ما حجم المحوّل وخلايا التوزيع الذي يحتاجه موقع للشحن السريع بالتيار المستمر؟

يُعدّ موقع الشحن السريع بالتيار المستمر أحد الأحمال القليلة التي لا يكون فيها الرقم المطبوع على المعدة هو الرقم الذي يُحدّد الحجم بناءً عليه. فالموزّع بقدرة 350 kW مقنّن وفق ما يسلّمه للمركبة. أما التغذية الكهربائية والمحوّل ولوحة التوزيع فيجب أن تتحمّل ما يسحبه من الشبكة، وهو أكبر بنحو 6 بالمئة. ثم تزيل المادة NEC 625 المخرج الذي يلجأ إليه معظم المهندسين، لأن أحمال شحن المركبات الكهربائية أحمال مستمرة ولا يُطبّق عليها أي معامل تزامن، فيكون الحمل المحسوب هو كامل الحمل الموصول مأخوذاً بنسبة 125 بالمئة. ويصل موقع بـا00 موزّعًا مبني من أربع وحدات بقدرة 150 kW وثماني وحدات بقدرة 350 kW إلى 3,615.1 kVA من الدخل بالتيار المتردد، وقدرة محوّل 5,000 kVA، وخطّي تغذية بسعة 3,000 A عند 480 V. يتناول هذا المقال ذلك الموقع من البداية إلى النهاية بموجب كلّ من NEC وCEC، ثم يوضّح ما يزيله نظام إدارة الطاقة من ذلك الحساب. وهذه هي القواعد الكامنة خلف حاسبة سعة التغذية لشحن المركبات الكهربائية.

ما هو الحمل الكهربائي الفعلي لشاحن سريع بالتيار المستمر؟

الشاحن السريع بالتيار المستمر (DC fast charging) هو في جوهره مقوّم (rectifier). فالتصنيف المُعلن عنه هو خرج التيار المستمر المسلّم للمركبة؛ أما الجانب المتردد فيحمل ذلك الخرج مضافًا إليه فواقد التحويل، عند أيًّا كان معامل قدرة الإزاحة الذي تُبديه الوحدة الأمامية. والحمل الذي ينتمي إلى حساب التغذية هو تصنيف الدخل بالتيار المتردد المدوَّن على اللوحة، وهو ما تستهدفه المادة NEC 625.42 عندما تشترط أن يكون للمعدة تصنيف كافٍ لتزويد الحمل الذي تخدمه.

وقبل وصول مستندات الاعتماد، يمكن تقدير الجانب المتردد مبدئياً بافتراضين معلنين:

S = P ÷ (η × PF)

حيث η كفاءة التحويل من التيار المتردد إلى التيار المستمر، وPF معامل قدرة الإزاحة عند الدخل. يستخدم هذا المقال η = 0.95 وPF = 0.99، مدوَّنَين على المخطط أحادي الخط كافتراضين لا كحقيقتين ثابتتين. وهما ليسا حاسمين بالقدر الذي يبدوان عليه. فتشغيل الموقع نفسه بقدرة 3,400 kW عند η = 0.93 يعطي 3,400 ÷ 0.9207 = 3,692.8 kVA، وعند η = 0.97 يعطي 3,400 ÷ 0.9603 = 3,540.6 kVA — أي تفاوت بنحو ±2 بالمئة يختفي تمامًا ضمن التقريب إلى التصنيف القياسي التالي للمحوّل. أما ما يُغيّر الإجابة فعلاً فهو استخدام خرج التيار المستمر بوحدة kW وكأنه kVA، وهو ما يقلّل من تقدير الموقع بنحو 6 بالمئة تقريبًا في هذه الحالة.

