مقاله ماشین سه فاز

توضیحات

  مقاله ماشین سه فاز دارای 57 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله ماشین سه فاز  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله ماشین سه فاز،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن مقاله ماشین سه فاز :

ماشین سه فاز

مقدمه
بحت انرژی از دو دیدگاه اقتصادی و زیست محیطی حائز اهمیت است . بهینه سازی مصرف انرژی به این معنی است كه بتوان با استفاده از تجهیزات و یا مدیریت بهتر همان كار را ولی با مصرف انرژی كمتر انجام بدهیم .

صرفه جوئی انرژی می تواند با استفاده از تجهیزات بهتر نظیر : عایق بندی مطلوب ، افزایش راندمان سیسمتهای حرارتی، و بازیابی تلفات حرارتی بدست آید از طرف دیگر اعمال مدیریت انرژی، بمنظور درك سیستمهای موجود و طریقه استفاده از آنها، میتواند در كاهش مصرف انرژی نقش مهمی داشته باشد. در سیاست گذاری انرژی باید سازمانها رویكرد سیستمی داشته باشند. برای مثال در بهینه سازی مصرف انرژی الكتریكی هدف تنها كاهش هزینه های انرژی یك یا چند الكتروموتور مشخص نیست، بلكه باید آثار اقدامات مورد نظر روی سایر سیستمها نیز بدقت مورد توجه قرار گیرد. در یک بنگاه اقتصادی صرفه جوئی انرژی میتواند موجب برتری رقابتی بنگاه گردد.

در اغلب بخشهای صنعتی انرژی الكتریكی مهمترین منبع انرژی صنعت بشمار می رود . از آنجا كه موتورهای الكتریكی، مصرف كننده اصلی انرژی الكتریكی در كارخانجات صنعتی میباشند. لذا بهینه سازی مصرف انرژی در موتورهای الكتریكی كه موضوع مقاله است از اهمیت ویژه ای برخوردار خواهد بود . برای درك اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی به این مورد اشاره می كنیم كه اگر راندمان موتورهای الكتریكی القائی موجود در اروپا تنها به میزان 1% افزایش یابد، هزینه مصرف انرژی الكتریكی به میزان 6/1 میلیارد دلار در سال كاهش خواهد یافت .

آمار منتشر شده از سوی وزارت نیرو نشان می دهد در سال 1373 ، 5/38% از كل انرژی الكتریكی مصرف شده در ایران توسط موتورهای الكتریكی بوده است[F1]. البته این میزان در كشورهای صنعتی تا 65% می رسد و شاخص خوبی برای نشان دادن سطح صنعتی شدن یك كشور می باشد[10] . اهداف بهینه سازی مصرف انرژی را میتوان بصورت زیر بیان نمود:

§ استفاده منطقی از انرژی
§ حفظ منابع انرژی
§ اصلاح میزان مصرف انرژی در بخشهای مصرف كننده انرژی
§ كاهش گازهای گلخانه ای و آلودگی هوا
§ اصلاح وضعیت موجود

§ کسب برتری رقابتی در بنگاههای اقتصادی
می توان اقدامات مختلفی برای صرفه جوئی انرژی الكتریكی در الكتروموتورهای صنعتی بعمل آورد. در حالت كلی این اقدامات به دو دسته تقسیم میشود:
1- اقدامات مربوط به طراحی موتور

2- اقدامات مربوط به بهره برداری از موتورها
اقدامات مربوط به بهره برداری از موتورها را نیز میتوان به دو دسته تقسیم نمود:
1- اقدامات روی موتور، نظیر تهویه، روغنكاری، و بارگذاری
2- استفاده از درایو یا کنترل کننده دور موتور

در این مقاله نخست روشهای بهینه سازی مصرف انرژی در موتورهای الكتریكی را مورد بحث قرار می دهیم سپس كاربرد درایوها در كنترل موتورهای الكتریكی و تاثیری كه آنها می تواند در صرفه جوئی مصرف انرژی بگذارند مورد بررسی قرار خواهد گرفت .
1- مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی

در سالهای اخیر بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع بدلایل اقتصادی و زیست محیطی اهمیت بیشتری یافته و موجب شده است كه اقدامات عملی گسترده ای در این زمینه بعمل آید. علی رغم اینكه یكی از بزرگترین مصرف كنندگان انرژی الكتریكی در بخش صنعت موتورهای الكتریكی می باشند ، لیكن در زمینه افزایش بازدهی مبدلهای انرژی الكتریكی به مكانیكی مستقر در صنایع اقدامات عملی چندانی بعمل نیامده است. بدیهی است كه افزایش بازدهی محرك های صنعتی نه تنها از نظر اقتصادی مورد توجه استفاده كنندگان می باشد بلكه در برنامه‌ریزی انرژی در سطح ملی نیز حائز اهمیت است .

مطالعات انجام شده در صنایع ایران حکایت از وضعیت نابسامان انتخاب و بهره برداری از موتورهای الکتریکی دارد [F1]. بر اساس این تحقیقات اغلب موتورها بزرگتر از میزان نیاز انتخاب شده و در شرائط بدی نگهداشت میشوند. استفاده از موتورهای با راندمان بالا در ایران رایج نبوده و گزارش موثری از استفاده از درایو جهت صرفه جوئی انرژی در دست نیست. كاربردهای صنعتی بسیاری می تو.ان یافت كه موتورها در بازدهی بسیار پایین تر از مقدار حداكثر قرار دارند . بعنوان مثال در یكی از كارخانجات صنعتی كشورمان در یك مورد ، متوسط توان مصرفی در یك موتور القائی سه فاز صنعتی تنها 28% توان نامی اندازه گیری شده است [F1]. بدیهی است پایین بودن توان خروجی، تا این حد تاثیرات منفی قابل توجهی بر بازدهی و ضریب توان موتور خواهد داشت .

از سوی دیگر دولت نیز نتوانسته است در ترویج فرهنگ استفاده بهینه از انرژی الکتریکی توفیقات خوبی داشته باشد. بعنوان مثال وزارت نیرو و سازمانهای وابسته به آن که مشخصا در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی در سطح کلان عمل میکند هنوز در ارتباط با کاهش مصرف داخلی نیروگاهها اقدام موثری بعمل نیاورده است. در حالیکه پتانسیل صرفه جوئی انرژی الکتریکی زیادی در نیروگاهها وجود دارد.
2- موانع در سیاست گذاری انرژی

در ایران موانعی که سر راه بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی وجود دارد را میتوان بصورت زیر دسته بندی نمود:
– سیاست دولت در پرداخت سوبسید به صنایع
– عدم آگاهی مدیران صنایع از روشهای صرفه جوئی انرژی الکتریکی
– ضعف دانش فنی مهندسین مرتبط با بهینه سازی مصرف انرژی

– نگرانی از ضریب اطمینان درایو و آثار منفی آن روی شبکه و موتور
– نداشتن یک رویکرد سیستمی در استفاده از موتورهای با راندمان بالا
3- انتخاب موتور مناسب

موتورهای القائی سه فاز و یك فاز به دلیل تنوع مصرف در كاربردهای زیادی مورد استفاده قرار می گیرند. مشخصه های بارمكانیكی ناشی از كاربرد و مورد مصرف می باشد. بدیهی است موتور در صورتی می تواند بار مكانیكی متصل به آن را تامین كند كه مشخصه عملكردی موتور منطبق بر مشخصه بار مكانیكی باشد .

