شهادة معيارية أمريكية لأعمدة الشحن (III) - تفاصيل تصميم أعمدة التيار المتردد (الطرف الأمامي لخط الإدخال ورأس مدفع الإخراج)

من منظور مبادئ المنتج، فإن محطات الشحن الأمريكية القياسية للتيار المتردد لا تختلف عن المعايير الوطنية والأوروبية - فكلاهما يعمل كمفاتيح كهربائية كبيرة، حيث يقوم بتوصيل طاقة التيار المتردد من الشبكة إلى الشاحن الموجود على متن السيارة، والذي يقوم بدوره بتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر لشحن بطارية الطاقة.

على الرغم من تشابهها بشكل عام، إلا أن هناك اختلافات جوهرية في العديد من التفاصيل مقارنةً بالمعايير الوطنية والأوروبية. وإلا، لكان من السهل جدًا بيعها مباشرةً في الولايات المتحدة دون أي تعديلات.

(1)

قبل مناقشة خطوط الإدخال لمحطات شحن التيار المتردد في أمريكا الشمالية، دعونا أولاً نتعرف على نظام الجهد لشبكة الطاقة الكهربائية للتيار المتردد في الولايات المتحدة.

تتشابه أنظمة شبكات الكهرباء في معظم دول العالم مع تلك الموجودة في أوروبا (التي كانت تعاني من آثار الاستعمار والحرب)، حيث يبلغ جهد التيار الكهربائي المنزلي العادي 220-230 فولت تيار متردد بتردد 50 هرتز، بينما يبلغ جهد التيار الكهربائي الصناعي ثلاثي الأطوار 380-400 فولت تيار متردد بتردد 50 هرتز. ومن الواضح أن جهد الكهرباء الصناعية يساوي ثلاثة أضعاف جهد التيار المنزلي - أي الفرق بين جهد الخط وجهد الطور.

يتميز نظام الجهد الكهربائي في الولايات المتحدة بخصوصية فريدة، حيث يبلغ الجهد الكهربائي المنزلي السائد 120/240 فولت بتردد 60 هرتز، بينما يبلغ الجهد الصناعي السائد 480/277 فولت تيار متردد بتردد 60 هرتز. أما الجهد المستخدم في المباني التجارية أو السكنية ذات الكثافة السكانية العالية فهو 120/208 فولت تيار متردد بتردد 60 هرتز، في حين يبلغ 347/600 فولت تيار متردد بتردد 60 هرتز في بعض الصناعات الثقيلة الكبيرة.

هل أنت أيضاً متفاجئ من سبب فوضى نظام الجهد الكهربائي في الولايات المتحدة؟

يعود استخدام جهد 110 فولت إلى إديسون، مخترع المصباح الكهربائي الشهير. بعد تجارب ومقارنات عديدة، وجد أن المصباح يتمتع بأعلى كفاءة إضاءة وأطول عمر افتراضي عند استخدام جهد 110 فولت. لذا، في عام 1882، طرح إديسون رسميًا تيارًا كهربائيًا مستمرًا بجهد 110 فولت في السوق في محطة بيرل ستريت لتوليد الطاقة، أول محطة تجارية لتوليد الطاقة بالتيار المستمر في الولايات المتحدة.

لكننا نعلم جميعًا أن للتيار المستمر عيبًا رئيسيًا، وهو فقدان الحرارة الشديد أثناء نقله لمسافات طويلة، مما يهدر كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية. ولتجنب هذا الفقدان المفرط للطاقة، ابتكر نيكولا تيسلا نظام التيار المتردد. ورغم أن التيار المتردد تفوق في النهاية على التيار المستمر، إلا أن آلاف الأجهزة والمعدات التي تعمل بجهد 110 فولت كانت قد تم تركيبها بالفعل في المنازل والمصانع الأمريكية آنذاك.

ولتسهيل الانتقال السلس إلى عصر التيار المتردد، قدم تسلا حلاً وسطاً: فقد حدد أيضاً جهد التيار المتردد المنزلي عند 110 فولت. لم يقتصر هذا على حماية استثمارات المعدات للمستخدمين الحاليين فحسب، بل قضى أيضاً على مخاوف الجمهور من التيار المتردد عالي الجهد (الذي كان يُعتقد على نطاق واسع أنه أكثر ضرراً على صحة الإنسان في ذلك الوقت).

لذلك، فإن اعتماد طاقة التيار المتردد 110 فولت في الولايات المتحدة هو نتيجة لاستيعاب طاقة التيار المستمر 110 فولت.

مع ظهور عصر الكهرباء، أدرك المهندسون تدريجيًا أن نظام 110 فولت في الولايات المتحدة، مقارنةً بنظام 220/240 فولت الذي تم اعتماده لاحقًا في أوروبا، يعاني من خسائر أكبر عند نقل الكهرباء عالية الطاقة، ويتطلب أسلاكًا نحاسية أكثر سمكًا لتجنب ارتفاع درجة حرارتها. ولكن إذا قمنا بالترقية الشاملة إلى 220 فولت تيار متردد، ستكون التكلفة باهظة للغاية. فالأجهزة والمقابس والصمامات، بل وحتى شبكة توزيع الكهرباء بأكملها في ملايين المنازل في جميع أنحاء الولايات المتحدة، مصممة جميعها وفقًا لنظام 110 فولت.

لهذا السبب، ابتكر مهندسو الكهرباء في الولايات المتحدة "طريقة التربة" الذكية للغاية - تقنية الطور المنفصل.

