاژ و تابلو کنترل باشد.
• ترانس‌رکتیفایرهای تریستوری؛ بخش‌های اصلی تشکیل‌دهنده این نوع ترانس‌رکتیفایرها عبارت از کلید فیوز برق ورودی، ترانسفورماتور اصلی، مجموعه یکسوسازهای تریستوری و مدار کنترل زاویه آتش تریستور است. بخش‌های انتخابی دیگر می‌تواند شامل فیلتر خروجی، سنجه‌ها و نمایشگرهای جریان و ولتاژ، تابلو اتوماسیون و نمایشگر لمسی باشد.
• ترانس‌رکتیفایرهای سوییچینگ؛ بخش‌های اصلی تشکیل‌دهنده این نوع ترانس‌رکتیفایرها عبارت از کلید فیوز برق ورودی، پل دیودی ورودی، پل ترانزیستوری، ترانسفورماتور فرکانس بالا، مجموعه یکسوسازهای فست‌دیودی و مدار کنترل مدولاسیون پهنای پالس است. بخش‌های انتخابی دیگر می‌تواند شامل تابلوی کنترل دارای نمایشگر لمسی باشد.

عیب­یابی و رفع اشکال مقدماتی:

• خطای دما؛ در صورت بروز این خطا میبایستدمای ترانسفورماتور، یکسوساز، بدنه ترانس رکتیفایر و سلامت تجهیزات خنک کاری بررسی گردد.
• خطای اضافه جریان خروجی؛ دستگاه می‌بایست از نظر مدار کنترلی و فیدبک های مربوطه چک شود.
• خطای اتصال کوتاه خروجی: در صورت وقوع اتصال کوتاه در خط مثبت و منفی خروجی و یا ایرادات احتمالی بار این خطا دیده می شود.
• خطای کنترل فاز؛ در صورت وجود اختلال در برق ورودی اعم از افزایش یا کاهش ولتاژ، عدم تعادل فازها و یا جابجایی فازها این خطا رخ می دهد.
• خطای اضافه جریان ورودی؛ در صورت نوسان برق ورودی، عدم‌تعادل جریان و قطعی یک از فازها احتمال دیده شدن این خطا وجود دارد.
• خطای فیوز تریستور؛ در صورت افزایش جریان تریستورها از مقدار مجاز امکان سوختن فیوزهای مربوطه وجود دارد. در این حالت می‌بایست سلامت فیوزها و تریستورهای مربوطه چک شود.
• خطای سیستم خنک‌کننده؛ با توجه به نوع خطا میبایست فیدبک های مربوطه چک شود. برای مثال خطای دما، فشار سیال، قطعی برق و …
• تریپ کلید فیوز ورودی؛ در صورت رخ دادن هر یک از خطاهای فوق فرمان قطع از سیستم کنترلی ارسال شده و منجر به قطع کلید قدرت ورودی سیستم می شود.
• خطای عدم‌تعادل جریان؛ در صورت قطعی یک از فازها و یا سوختن فیوزهای تریستورها امکان وقوع این خطا وجود دارد.

تعمیر و نگهداری منظم، تجزیه و تحلیل سریع عیب و تعمیرات به موقع برای عملیاتی نگه‌داشتن یکسوکننده‌های صنعتی ضروری است. این خدمات شامل بازدید دوره‌ای، نگهداری و تست تمامی تجهیزات از تابلو HV بالا دست تا خروجی DC متصل به فرآیند می‌باشد.

توصیه اکید می‌گردد کارخانجات دارای ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی نسبت به آموزش تخصصی تکنسین‌های الکتریکال خود در حوزه تعمیرات و نگهداری ترانس‌رکتیفایرهای صنعتی در آموزشگاه‌های صنعتی معتبر اقدام نمایند. از این منظر آشنایی ایشان با پارامترهای متعدد قطعات نیمه‌هادی، عملکرد اتوماسیون صنعتی، نکات نگهداری ترانسفورماتور می‌تواند بعضاً از وارد آمدن خسارت‌های چندین میلیارد تومانی جلوگیری نماید.