وبعد تحديد قدرة الدخل بالتيار المتردد (kVA)، تحمل أربع علاقات إضافية بقية التصميم:

S_transformer ≥ S ÷ 0.80

I = S × 1000 ÷ (√3 × V)

OCPD ≥ 1.25 × I_continuous

I_secondary,max = 1.25 × I_rated

لا تنصّ أي قاعدة من الكود حرفياً على حدّ تحميل للمحوّل بنسبة 80 بالمئة في تلك المصطلحات. بل هو انعكاس لاشتراط الحمل المستمر بنسبة 125 بالمئة في NEC 215.3 منقولاً إلى المحوّل، وهو العرف المتّبع في مقال كيفية تحديد حجم المحوّل. أما ما يختلف بين المشاريع فهو جهد الثانوي وما إذا كان هناك نظام إدارة طاقة معمولاً به؛ ويتناول الجانب الاقتصادي لهذه الخيارات مقال تكلفة تركيب شاحن سريع بالتيار المستمر.

ما الذي تشترطه المادة NEC 625 والقسم 86 من CEC؟

يصل الكودان إلى النتيجة نفسها بطريقين مختلفين. فـNEC يطبّق معاملاً مقداره 125 بالمئة على الحمل المستمر؛ بينما يحدّ CEC الحمل المستمر عند 80 بالمئة من سعة تيار الموصل بموجب القاعدة 8-104(6)، ترتفع إلى 100 بالمئة بموجب 8-104(5) فقط عندما تكون المعدة موسومة للتشغيل المستمر بنسبة 100 بالمئة. وتُطبّق نسبة 80 بالمئة افتراضياً على المعدة غير الموسومة كذلك. ويصل الطريقان إلى الموصل والجهاز نفسيهما.

يحمل بندان ثقل التصميم. فـNEC 625.42 لا يمنح أي تنويع — وكما تذكر مجلة Consulting-Specifying Engineer، “لا توجد أي معاملات تزامن معنية. تُعدّ جميع أحمال EVSE أحمالًا مستمرة” — بينما يجعل CEC 86-300 الدارة الفرعية المشتركة مشروطة بوجود نظام EVEMS، وهو المرآة الكندية لرخصة NEC 625.42(A).

مثال محلول — موقع طريق سريع بـ_12 موزّعًا عند 480 V

المعطيات أربعة موزّعات بقدرة 150 kW وثمانية موزّعات بقدرة 350 kW، وأولي من المرفق العام بجهد 13.8 kV، وثانوي بجهد 480Y/277 V.