3-1- تطابق موتور و بار
همانطور كه در بالا اشاره شد موتور و بار دارای مشخصه های خاص خود می باشند . منظور از تطابق بین موتور و بار انطباق بین مشخصه های موتور و مشخصه های بار متصل به محور موتور میباشد .

مشكل اصلی در صنایع كشور آن است كه در اغلب موارد تطابق مطلوبی بین مشخصه های بار و موتور وجود ندارد. توان اغلب موتورها بیش از بار متصل به محور شان می باشد و با توجه به اینكه قیمت تمام شده موتور متناسب با توان آن می‌باشد، لذا بدیهی است انتخاب موتور با توان بیش از نیاز بار، علاوه بر افزایش هزینه اولیه موتور موجب افزایش سایر هزینه ها از قبیل كابل كشی و نصب و راه اندازی و تعمیر خواهد شد .

از طرف دیگر در صورتیكه موتور انتخاب شده بزرگتر از حد لازم باشد در این صورت موتور در حالت بار كامل و یا نزدیك به بار كامل كار نكرده و لذا بازدهی آن پایین تر از مقدار حداكثر آن خواهد بود . و خود این امر اشكالات جدی در بهینه سازی مصرف انرژی ایجاد خواهد كرد .

در موتورهای القائی سه فاز در صورت كاهش میزان بازدهی موتور ، به ویژه به میزان كمتر از 80% بار كامل ، شاهد كاهش قابل توجه در بازدهی موتور خواهیم بود . متاسفانه در اكثر موارد به این نكته توجه نشده و تنها تاثیر نامطلوب انتخاب موتور بزرگتر از حد لازم بر هزینه اولیه مورد توجه قرار می گیرد . در صورتیكه محاسبات انجام شده حاكی از آن است كه تاثیر انتخاب نامناسب موتور بر هزینه های متغیر (هزینه اتلاف انرژی اضافی) قابل توجه و بمراتب بیش از افزایش هزینه ثابت اولیه می باشد .

یك مثال این موضوع را روشن خواهد كرد :
مثال : فرض می كنیم برای انجام یك كار مكانیكی ، موتور القائی سه فاز با توان خروجی 110 كیلو وات مناسب باشد و بجای آن موتور با توان 132 كیلو وات انتخاب شود . اطلاعات زیر را مورد توجه قرار می دهیم :
– بازدهی موتور در بار كامل = 2/94%

– بازدهی موتور در 3/83% بار كامل = 5/92%
– طول عمر مفید موتور = 15 سال

– ضریب كاركرد = 8/0
با انجام كمی محاسبات می توان نتیجه گرفت كه مصرف انرژی در طول 15 سال بمقدار 600/937 كیلو وات ساعت افزایش پیدا خواهد كرد. مطالب فوق این واقعیت را بیان می كند كه انتخاب موتور مناسب به لحاظ اقتصادی حائز اهیمت فراوان بوده و لذا تطابق بین بار و موتور از اهمیت ویژه ای برخوردار است . انتخاب موتور بزرگتر از حداقل مورد نیاز به دلایل زیر غیر اقتصادی می باشد :

1- با افزایش توان موتور قیمت آن یعنی هزینه اولیه افزایش می یابد .
2- با افزایش توان موتور هزینه های نگهداری و تعمیرات آن افزایش می یابد .
3- با افزایش توان موتور بدلیل پایین آمدن ضریب بار ، بازدهی موتور كاهش یافته و بدین ترتیب انرژی تلف ش

ده افزایش می یاید .
3-2- موتورهای با راندمان بالا (Energy Efficient Motors)
گرچه قیمت موتورهای با راندمان بالا بیشتر از موتورهای استاندارد است، ولی در اغلب کاربردها استفاده از آنها کاملا اقتصادی است. مخصوصا در کاربردهائی که:
– مدت زمان روشن بودن موتور بیش از زمان خاموش بودن ان باشد
– مدت زمان روشن بودن موتور بیش از 2000 ساعت در سال باشد
– گشتاور بار نسبتا ثابت بوده و موتور بدرستی به بار تطبیق شده باشد.

استفاده از موتورهای با راندمان بالا توصیه میشود. بارهائی چون میکسرها، نقاله ها و فیدرها از این نوع هستند. اهمیت موضوع وقتی آشکار میشود که توجه کنیم که هزینه انرژی مصرفی یک الکتروموتور در طول عمر مفید آن 10 تا 20 برابر قیمت موتور است[16]. موتورهای با راندمان بالا علاوه بر صرفه جوئی انرژی معمولا مزیتهای دیگری نیز دارند. برای مثال آنها جریان های بیشتری را در هنگام راه اندازی تحمل میکنند و حرارت و نویزکمتری تولید میکنند. هر چند که

موتورهای با راندمان بالا تنها 2 تا 3 درصد راندمان را بهبود میدهند، اما اگر در انتخاب و بکارگیری آنها بجای یک موتور کل سیستم در نظر گرفته شود، اثر بخشی کار بالا خواهد رفت. با رویکرد سیستمی به موضوع و در نظر گرفتن عوامل دیگر نظیر هزینه های تعمیر و نگهداشت و بهره برداری میتوان به کارائی این موتورها بیشتر پی برد. میزان صرفه جوئی انرژی در صورت استفاده از موتور با راندمان بالا، به جای موتورهای استاندارد از رابطه زیر قابل محاسبه است:
در رابطه فوق hp توان موتور بر حسب اسب بخار، l ضریب بار( در صد از بار كامل تقسیم بر 100)، hr ساعات كار در طول سال، c متوسط قیمت انرژی (قیمت هر كیلووات ساعت انرژی)، std راندمان موتور استاندارد (%)، و ee راندمان موتور با راندمان بالا (%) است.

توصیه میشود هنگام خرید موتور و یا سفارش ساخت ماشین به سازندگان ماشین از موتورهای با راندمان بالا استفاده گردد. همچنین معمولا اقتصادی است كه بجای سیم پیچی كردن موتورهای سوخته و استفاده مجدد از آنها، از موترهای با راندمان بالا استفاده گردد. زمان بازگشت سرمایه(به سال) در خرید این نوع موتورها، بطور ساده عبارت خواهد بود از:

4- اقدامات مورد نیاز برای بهبود عملكرد سیستمهای مرتبط با الكتروموتورها
یك موتور معمولا با اجزا و سیستمهای دیگر در ارتباط است. برای بهبود عملكرد الكتروموتورها لازم است سیستمهای مرتبط با موتور نیز در نظر گرفته شود. این سیستمها شامل شبكه برق، كنترل كننده های موتور، الكتروموتور و سیستم انتقال نیرو میگردد.
4-1- كیفیت توان Power Quality

مسائل كیفیت توان شبكه شامل كلیه اختلالات شبكه برق مثل عدم تقارن در ولتاژ، افت ولتاژ، چشمك زدن، اسپایك، سیستم ارت بد ، هارمونیكها و نظایر آن میشود [5]. از آنجا كه كیفیت توان تاثیر زیادی در اتلاف انرژی دارد، لازم است یك مهندس مجرب وضعیت شبكه برق تاسیسات را زیر نظر داشته باشد.
4-2- تثبیت ولتاژ شبكه