بين السلك الحي والسلك المحايد في المنتصف، يتم تشكيل جهد 110 فولت / 120 فولت، مصمم خصيصًا للأجهزة المنزلية الصغيرة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون والمصابيح الكهربائية (آمنة وغير ساخنة عند اللمس).

عندما يتم توصيل سلكين كهربائيين حيين معًا، فإنهما يتحولان على الفور إلى 220 فولت / 240 فولت، وهو مصمم خصيصًا لـ "النمور الكهربائية" مثل مكيفات الهواء وسخانات المياه الكهربائية والمجففات (بكفاءة عالية واستهلاك منخفض للأسلاك).

بعد فهم أصول 120 فولت تيار متردد و240 فولت تيار متردد، يصبح من السهل أيضاً فهم أصل 208 فولت تيار متردد. 208 فولت هو جهد الخط لـ 120 فولت (ثلاثة أضعاف الجذر).

(II)

بعد فهم نظام الجهد الكهربائي في الولايات المتحدة، دعونا الآن نلقي نظرة على جهد الإدخال لمولد التيار المتردد الأمريكي.

توجد ثلاثة أنواع من الجهد الكهربائي لمحطات الشحن العادية التي تعمل بالتيار المتردد في الولايات المتحدة، وهي 120 فولت، و208 فولت، و240 فولت. ويعتمد ترويج شركات الشحن بشكل أساسي على نطاقات الجهد التي تدعمها، إما 110-120 فولت أو 200-240 فولت.

تجدر الإشارة إلى أن محطة الشحن ذات مدخل 208 فولت تعمل بنظام أحادي الطور، وليس بقدرة 16 كيلوواط أو 22 كيلوواط كما هو شائع في محطات الشحن الأوروبية ثلاثية الطور ذات الخمسة أسلاك. مع ذلك، لا تزال محطات الشحن ثلاثية الطور نادرة في الولايات المتحدة، وقد تم البحث عنها في السوق دون جدوى.

ومن بينها، 110~120 فولت تيار متردد هو توصيل قابس عادي يمكنه دعم إدخال تيار أقصى يبلغ 16 أمبير.

بالنسبة لمحطات الشحن بالتيار المتردد ذات مدخل 200-240 فولت (208 فولت أو 240 فولت)، يمكن أن يكون طرف خط الإدخال عبارة عن قابس أو طرف توصيل كابل. أما مقبس "الجهد العالي" ذو مدخل 240 فولت في الولايات المتحدة (المكون من أربعة أسلاك: سلكان موصلان للتيار، وسلك محايد، وسلك أرضي) فيجب تركيبه بواسطة كهربائي متخصص.

بالمناسبة، يجب أن يتوافق مقبس توصيل قابس الإدخال لمحطة الشحن بتيار متردد 240 فولت مع متطلبات معيار NEMA14-50. الحد الأقصى لتياره المسموح به هو 50 أمبير. ووفقًا لمتطلبات معيار التركيبات الكهربائية الأمريكي NFPA 70، يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى للتيار المستخدم من قبل الأجهزة الكهربائية 80% من التيار المقنن للمقبس. لذا، فإن الحد الأقصى للتيار لمحطة شحن بتيار متردد 240 فولت مزودة بقابس لا يتجاوز 40 أمبير، بقدرة 9.6 كيلوواط.

(3)

بعد مناقشة متطلبات جانب الإدخال لمحطة الشحن بالتيار المتردد الأمريكية القياسية، دعونا نتجاوز الغلاف ونلقي نظرة مباشرة على جانب الإخراج.

جانب الإخراج في محطة شحن الاتصالات بسيط للغاية، فهو يتكون فقط من حامل المسدس وكابل المسدس الذي يتوافق مع حامل المسدس.

إذا قمت بتصفح موقع محطة الاتصالات في الولايات المتحدة، ستجد أن أي محطة شحن ستوفر نوعين من مقابس المسدس، وهما واجهة TYPE1 التي تتوافق مع SAE J1772 وواجهة NACS التي تتوافق مع Tesla SAE J3400.

يمكن الاطلاع على تفاصيل الهيكل والحجم المحددة لرأس البندقية وحامل البندقية ذي الواجهتين في المعايير ذات الصلة.

داخليًا، لا يوجد فرق بين واجهة NACS الخاصة بتسلا وواجهة TYPE1 الخاصة بمعيار SAE J 1772، فكلتاهما تتكون من خمسة أسلاك – L/N/PE/CP/PP. بالطبع، تصميم تسلا ذكي للغاية، حيث أن واجهتي التيار المستمر والتيار المتردد متطابقتان.

فيما يخص سوق محطات الشحن في أمريكا الشمالية، تشهد واجهة الشحن تحولاً من واجهة TYPE1 التقليدية إلى واجهة NACS، ومن المتوقع أن تدعم المزيد من السيارات واجهات تسلا في المستقبل. تجدر الإشارة إلى أن محطات الشحن بالتيار المتردد القديمة المزودة بواجهات TYPE1 لم تكن قادرة على شحن سيارات NACS الجديدة.

بالطبع، لا داعي للقلق كثيراً، فهناك الكثير من المحولات في السوق التي يمكن أن تساعدك.

يُحظر استخدام محولات رؤوس المسدسات منعًا باتًا في المعيار الأوروبي IEC 61851-1:2017، بينما لا توجد بنود مماثلة في معيار UL 2594 الأمريكي. لا يُحظر استخدامها قانونًا، ويمكن استخدامها مباشرةً.

هذا كل ما يتعلق بجانبي الإدخال والإخراج لمحطة الشحن الأمريكية القياسية للتيار المتردد. في المقال التالي، سنشارككم تفاصيل تصميم "الهيكل".