1. خرج التيار المستمر الموصول. 4 × 150 kW = 600 kW، و8 × 350 kW = 2,800 kW، فيصل مجموع الموقع إلى 600 + 2,800 = 3,400 kW.
2. الدخل بالتيار المتردد. S = 3,400 ÷ (0.95 × 0.99) = 3,400 ÷ 0.9405 = 3,615.1 kVA.
3. لوحة المحوّل المقنّنة. يبقي الحمل المستمر الوحدة عند 80 بالمئة أو أقل، لذا 3,615.1 ÷ 0.80 = 4,518.9 kVA. والتصنيف القياسي الثلاثي الطور التالي هو 5,000 kVA، تُوَرَّد كوحدة واحدة أو كوحدتين بقدرة 2 × 2,500 kVA. وتحمل كل وحدة بقدرة 2,500 kVA عندئذٍ نصف الموقع، أي 3,615.1 ÷ 2 = 1,807.5 kVA، وهو ما يعادل 1,807.5 ÷ 2,500 = 72.3 بالمئة من القدرة المقنّنة.
4. تيار التغذية. I = 3,615,100 ÷ (√3 × 480) = 3,615,100 ÷ 831.38 = 4,348.3 A، أو 2,174.2 A لكل خط تغذية في ترتيب بمحوّلين.
5. الجهاز الرئيسي والقضيب الناقل. 2,174.2 × 1.25 = 2,717.7 A، لذا يكون التصنيف القياسي التالي بموجب NEC 240.6(A) هو 3,000 A، على قضيب ناقل بسعة 3,000 A.
6. التحقق من الجهاز الرئيسي مقابل المحوّل. يبلغ تيار الثانوي المقنّن لوحدة بقدرة 2,500 kVA عند 480 V قيمة 2,500,000 ÷ 831.38 = 3,007.0 A، لذا يقع الجهاز الرئيسي بسعة 3,000 A عند 3,000 ÷ 3,007.0 = 99.8 بالمئة من التيار المقنّن، ويقع الحمل المستمر عند 2,717.7 ÷ 3,000 = 90.6 بالمئة من الجهاز الرئيسي. أما الحماية من التيار الزائد لوحدة 13.8 kV–480 V نفسها فتخضع لجدول NEC 450.3(A)، جدول ما فوق 1000 V الذي تتوقف أعمدته على المراقبة ونطاق المعاوقة ونوع الجهاز — ويتناول مقال تحديد حجم حماية المحوّل من التيار الزائد ذلك الجدول ومكافئاته في القسم 26 من CEC.
7. الدارات الفرعية. يسحب موزّع بقدرة 350 kW تيارًا مقداره 372.1 kVA، أي 372,100 ÷ 831.38 = 447.6 A؛ وعند 125 بالمئة يصبح ذلك 559.5 A، لذا 600 A. ويسحب موزّع بقدرة 150 kW تيارًا مقداره 159.5 kVA، أي 191.8 A؛ وعند 125 بالمئة يصبح ذلك 239.8 A، لذا 250 A.
8. تدقيق منطقي على خط التغذية. يغذّي كل خط تغذية موزّعَين بقدرة 150 kW وأربعة موزّعات بقدرة 350 kW، فيصل مجموع أجهزة الدارات الفرعية إلى 2 × 250 + 4 × 600 = 2,900 A مقابل قضيب ناقل بسعة 3,000 A.
9. محوّل المنشأة الداخلية، حيث يُطبّق NEC 450.3(B) بالفعل. محوّل خافض بقدرة 300 kVA من 480 إلى 208Y/120 V لإضاءة الموقع ومآخذه له تيار ثانوي مقنّن قدره 300,000 ÷ (√3 × 208) = 300,000 ÷ 360.27 = 832.7 A. ويحدّ الجدول 450.3(B) جهاز الثانوي عند 125 بالمئة، أي 832.7 × 1.25 = 1,040.9 A، وتسمح الملاحظة 1 بالتصنيف القياسي التالي، 1200 A.

ولو استُخدم محوّل واحد بقدرة 5,000 kVA عند 480 V لكان تيار الثانوي المقنّن له 6,014.1 A، وهو ما يتجاوز الحد الأعلى الشائع البالغ 6000 A لتصميم لوحات توزيع UL 891 والحد الأعلى البالغ 5000 A لخلايا التوزيع القابلة للسحب النموذجية بموجب UL 1558. وتقسيم القدرة إلى وحدتين بقدرة 2,500 kVA وخطَّي تغذية بسعة 3,000 A هو ما يبقي التصميم ضمن حدود تصميم لوحة توزيع الجهد المنخفض (UL 891) الاعتيادية.

كيف يبدو الموقع نفسه في كندا عند 600 V؟

يصنّف CEC 86-302 الحمل الموصول لمعدات EVSE بوصفه حملاً مستمرًا لأغراض القاعدة 8-104، وتُعبِّر القاعدة 8-104(6) عن الهامش كسقف — حمل مستمر لا يتجاوز 80 بالمئة من سعة تيار الموصل، يرتفع إلى 100 بالمئة بموجب 8-104(5) فقط عندما تكون المعدة موسومة لذلك — بدلاً من معامل الـ125 بالمئة في NEC. والحساب الرياضي متطابق؛ والجملة معكوسة فقط. وتضع القاعدة 8-104(3) عتبة ما يُعدّ حملاً مستمرًا عند 3 ساعات من كل 6 فوق 225 A، وهو ما يتجاوزه موقع شحن عام دون جدال.