تا آنجا كه ممكن است باید ولتاژ اعمالی به موتور نزدیك به ولتاژ كار موتور باشد. گرچه تغییرات 10% در ولتاژ موتور مجاز است اما از نقطه نظر اتلاف انرژی میزان انحراف از ولتاژ نامی موتور باید كمتر از 5% باشد. تغییر ولتاژ موتور موجب افت ضریب قدرت، عمر مفید موتور و راندمان میگردد [6]. شكل(1)
شکل(1): بررسی تائیر تغییرات ولتاژ اعمالی به موتور روی تورک، جریان راه اندازی، جریان بار کامل، راندمان و ضریب قدرت

اگر ولتاژ موتور بیش از 5% كاهش پیدا كند، راندمان بین 2 تا 4 درصد افت پیدا كرده و دمای موتور حدود 15 درجه افزایش می یابد و این افزایش دما عمر عایق موتور را كاهش خواهد داد. در شكل(2) عمر موتور در دماهای كار مختلف و با كلاسهای عایقی مختلف نشان داده شده است.
شکل (2): بررسی تاثیر دمای کلافهای موتور روی عمر مفید آن برای موتورهای با کلاس عایقی مختلف
4-3- عدم تقارن فاز

عدم تقارن فاز باید كمتر از 1% باشد. عدم تقارن فاز بصورت زیر توسط NEMA تعریف شده است:
برای مثال اگر ولتاژهای فاز بترتیب 462 و 463 و 455 ولت باشد. متوسط ولتاژ سه فاز برابر با 460 ولت میشود و در صد عدم تقارن بصورت زیر محاسبه خواهد شد:
4-4- ضریب قدرت

ضریب قدرت پائین موجب افزایش جریان كابلها و ترانسقورماتورها و افت ولتاژ شده و بدین ترتیب باعث كاهش ظرفیت سیستم تغذیه میشود [7]. ضریب قدرت پائین ناشی از بار كم در شفت موتور است. در شكل (3) منحنیهای ضریب قدرت برای بارهای مختلف و رنجهای توانی متفاوت موتورها آمده است[8] . بوضوح مشاهده میشود با كاهش بار موتور ضریب قدرت تغییرات قابل توجهی میكند.
شکل (3): تغییرات ضریب قدرت متناسب با بار موتور
5- روشهای عملی برای افزایش بازدهی موتور

اشاره شد كه بالا بردن بازدهی متوسط موتورهای القائی به لحاظ اقتصادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است . بدیهی است نحوه عمل و دستیابی به نتایج مطلوب وابسته به نوع و اندازه موتور ، شرایط بارگذاری ، نحوه نگهداری و غیره بوده و لذا نمی توان دستور العمل كلی برای ارتقاء بازدهی كلیه موتورهای القائی ارائه داد. بطور كلی اقدامات لازم برای بالا بردن بازدهی موتورهای القائی را می توان به دو دسته تقسیم نمود . دسته اول تمهیداتی است كه در زمان طراحی و ساخت موتور باید بكار گرفت . دسته دوم شامل مجموعه اقدامات عملی جهت بالا بردن بازدهی موتورهای القائی در حال كار در صنایع می شود .

اقدامات عملی ساده ای منجر به افزایش راندمان كار می گردد به عنوان مثال مقدار معمول جریان بی باری در موتورهای القائی سه فاز در محدوده 3 تا 5 درصد جریان نامی موتور است . ولی در بررسی های بعمل آمده مشاهده شده است كه در اكثر موراد جریان بی باری موتور بیشتر از این مقدار بوده و در برخی موارد تا 12% جریان نامی افزایش یافته است . این افزایش در جریان بی باری موتور بعلت عدم نگهداری صحیح از موتور است . در اكثر موارد این شرائط نامطلوب در حالات بارگذاری نیز مشاهده می شود. به این معنی كه با اعمال بار مكانیكی غیر مفید به محور موتور ، بصورت اصطكاكهای مکانیکی ناشی از عدم نگهداری صحیح، موجب میشود که موتور بار اعمال شده را در جریان الكتریكی بیشتری تامین می كند . و در واقع بخشی از توان الكتریكی ورودی صرف تامین بار و قسمت دیگر آن برای غلبه بر اصطكاك مكانیكی مصرف می شود .

بدین ترتیب موارد زیر را در ارتباط با تلفات اهمی موتور میتوان بیان كرد :
1- تلفات اهمی موتور متغیر بوده و تابعی از میزان و نحوه بارگذاری موتور می باشد .
2- در بسیاری از موارد عدم نگهداری صحیح از قسمتهای چرخان موتور به ویژه بلبرینگ محور موتور ، موجب ایجاد بار مجازی ناشی از افزایش اصطكاك مكانیكی شده و لذا جریان ورودی موتور در حالت بی باری و بار از حد مطلوب و اعلام شده توسط سازنده بیشتر خواهد شود

3- افزایش جریان ورودی موتور موجب بالا رفتن تلفات اهمی و حرارت ایجاد شده در سیم پیچ شده و لذا درجه حرارت اطراف سیم پیچ افزایش خواهد یافت .
از مشخصات بارز تلفات مكانیكی موتور دشواری محاسبه میزان و تعیین منابع آن است . بخش عمده تلفات مكانیكی در قسمت های چرخان موتور بوده و ناشی از اصطكاك و بار می باشد و لذا میزان تلفات مكانیكی تا حد زیادی وابسته به شرایط نگهداری موتور دارد . با روغن كاری مناسب و بموقع بلبرینگ و نظافت قسمتهای چرخان موتور و همچنین اطمینان از بالانس بودن م

حور ، میتوان تلفات مكانیكی موتور را به حداقل رساند بدین ترتیب در ارتباط با تلفات مكانیكی موتور میتوان موارد زیر را اظهار داشت :
1- میزان تلفات مكانیكی تابعی از شرایط نگهداری موتور می باشد .
2- با انجام اقدامات مناسب در نگهداری موتور می توان تلفات مكانیكی را بسادگی در مقدار حداقل خود نگه داشت.
3- تلفات مكانیكی نیز منجر به افزایش درجه حرارت بویژه در قسمتهای چرخان موتور می شود .

انواع تلفات موتور بدون توجه به نوع آن منجر به ایجاد حرارت می شود بدین ترتیب خنك كاری موتور بویژه در شرائطی كه موتور زیر بار است از اهمیت ویژه ای برخوردار است . بالا رفتن درجه حرارت موتور باعث كاهش عمر مفید آن می‌شود .

در موارد زیادی مشاهده شده است كه بدلیل عدم رعایت نكات ساده و مهم در نگهداری موتور باعث كاهش بازدهی سیستم خنك كن شده و درجه حرارت موتور در حالت بار نامی افزایش پیدا كند . در این گونه موارد گاهی اوقات بجای رفع اشكال نگهداری، اقدام به جایگزین كردن موتور با توان بیشتر می شود كه این امر خود منجر به كاهش بازدهی سیستم و اتلاف انرژی خواهد شد .

بر اساس تجارب شركت پرتو صنعت نوع دیگری از اشكالات مربوط به سیم پیچی موتورهای معیوب توسط افراد غیر متخصص می شود. مشاهدات ما نشان می دهد كه در برخی از موارد موتور بدفعات مورد سیم پیچی قرار می گیرد . عدم رعایت نكات فنی در عایق بندی موتور سیم پیچی شده و همچنین استفاده از ابزار و آلات غیر اصولی در درآوردن سیم پیچی سوخته شده موتور نتایج بدی بدنبال دارد .

بعنوان یك اصل تجربی موتورهائی كه به این شیوه سیم پیچی مجدد می شوند برای كار با اینورتر یا كنترل كننده دور موتور مناسب نیستند. اغلب این موتورها بدلیل آسیب هائی كه به مدار مغناطیسی آنها در حین سیم پیچی وارد می شود از جریان بی باری بالاتر از حد معمول برخوردار بوده و عایق بندی آنها برای كار با اینورتر مناسب نمی باشد . این نوع موتورها حرارت بیشتری نسبت به موتورهای سالم دارند و تلفات انرژی زیادی ایجاد می كنند . ضمناً این موتورها بمراتب آسیب پذیرتر از موتورهای فابریك می باشند . توصیه می شود در سیم پیچی موتورهای آسیب دیده از تكنیسین های مجرب و ابزارآلات مناسب استفاده شود . ضمناً تا زمانیكه اطمینان از فرآیند كار حاصل نشده باشد از استفاده از این نوع موتورها همراه با كنترل كننده دور موتور اجتناب گردد .

توصیه می شوداگر قصد تعویض این نوع موتورها را دارید و یا میخواهید موتورهای جدیدی تهیه كنید، موتورهائی تهیه كنید كه را

ندمان بالاتری داشته باشند.
6- دستور العملهای لازم برای بهبود عملكرد موتورهای الكتریكی
اشاره شد كه عوامل موثر در بازدهی موتورهای الكتریكی را می توان بصورت زیر بیان نمود :
– عوامل موثر در مراحل طراحی و ساخت

– عوامل موثر در بهره برداری
بررسی عوامل موثر فوق خارج از حوصله این مقاله است. یک مطالعه خوب از عوامل فوق توسط آقای دکتر اوروعی در سال 1373 انجام گرفته است .[F1] در اینجا بطور خلاصه به عوامل موثر در بهره برداری از موتور که به افزایش بازدهی آنها منجر خواهد شد اشاره میشود.در جدول(1) خلاصه ای از عوامل موثر در بازدهی موتورهای الكتریكی آمده است .

جدول (1) عوامل موثر در بازدهی موتورهای الكتریكی
همان طور كه مشاهده می شود مجموعه اقدامات ساده فوق خصوصاً اقداماتی كه به عوامل وابسته به شرایط نگهداری موتور می شود می تواند منجر به صرفه جوئی اقتصادی قابل توجهی شود .

برای اطمینان یافتن از اینكه بازدهی موتورهای مستقر در صنایع و سایر كاربردها در حد مطلوب قرار دارد می توان نسبت به تدوین شناسنامه صنعتی برای هر موتور ( و بویژه موتورهای بزرگ) اقدام نموده و با ثبت اطلاعات مورد نظر از جمله موارد زیر بازدهی این موتور ها را مورد بررسی قرار داد :
– میزان بار (درصد از بار كامل)

– میزان تغییرات بار ( درصد از بار كامل)
– میزان تغییرات سرعت (درصد از سرعت سنكرون)
– میزان تغییرات ولتاژ شبكه (درصد از ولتاژ نامی)

توصیه میشود كارخانجاتی كه در آنها تعداد موتور مورد استفاده زیاد می باشد نسبت به جمع آوری اطلاعات فوق و اقدامات اصلاحی اقدام نمایند.
7- دسته بندی اقدامات لازم برای بهینه سازی مصرف انرژی

برای روشن شدن تاثیر اقدامات مختلف برای افزایش بازدهی موتورهای الكتر

یكی در جدول(2) نتایج قابل انتظار این اقدامات برای دسته ای از موتورهای القائی با توان خروجی 2/2 تا 30 كیلو وات نمایش داده شده است[F1] .
جدول (2) : اقدامات محتلف برای افزایش بازدهی موتورهای الكتریكی با توان 2/2 تا 30 كیلو وات .
8- تكنولوژی الكترونیك قدرت و درایوهای AC

تکنولوژی الکترونیک قدرت(Power Electronics)، بهره وری و کیفیت فرایندهای صنعتی مدرن را بی وقفه بهبود میبخشد. امروزه با کمک همین تکنولوژی امکان استفاده از منابع انرژی غیرآلاینده بازیافتی(Renewable Energy)، نظیر باد و فتو ولتائیک فراهم شده است. تخمین زده میشود که با استفاده از الکترونیک قدرت، حدود 15 تا 20 درصد امکان صرفه جوئی انرژی الکتریکی وجود دارد[17]. در واقع با کاهش بیوقفه قیمت ها در عرصه الکترونیک قدرت زمینه برای حضور آنها در کاربردهای صنعتی، حمل ونقل و حتی خانگی فراهم میگردد.

نیروی محرک بیشتر پمپها و فن ها موتورهای القائی هستند که در دور ثابت کار میکنند. لیكن در سالهای اخیر با پیشرفتهای انجام گرفته در زمینه تكنولوژی الكترونیك قدرت ، استفاده از موتورهای القائی قفس سنجابی همراه با كنترل كننده دور موتور (AC DRIVE یا اینورتر یا بطور ساده درایو) رو به گسترش است . درایوها دستگاههائی هستند که توان ورودی با ولتاژ و فرکانس ثابت را به توان خروجی با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل میکنند. باید توجه کرد که دور یک موتور

تابعی از فرکانس منبع تغذیه آن است. برای این منظور یک درایو نخست برق شبکه را به ولتاژ DC تبدیل کرده و سپس آنرا با استفاده از یک اینورتر مجددا به ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ متغیر تبدیل میکند. در شکل(4) قسمتهای اصلی یک درایو ولتاژ پائین نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میکنید قسمت اینورتر متشکل از سوئیچهای قدرتی است که در سالهای اخیر تغییرات تکنولوژیک زیادی پیدا کرده اند. در واقع با معرفی سوئیچهای قدرتی چون IGBT با قیمتهای رو

به کاهش، زمینه برای عرضه درایوهای با قیمت مناسب فراهم شد. در هر حال خاطر نشان میکنیم که شکل موج خروجی درایو ترکیبی از پالسهای DC با دامنه ثابت است. این موضوع موجب میشود که خود درایو منشا اختلالاتی در کار موتور شود. برای مثال کیفیت شکل موج خروجی درایو میتواند سبب اتلاف حرارتی اضافی ناشی از مولفه های هارمونیکی فرکانس بالا در موتور شده و یا موجب نوسانات گشتاور Torque Pulsation در موتور گردد. با این حال درایوهای امروزی بدلیل استفاده از سوئیچهای قدرت سریع این نوع مشکلات را عملا حذف کرده اند.