أما ما يتغيّر فعليًا فهو الجهد. فعند 600 V تسحب القدرة نفسها البالغة 3,615.1 kVA تيارًا مقداره 3,615,100 ÷ (√3 × 600) = 3,615,100 ÷ 1,039.23 = 3,478.6 A، مقابل 4,348.3 A عند 480 V. ولكل خط تغذية يكون ذلك 1,739.3 A، و1,739.3 × 1.25 = 2,174.2 A، لذا ينخفض الجهاز الرئيسي من 3,000 A إلى 2,500 A. ولا تتغيّر قدرة المحوّل بوحدة kVA، لأن kVA لا تعتمد على الجهد — بل يتغيّر التيار فقط، وبالتالي التجهيزات والقضيب الناقل والكابل. أما الحماية من التيار الزائد للمحوّل نفسها فتقع ضمن القسم 26 من CEC وليس القسم 86، وتختلف عن NEC في الجانب الأولي؛ ويحمل مقال تحديد حجم حماية المحوّل من التيار الزائد أرقام تلك البنود.

كم يغيّر نظام إدارة الطاقة في حجم المحوّل؟

هذه هي أكبر رافعة منفردة في قائمة المواد. يسمح NEC 625.42(A) لنظام إدارة طاقة (EMS) متوافق مع 750.30 بتحديد الحمل الأقصى للمعدة على التغذية والمغذّي، ويوسّع 625.42(B) المنطق نفسه ليشمل معدات EVSE ذات وصول مقيّد إلى وسيلة لتعديل التيار وفق 750.30(C). أما في كندا، فتسمح CEC 8-500 لنظام EVEMS بمراقبة التغذية والمغذّيات والدارات الفرعية والتحكم في أحمال EVSE، شريطة ألا يتجاوز الحمل المتحكَّم به القاعدة 8-104(5) أو (6). وإذا حُدّد سقف الموقع عند 1,800 kW من التسليم المتزامن، ينخفض الحمل المحسوب معه:

وتُقرّب قيمة 2,392.3 kVA للأعلى إلى محوّل واحد بقدرة 2,500 kVA بدلاً من 5,000 kVA. أما الدخل بالتيار المتردد غير المحدود سقفًا الكامن خلف هذا الرقم فهو 1,800 ÷ 0.9405 = 1,913.9 kVA، فيصبح تيار التغذية 1,913,900 ÷ 831.38 = 2,302.0 A عند 480 V، و2,302.0 × 1.25 = 2,877.5 A — أي أن خط تغذية واحدًا بسعة 3,000 A يحلّ محلّ خطّين. والمقايضة هنا هي في سعة التسليم خلال ذرى الطلب المتزامنة، وهي مسألة استغلال لا مسألة كود — ويتناول مقال إدارة أحمال شحن المركبات الكهربائية الحالات التي تستحق فيها هذه المقايضة، وتُشغِّل حاسبة سعة التغذية كلتا الحالتين جنبًا إلى جنب.

مرجع لكل شاحن على حدة

الدخل بالتيار المتردد وجهاز الدارة الفرعية لتصنيفات خرج التيار المستمر الشائعة، عند η = 0.95 وPF = 0.99. ويشير مركز بيانات الوقود البديل التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) إلى أن وحدات الشحن بالتيار المستمر تصل الآن حتى 500 kW؛ ويمثّل صف 1,250 kW موزّعًا من فئة الميغاواط للمركبات الثقيلة، ويُظهر أين يستنفد جهد 480 V هامشه.

والمحوّل الذي يترتّب على إجمالي خرج الموقع، عند حمل مستمر بنسبة 80 بالمئة:

ويقود السلَّم نفسه حاسبة اختيار المحوّلات وحمايتها، ويعرض مقال كيفية تحديد حجم المحوّل التعديلات الأربعة الأخرى — الطلب والنمو والارتفاع والتوافقيات — التي تقف جنبًا إلى جنب مع هامش الخدمة المستمرة المستخدم هنا.

ما الذي يجب تحديده في المواصفة

• قدرة المحوّل بوحدة kVA، من مجموع تصنيفات الدخل بالتيار المتردد مقسومًا على 0.80 ومقرَّبًا للأعلى ضمن سلّم ANSI C57.12. ويأتي الرقم من مستندات اعتماد الشاحن، لا من التصنيف التسويقي — 3,615.1 ÷ 0.80 = 4,518.9 kVA في الموقع محل الدراسة.
• جهد الثانوي وتشكيله، 480Y/277 V أو 600Y/347 V، ويُحسم وفق التيار الناتج عنه. فالفارق بين 3,478.6 A و4,348.3 A لقدرة kVA نفسها يعادل حجم إطار كاملاً؛ ويتناول مقال اختيار جهد توزيع المنشأة هذه المقايضة الأوسع.
• تصنيف الجهاز الرئيسي والقضيب الناقل، عند 125 بالمئة من الحمل المستمر — NEC 215.3 للمغذّي، و230.90(A) عندما يكون الجهاز هو قاطع فصل التغذية — ثم يُتحقَّق منه مقابل تيار الثانوي المقنّن للمحوّل — 3,007.0 A لوحدة بقدرة 2,500 kVA عند 480 V — ومقابل جدول الحماية الصحيح، 450.3(A) فوق 1000 V أو 450.3(B) عند 1000 V فأقل.
• تيار العطل المتاح وتصنيف المعدة، من خطاب معاوقة المصدر الصادر عن المرفق العام والمعاوقة المئوية (%Z) للمحوّل، مع التحقق منه مقابل تصنيف القصر للمجمّع وفق NEC 110.9. ويتناول مقال تيار العطل المتاح وتصنيف تيار القصر (SCCR) هذا الحساب.
• حمل التوافقيات، يُطلب كبيانات تشوّه من مُصنِّع الشاحن وتُنقل إما إلى تصنيف بمعامل K أو إلى محوّل مخفّف للتوافقيات، مع التحقق من نقطة الاقتران المشتركة مقابل IEEE 519. راجع المحوّلات ذات معامل K وحدود IEEE 519 للتشوه التوافقي.
• نقطة ضبط نظام EMS أو EVEMS وآلية إنفاذها، مستندة إلى NEC 625.42(A) و750.30 أو CEC 8-500، مع بيان الحد الأقصى المتحكَّم به بوحدة kW على المخطط أحادي الخط ليتمكّن مراجع المخطط من تتبّع التخفيض.

أخطاء شائعة

• جمع خرج التيار المستمر بوحدة kW واعتباره kVA. يعطي ذلك في الموقع محل الدراسة 3,400 kVA بدلاً من 3,615.1 kVA، ما يقلّل من تقدير التغذية بمقدار 215.1 kVA، أي أقل بقليل من 6 بالمئة، ويقلّل من التيار بمقدار 4,348.3 − 4,089.6 = 258.7 A. وتصنيف الدخل بالتيار المتردد في مستند الاعتماد هو الرقم الذي تطلبه NEC 625.42، وهو أول ما يتحقق منه المراجع.
• تطبيق معامل تزامن على عدد الشواحن. لا يوجد أي معامل من هذا القبيل لمعدات EVSE. فافتراض تنويع بنسبة 20 بالمئة يخفض الأساس إلى 2,892.1 kVA والمحوّل إلى 2,892.1 ÷ 0.80 = 3,615.1 kVA، أي وحدة بقدرة 3,750 kVA بدلاً من 5,000 kVA — خطوة تصنيف كاملة تُشترى بمعامل لا يمنحه الكود. والتخفيض المسموح به الوحيد هو نقطة ضبط نظام EMS بموجب NEC 625.42(A) أو نظام EVEMS بموجب CEC 8-500، منفَّذًا في العتاد.
• تصنيف محوّل متوسط الجهد بموجب جدول NEC 450.3(B). لا يشمل ذلك الجدول سوى المحوّلات المقنّنة عند 1000 V أو أقل؛ وتُحمى وحدة 13.8 kV–480 V بموجب الجدول 450.3(A)، الذي تتوقف أعمدته على المراقبة ونطاق المعاوقة ونوع الجهاز. ويحكم 450.3(B) بدلاً من ذلك المحوّل الخافض 480–208Y/120 V، حيث يحدّ تيار الثانوي المقنّن البالغ 832.7 A جهاز الثانوي عند 1,040.9 A.
• أخذ 125 بالمئة من رقم مخفّض بالفعل. معامل الـ125 بالمئة وسقف الـب0 بالمئة هما الهامش نفسه معبّرًا عنه مرتين، مرة بموجب NEC 215.3 ومرة بموجب CEC 8-104(6). وتراكمهما معًا يعطي 5,648.6 kVA في الموقع محل الدراسة وخطوة تصنيف غير ضرورية.

أين تتموضع Entogo

تبني Entogo جانب المحوّل والمحطة الفرعية وخلايا التوزيع لموقع الشحن في مصنعها الخاص. تعمل الوحدات ثلاثية الطور المثبّتة على قاعدة (pad-mounted) بقدرة 75–2500 kVA ضمن فئة 15/25/35 kV، بأولي 12.47–34.5 kV وثانوي 208Y/120 أو 240/120 أو 480Y/277 أو 600 V، بحيث تُخدَم حالة كندا بجهد 600 V المذكورة أعلاه مباشرةً؛ وهي مصمَّمة ومصنَّعة وفق IEEE C57.12.34 وDOE 10 CFR 431. وحيث ينتمي تبديل الجهد المتوسط والقسم منخفض الجهد إلى غلاف واحد، تغطي المحطة الفرعية الوحدوية المدمجة (compact secondary unit substation) فئة 15/25 kV حتى 2,500 kVA بثانوي 208Y/120 و480Y/277 و600 V، مصمَّمة ومصنَّعة وفق IEEE C37.121 وANSI C57.12.34 / C57.12.28. أما لوحات توزيع الجهد المنخفض فتعمل ضمن 800–6000 A عند 600 V أو أقل، مصمَّمة ومصنَّعة وفق UL 891، وتصل خلايا التوزيع القابلة للسحب إلى 5000 A عند 65/85/100 kAIC، مصمَّمة ومصنَّعة وفق UL 1558 وANSI C37.20.1. وجميعها قابل للاعتماد من UL (cULus) / CSA عند الطلب.

شغِّل بيانات الموقع عبر حاسبة سعة التغذية لشحن المركبات الكهربائية لتحديد قدرة kVA والجهاز الرئيسي، ثم انقل النتيجة إلى أداة تهيئة المحوّل أو إلى صفحتي المحوّل المثبّت على قاعدة (pad-mounted) ولوحة توزيع الجهد المنخفض (UL 891) لتحديد أحجام الإطار. وللتصنيفات الشائعة صفحات حجم خاصة بها، من بينها 500 kVA و2500 kVA، وتوضّح صفحة البنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية كيفية تجميع المحوّل وخلايا التوزيع وتشكيلة الشواحن معًا. ولأن المصنع داخلي بالكامل، تُجدول السعة وفق المشروع لا وفق طابور انتظار.

يختزل الحساب بأكمله إلى استبدال واحد ومعامل واحد. حوِّل خرج التيار المستمر إلى دخل بالتيار المتردد قبل أي شيء آخر، وخذ 125 بالمئة لأن NEC 625.42 تنصّ على أن الحمل مستمر ولا تمنح أي تنويع، ودع سلالم التصنيف القياسي تقرّب النتيجة. وتنتج قدرة المحوّل البالغة 5,000 kVA، والجهازان الرئيسيان بسعة 3,000 A، وأجهزة الدارات الفرعية بسعة 600 A كلها عن هاتين الخطوتين، ونقطة ضبط نظام EMS هي الرافعة الوحيدة المشروعة التي تخفّض الإجابة.