شکل(4): ساختمان یک کنترل کننده دور موتور ( فقط قسمتهای قدرت نشان داده شده است).
كنترل كننده های دور موتورهای الكتریكی هر چند كه ادوات پیچیده ای هستند ولی چون در ساختمان آنها از مدارات الكترونیك قدرت استاتیك استفاده می شود و فاقد قطعات متحرك می باشند، از عمر مفید بالائی برخوردار هستند . مزیت دیگر كنترل كننده های دور موتور توانائی آنها در عودت دادن انرژی مصرفی در ترمزهای مكانیكی و یا مقاومت های الكتریكی به شبكه می باشد . در چنین شرائطی با استفاده از كنترل كننده های دور مدرن می توان از اتلاف این نوع انرژی جلوگیری نمود . بطوریكه در برخی كاربردها قیمت انرژی بازیافت شده از این طریق ، در كمتر از یكسال معادل هزینه سرمایه گذاری سیستم بازیافت انرژی می شود .

9- كنترل كننده های دور موتور
تا اینجا درمورد مجموعه اقداماتی كه برای بهینه سازی مصرف انرژی میتوانستیم روی موتورهای الكتریكی اعمال كنیم بحث شد. اشاره شد كه در كشور ایران در سال 73 بیش از 35 درصد مصرف انرژی در موتورهای الكتریكی بخش صنعت بوده است . البته این مقدار در كشورهای صنعتی تا 65 در صد نیز میرسد. این امر اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی در موتورهای الكتریكی را نشان میدهد. در این قسمت از مقاله در مورد تاثیر استفاده از كنترل كننده های دور موتور در كاهش مصرف انرژی صحبت خواهیم كرد. سعی میكنیم با استفاده از تعدادی مثال اهمیت
موضوع را نشان دهیم . بطور خلاصه در كاربردهای صنعتی زیادی، صرفه جوئی كه با استفاده از كنترل كننده دور موتور در مصرف انرژی حاصل میشود بمراتب بیشتر از اقدامات برشمرده در قسمتهای قبلی مقاله است.
استفاده از موتورهای مجهز به كنترل كننده دور موتور ، امكان اعمال تغییرات لازم در سرعت موتور فن و یا پمپ را بطور دائم فراهم آورده و بدین ترتیب می توان با توجه به فرآیند مورد نظر از اتلاف انرژی ایجاد شده در تنظیم كننده های مكانیكی جلوگیری نمود . با استفاده از درایو موتور به بار تطبیق داده شده ، و هر گونه نیاز به خاموش و روشن كردن موتور و یا ادوات تنظیم کننده نظیر شیر یا دمپر حذف می گردد . همچنین كنترل سرعت دقیق و متعاقب آن توان خروجی قابل

دسترسی بوده و با توجه به استفاده از مدارات الكترونیكی ، استهلاك قسمتهای كنترل كننده در حد بسیار پایین خواهد بود . تصمیم گیری در مورد استفاده از موتور با كنترل كننده دور متغییر بستگی به نوع كاربرد مورد نظر دارد . از آنجا كه هزینه اولیه این سیستمها (كنترل كننده دور موتور) بیش از سایر روشها می باشد و با توجه به اینكه صرفه جوئی ناشی از بالا بودن بازدهی تنها بصورت كاهش هزینه راهبری نمایان می شود، لذا استفاده از موتورهای مجهز به كنترل

كننده دور در طول زمان منجر به صرفه جوئی اقتصادی می شود . معمولاً بسته به نوع كاربرد زمان بازگشت سرمایه گذاری بین یك تا سه سال متغیر خواهد بود .
متاسفانه در اكثر موارد مهمترین عامل در انتخاب محرك قیمت اولیه است. بدین معنی كه سیستم بر مبنای كمینه سازی هزینه اولیه انتخاب می شود. در حالیكه در طول عمر مفید آن هزینه قابل توجهی صرف انرژی تلف شده و یا تعمیر و نگهداری می شود .

در شکل(5) میزان استفاده از کنترلرهای دور متغیر نشان داده شده است.
کنترل کننده های دور موتور انواع مختلفی دارند. آنها قادرند انواع موتورهای AC و DC را کنترل کنند. قیمت کنترلرها وابسته به نوع تکنولوژی بکار رفته در ساختمان آنها میباشد. ساده ترین روش کنترل موتورهای AC روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس(یا کنترل V/F ثابت) میباشد. اینک این روش، بطور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. این نوع کنترلرها از نوع اسکالر بوده و بصورت حلقه باز با پایداری خوب عمل میکنند. مزیت این روش سادگی سیستمهای کنترلی آن است. در مقابل این نوع کنترلرها برای کاربردهای با پاسخ سریع مناسب نمیباشند.

روبوتها و ماشینهای ابزار نمونه هائی از کاربردهای با دینامیک بالا هستند. در این کاربردها روشهای کنترلی برداری استفاده میشود. در روشهای کنترلی برداری با تفکیک مولفه های جریان استاتور به دو مولفه تورک ساز و فلو ساز، و کنترل آنها با استفاده از رگولاتورهای PI ترتیبی داده میشود که موتور AC نظیر موتور DC کنترل شود. و بدین ترتیب تمام مزایای موتور DC از جمله پاسخ گشتاور سریع آنها در موتورهای AC نیز در دسترس خواهد بود. برای مثال پاسخ گشتاور در روشهای برداری حدود 10 – 20ms و در روشهای کنترل مستقیم گشتاور(Direct Torque Control) این زمان حدود 5ms است. اینک روشهای کنترل برداری متعددی پیاده سازی شده است که بررسی آنها خارج از حوصله این مقاله است. در هر حال نوع کنترلر مطلوب، متناسب با کاربرد انتخاب میگردد. در شکل(6) خلاصه ای از انواع روشهای کنترل موتورهای AC نمایش داده شده است.
شکل(6): خلاصه ای از انواع روشهای کنترل موتورهای AC

10- مزایای استفاده از كنترل كننده های دور موتور
مزایای استفاده از كنترل كننده های دور موتور هم در بهبود بهره وری تولید و هم در صرفه جوئی مصرف انرژی در كاربردهائی نظیر فنها ، پمپها، كمپروسورها و دیگر محركه های كارخانجات ، در سالهای اخیر كاملا مستند سازی شده است. كنترل كننده های دور موتور قادرند مشخصه های بار را به مشخصه های موتور تطبیق دهند. این اسباب توان راكتیو ناچیزی از شبكه میكشند و لذا نیازی به تابلوهای اصلاح ضریب بار ندارند. در زیر به مزایای استفاده از كنترل دور موتور اشاره میشود:

1- در صورت استفاده از كنترل كننده های دور موتور بجای كنترلرهای مكانیكی، در كنترل جریان سیالات، بطور مؤثری در مصرف انرژی صرفه جوئی حاصل میشود. این صرفه جوئی علاوه بر پیامدهای اقتصادی آن موجب كاهش آلاینده های محیطی نیز میشود.
2- ویژگی اینكه كنترل كننده های دور موتور قادرند موتور را نرم راه اندازی كنند موجب میشود علاوه بر كاهش تنشهای الكتریكی روی شبكه ، از شوكهای مكانیكی به بار نیز جلو گیری شود. این شوكهای مكانیكی میتوانند باعث استهلاك سریع قسمتهای مكانیكی ، بیرینگها و كوپلینگها، گیربكس و نهایتا قسمتهائی از بار شوند. راه اندازی نرم هزینه های نگهداری را كاهش داده و به افزایش عمر مفید محركه ها و قسمتهای دوار منجر خواهد شد.
3- جریان کشیده شده از شبکه در هنگام راه اندازی موتور با استفاده از درایو کمتر از 10% جریان اسمی موتور است.
4- کنترل کننده های دور موتور نیاز به تابلوهای اصلاح ضریب قدرت ندارند.
5- در صورتی كه نیاز بار ایجاب كند با استفاده از كنترل كننده دور ، موتور میتواند در سرعتهای پائین كار كند . كار در سرعتهای كم منجر به كاهش هزینه های تعمیر و نگهداشت ادواتی نظیر بیرینگها، شیرهای تنظیم كننده و دمپرها خواهد شد.
6- یك كنترل كننده دور قادر است رنج تغییرات دور را ، نسبت به سایر روشهای مكانیكی تغییر دور، بمیزان قابل توجهی افزایش دهد. علاوه بر آن از مسائلی چون لرزش و تنشهای مكانیكی نیز جلو گیری خواهد شد.
7- كنترل كننده های دور مدرن امروزی با مقدورات نرم افزاری قوی خود قادرند راه حلهای متناسبی برای كاربردهای مختلف صنعتی ارائه دهند.
11- مدیریت بهینه سازی مصرف انرژی و نقش كنترل كننده های دور موتور
امروزه در كشورهای صنعتی الزامات زیست محیطی از یكسو و رقابت بنگاههای اقتصادی از سوی دیگر ، مدیریت بهینه سازی انرژی را در بصورت یك امر غیر قابل اجتناب در آورده است. مجموعه اقداماتی كه برای صرفه جوئی انرژی در كارخانجات صورت میگیرد شامل مواردی چون جایگزینی موتورهای الكتریكی با انواع موتورهای با بازدهی بالا، استفاده از كنترل كننده های دور موتور در كاربردهائی كه اتلاف انرژی در آنها زیاد است، بازیافت انرژی از پروسه های حرارتی و نظایر انها میشود. نتایج اعمال چنین اقداماتی نشان میدهد در موارد زیادی ، و بخصوص در جاهائی كه از فنها ، پمپها، و كمپروسورها در فرایند تولید استفاده میشود، بكارگیری كنترل كننده های دور موتور علاوه بر انعطاف پذیر نمودن كنترل فرایند، تاثیر قابل توجهی در كاهش مصرف انرژی داشته است. در بسیاری از موارد زمان بازگشت سرمایه بین یك تا سه سال میباشد.
کمتر از 10% موتورها مجهز به درایو هستند. در حالیکه در بیش از 25% آنها استفاده از درایو توجیه اقتصادی دارد[16].
بر اساس مطالعات انجام گرفته توسط اتحادیه اروپا [10] تا سال 2005 میلادی پتانسیل صرفه جوئی انرژی بالغ بر 635 TWh در صنایع کشورهای عضو اتحادیه اروپا وجود دارد. که از این میزان بیش از 447 TWh آن توجیه اقتصادی دارد. این میزان صرفه جوئی انرژی تنها در سایه استفاده از موتورهای با راندمان بالا و درایو بدست میاید. که سهم درایو در صرفه جوئی دارای توجیه اقتصادی حدود 63% است. نتایج چنین مطالعاتی را بطور خلاصه در جدول(3) مشاهده میکنید.
جدول(3): پتانسیل فنی و اقتصادی صرفه جوئی انرژی با استفاده از موتورهای با راندمان بالا(EEM) و کنترل دور(VSD) در کشورهای عضو اتحادیه اروپا تا سال 2005
مطالعه فوق با تفکیک بار پتانسیل اقتصادی صرفه جوئی انرژی را نیز در اتحادیه اروپا مشخص نموده است. که نتایج آنرا در شکل(7) مشاهده میکنید.
شکل(7): پتانسیل صرفه جوئی اقتصادی درکشورهای عضو اتحادیه اروپا به تفکیک نوع بار
12- پمپها و فنها

چیزی حدود 40 درصد انرژی مصرفی در بخش صنعت در پمپها و فنها مصرف میشود. برای مثال در انگلستان ترکیب مصرف کنندگان انرژی در موتورها و در کاربردهای صنعتی بصورت زیر است[15].

شکل(8): میزان انرژی مصرفی توسط بارهای مختلف در انگلستان
اغلب این سیستمها از موتورهای القائی با روتور قفس سنجابی استفاده میكنند. و خروجی توسط ادواتی چون شیرهای تنظیم كننده و دمپرها كنترل میشوند. متاسفانه مقادیر قابل توجهی انرژی توسط این فنها و پمپها تلف میشوند. موتورهای بكار رفته در اغلب این ادوات از مقدار مورد نیاز بزرگتر بوده و سیستمهای مكانیكی تنظیم كننده جریان سیالات در آنها بسیار تلفاتی میباشند. به این عوامل باید هزینه های قابل توجه تعمیر و نگهداشت نیز اضافه شود. با توجه به اینکه هزینه های خرید پمپ معمولا کمتر از 5 درصد هزینه های بهره برداری آن در طول عمر سیستم پمپ است، کیفیت بهره برداری عامل مهمتری در تصمیم گیری برای انتخاب سیستمهای پمپ بشمار میرود.

شکل(9): مقایسه انرژی مصرفی کنترل فلو با شیر و درایو
انتخاب پمپ ها معمولا بر اساس حداکثر دبی مورد انتظار صورت میگیرد. در حالیکه اغلب اوقات هرگز فلوی ماکزیمم مورد استفاده قرار نمیگیرد. این امر منجر به بزرگ شدن پمپ ها شده و بدین ترتیب مقدمات کار برای اتلاف انرژی و استهلاک هر چه سریعتر سیستم های پمپ فراهم میشود. اگر یک پمپ در دور نامی خود کار کند و دبی خروجی پمپ به مصرف برسد سیستم در راندمان مطلوب خود کار خواهد کرد. اما اگر تنها 50 درصد دبی حداکثر مورد نیاز باشد چه اتفاقی

خواهد افتاد؟ بدیهی است که در این حالت نیز موتور در دور نامی خود کار خواهد کرد و توان مصرفی اضافی توسط موتور تلف خواهد شد. از سوی دیگر برای کنترل دبی خروجی لازم خواهد بود از ادوات مقاومتی نظیر شیر خفه کن استفاده گردد. با استفاده از كنترل كننده های دور موتور میتوان جریان سیالات در پمپ ها را با اعمال تغییر دور موتور ، كنترل نمود. امروزه این روش بدلیل انعطاف پذیری و صرفه جوئی اقتصادی قابل توجه جایگزین روشهای سنتی متكی بر تنظیم جریان سیال با استفاده از شیرهای تنظیم كننده مكانیكی و دمپرها میشود. در شکل(9) تفاوت دو روش در میزان مصرف انرژی نشان داده شده است.

13- قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن
قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن های سانتریفوژ پایه نظری صرفه جوئی انرژی با استفاده از درایو هستند. بر طبق این قوانین و در یک پمپ یا فن سانتریفوژ، روابط زیر حاکم است:
Q ~ N فلو یا حجم : Q , سرعت : N
H ~ N2 هد یا فشار : H
P ~ N3 توان ورودی : P
با توجه به شکل(10) فلو/ ولوم بصورت خطی با دور پمپ/فن تغییر میکند. برای مثال اگر دور موتور نصف شود فلو نیز نصف خواهد شد. از طرف دیگر با توجه به منحنی وسط فشار یا هد متناسب با مربع دور تغییر میکند. در این حالت اگر دور موتور نصف شود، فشار یا هد چهار برابر کاهش پیدا کرده و به 25% خواهد رسید. منحنی سمت راست نشان میدهد که اگر دور موتور نصف شود مصرف توان 8 برابر کاهش پیدا کرده و به 125% خواهد رسید
شکل(10): نمایش تصویری قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن سانتریفوژ

به خاطر میسپاریم با استفاده از كنترل كننده های دور موتور و كاهش تنها 15 درصد دور میتوان به میزان 40 درصد در مصرف انرژی صرفه جوئی كرد. حال اجازه بدهید کمی دقیقتر به رفتار یک پمپ توجه کنیم. شکل(11) مشخصات یک سیستم پمپ را نشان میدهد. هد استاتیك عبارتست از اختلاف ارتفاع پمپ و تانك مقصد. بدیهی است كه اگر یك پمپ نتواند به این ارتفاع غلبه كند دبی خروجی صفر خواهد بود. مولفه دوم هد اصطکاکی است . که در واقع بیانگر توان مورد نیاز جهت غلبه بر تلفات ناشی از عبور سیال از لوله ها، شیرها، زانوها و دیگر اجزای سیستم لوله کشی میباشد. این تلفات کلا وابسته به سرعت عبور سیال بوده و غیر خطی است. با اضافه کردن دو منحنی، منحنی سیستم بدست میاید.

در شکل(12) منحنی های سیستم و منحنی پمپ باهم نشان داده شده است. نقطه كار یك پمپ محل تلاقی منحنی پمپ و منحنی سیستم می باشد. با توجه به این منحنی ها روشن میشود که میزان فلو در این سیستم 800 لیتر در ثانیه و هد 60 متر میباشد. اگر بخواهیم نقطه کار را تغییر بدهیم لازم خواهد بود چیزی به سیستم اضافه نمائیم.

یک روش متداول در اینجا استفاده از شیر خفه کن است. در شکل(13) تاثیر عملکرد شیر خفه کن در نقطه کار پمپ را مشاهده میکنید. در واقع شیر اصطکاک مسیر سیال را افزایش داده و باعث افت فلو میگردد. با وجود اینکه با حضور شیر فلو به 600 لیتر در ثانیه کاهش پیدا کرده ولی در توان مصرفی سیستم تغییر محسوسی ایجاد نشده است. حال نگاهی دقیقتر به موضوع خواهیم داشت. همانطور که در شکل(14) مشاهده میکنید، برای دستیابی به فلوی مورد نظر از دو روش کنترل فلو با استفاده اشیر و کنترل با استفاده از درایو استفاده شده است . در روش کنترل فلو با شیر میزان توان مصرفی 0875 درصد و در کنترل فلو با درایو توان مصرفی 042 درصد توان نامی میباشد. برای مثال اگر توان نامی پمپ 100KW باشد. تفاوت توان مصرفی دو روش برابر خواهد بود با:
(100KW x 0.875) – (100KW x 0.42) = 45.5KW

شکل(14) مقایسه توان مصرفی یک سیستم پمپ در دو حالت: الف) کنترل فلو با استفاده از شیر خفه کن (شکل سمت چپ) . ب) کنترل فلو با استفاده از درایو (شکل سمت راست).
شكل (15) – میزان مصرف انرژی در یك پمپ در پنج حالت : با استفاده از شیر برگشتی، با استفاده از شیر خفه کن، با قطع و وصل پمپ، با استفاده از کوپلینگ هیدرولیک، با استفاده از كنترل كننده دور موتور

هر چند كه در سیستمهائی كه هد استاتیك بالا ئی دارند با تغییر دور، راندمان پمپ هم به میزان زیادی تغییر میكند، ولی مزایای دیگر درایو استفاده از آن را بخوبی توجیه میكند. برای مثال میزان فشار هیدرولیك وارد شده به پره های پمپ سانتریفوژ با مجذور سرعت افزایش مییابد. این نیروها به بیرینگهای پمپ اعمال شده و عمر مفید آنها را كاهش خواهد داد. خاطر نشان میشود كه عمر بیرینگها بطور معكوس با توان هفتم سرعت متناسب است. از سوی دیگر با كاهش دور نویز و نوسانات سیستم نیز كاهش پیدا میكند.

درشكل (15) میزان مصرف انرژی در یك پمپ در پنج حالت : با استفاده از شیر برگشتی، با استفاده از شیر خفه کن، با قطع و وصل پمپ، با استفاده از کوپلینگ هیدرولیک، و با استفاده از كنترل كننده دور موتور نمایش داده شده است. با توجه به این شكل تاثیر قابل توجه كنترل كننده دور موتور در كاهش انرژی مصرفی ، نسبت به روشها، مشاهده میشود. در روش شیر برگشتی متناسب با نیاز مقداری از دبی خروجی پمپ به وروی آن عودت داده میشود. بدیهی است که در این حالت توان مصرفی برای هر دبی خروجی ثابت خواهد بود.

امروزه در كشورهای پیشرفته بعنوان یك برخورد اولیه در كاهش سریع مصرف انرژی، مجهز نمودن این نوع فنها و پمپها به درایو میباشد.
نكاتی كه باید در طراحی سیستمهای پمپ مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:
– سیستم را بزرگ انتخاب نكنید. حتی اگر بعدها نیاز به توسعه پیدا كردید. باز مطلوب آن است كه بعدا كنار سیستم موجود پمپ بیشتری اضافه كنید
– توجه كنید كه هزینه های خرید پمپ در مقایسه با هزینه های انرژی آن در طول عمر پمپ ناچیز است. پس پمپهای با راندمان بالا را استفاده كنید.
– از درایو برای كنترل فلو استفاده كنید

– بجای استفاده از یك پمپ بزرگ از تعدادی پمپ كوچك بطوریكه مجموع آنها ظرفیت مورد نیاز را تامین نماید، استفاده كید. بدین ترتیب میتوانید در صورت عدم نیاز به ظرفیت اضافی آن را از مدار خارج كنید.
14- مثال از محاسبات صرفه جوئی انرژی در فن
برای روشن شدن تاثیر استفاده از درایو در كاربرد فن به مثال زیر توجه میكنیم. نخست اشاره میكنیم به قوانین حاكم بر فن كه موسوم به قوانین افینیتی (Affinity Laws ) میباشد:

Eq. 1: (N1 / N2) = Q1 / Q2
Eq. 2: (N1 / N2)2 = P1 / P2
Eq. 3: (N1 / N2)2 = T1 / T2
Eq. 4: (N1 / N2)3 = HP1 / HP2
در معادلات فوق N معرف سرعت، Q معرف میزان جریان سیال، T معرف گشتاور، HP معرف توان مصرفی و P معرف فشار است.
حال فرض میكنیم یك فن با موتور 250hp با راندمان 95% موجود است. و سیكل كار آن را در هر هفته بصورت زیر در نظر میگیریم:
بدون استفاده از درایومیزان انرژی مصرفی در هر هفته برابر است با:
با استفاده از درایومیزان انرژی مصرفی در هر هفته برابر است با:
میزان صرفه جوئی انرژی در سال برابر است با:
و اگر ارزش هر كیلووات ساعت انرژی را 4 سنت در نظر بگیریم ارزش انرژی صرفه جوئی شده برابر خواهد بود با:
15- یک مطالعه موردی در ایران:
گزارشی از وضعیت فعلی فنهای پیش گرمکن خط 2 سیمان آبیک و بررسی امکان صرفه جوئی انرژی در آنها
گزارش زیر توسط مرکز تحقیقات سیمان آبیک آماده شده است:
فنها در صنعت سیمان کاربرد گسترده ای دارند. و برای انتقال گازهای ناشی از فرایند تولید سیمان و یا انتقال مواد از آنها استفاده میشود. از آنجائی که شرائط فرایندی با توجه به تغییرات پارامترهای آن ثابت نمی باشد. در نتیجه میزان تولید گازهای فرایندی با توجه به تغییرات پارامترهای آن ثابت نمی باشد. در نتیجه میزان تولید گازهای فرایندی نیز متغیر بوده و لازم ست این امر با تغییر هوادهی فنها تحت کنترل باشد. از متداول ترین روشهای کنترلی که برای فلوی گاز در فن ها تا بحال مورد استفاده قرار گرفته است، کنترل فلو توسط دریچه در ورودی فن میباشد. اگر چه این روش، طریقه ای موثر در کنترل فلو بوده اما در مصرف انرژی تاثیر قابل ملاحظه ای نداشته است. در صورتی که کنترل فلوی گاز با استفاده از کنترل دور فن، علاوه بر کارائی بهتر بمیزان زیادی در مصرف انرژی الکتریکی فن صرفه جوئی انرژی ایجاد خواهد کرد.
بعنوان مطالعه موردی فن های پیش گرمکن واحد 2 سیمان آبیک مورد بررسی قرار میگیرد. بمنظور آنکه بتوان میزان بالقوه انرژی قابل صرفه جوئی در این فن ها بدست اید از دو روش:
1- محاسبه توان با استفاده از پارامترهای بدست آمده از فرایند
2- اندازه گیری توان موتور درایو
استفاده کرده و یک بررسی مقایسه ای بین ایندو بعمل می آ وریم. برای محاسبه توان از رابطه معمول آن:
استفاده کرده ایم. پارامترهای مورد نیاز برای محاسبه نیز در فرایند و در شرائط نرمال بهره وری اندازه گیری شد.
Q = 327,000 m3/h فلوی گاز
P1= -560 mm WG فشار هوا قبل از دریچه(شرائط فرایند)
Pl1= -1100 mm WG فشار هوا بعد از دریچه و قبل از فن
P2 = – 10 mm WG فشار هوا بعد از دریچه(شرائط فرایند)
وضعیت دریچه 22% و دور موتور برابر با دور نامی 990RPM ، و توان نامی موتور فن 1300KW با راندمان 08 بود. در این شرائط میزان توان مصرفی فن با استفاده از پارامترهای بهره برداری و با توجه به P فرایند :
و با استفاده از P فن، یعنی تفاوت فشار ورودی و خروجی فن، توان مصرفی عبارت است از :
و مقدار خوانده شده توسط دستگاه واتمتر برای هر دو فن شماره 35 و 36 (فن های پیش گرمکن ) بصورت زیر بود:
P35 = 1260 KW
P36 = 1210 KW
مقایسه دو مقدار توان فن( محاسبه شده و اندازه گیری شده) حداقل دو مسئله را روشن میکند:
1- صحت محاسبات انجام شده( عدد 1213 در مقابل 1260 و یا 1210 ).
2- استفاده از دریچه باعث افزایش P فن شده و این امر باعث افزایش توان مصرفی فن شده است.
مورد فوق بخوبی نشان میدهد که حذف دریچه ورودی و استفاده از کنترل دور میتواند شرائط کار فن را به شرائط فرایند نزدیکتر کرده و در آنصورت در مصرف انرژی فن کاهش قابل ملاحظه ای مشاهده خواهد شد. نهایتا بر روی فن شماره 36 کنترل دور نصب شد و در حالیکه دور فن روی 680RPM تنظیم شده بود شرائط فرایندی مشابه با حالت بدون کنترل دور فراهم شده و تولید نیز به حالت نرمال رسید.
در این حالت شرائط دریچه 100% باز و مقدار توان مصرفی موتور 560KW قرائت گردید. همانگونه که انتظار داشتیم با استفاده از کنترل دور توانستیم توان فن را به شرائط بهره برداری قبل رسانده و توان مصرفی را بمیزان زیاد کاهش دهیم. انتظار میرود با توجه به میزان سرمایه گذاری انجام شده جهت تهیه کنترل دور مورد نیاز، زمان بازگشت سرمایه 3 سال باشد.
16- سیتمهای تهویه مطبوع

موضوع صرفه جوئی انرژی در دنیای رقابتی امروز حتی آثار خود را در سیستمهای تهویه مطبوع هتلها نیز خود را مطرح كرده است. در این مكانها امكان صرفه جوئی انرژی تا مرز 50 درصد روی سیستمهای HVAC یا سیستمهای حرارتی و هواسازی و تهویه مطبوع ، وجود دارد. و سرمایه گذاری اولیه در مدت دو سال از محل صرفه جوئی انرژی قابل بازیابی میباشد.
17- ماشین تزریق پلاستیك

در یك ماشین تزریق پلاستیك استفاده از كنترل كننده دور موتور میتواند تا 50 در صد صرفه جوئی در مصرف انرژی بدنبال داشته باشد[2]. برای روشن شدن این مطلب به دیاگرام زیر توجه میكنیم:

شكل (16) مصرف انرژی در یك سیكل كاری ماشین تزریق پلاستیك- بدون استفاده از درایو
در دیاگرام فوق مصرف انرژی در یك سیكل كاری نشان داده شده است. این حالت نرمال كار ماشین بوده و در این وضعیت از درایو استفاده نشده است. با استفاده از كنترل كننده دور موتور میتوان توان تلفاتی ماشین را بمیزان قابل توجهی كاهش داد. مضافا اینكه در این صورت ماشین خیلی نرمتر كار كرده و از شوكهای مكانیكی اجتناب خواهد شد. خود این امر منجر به كاهش هزینه های تعمیر و نگهداشت ماشین میشود . در دیاگرام زیر توان مصرفی ماشین در حالت كار با كنترل كننده دور موتور نمایش داده شده است:

شكل (17) مصرف انرژی در یك سیكل كاری ماشین تزریق پلاستیك- با استفاده از درایو
با مقایسه دو دیاگرام مشاهده میشود كه مصرف انرژی از 42 كیلوات ساعت به 27 كیلووات ساعت تقلیل پیدا كرده است.
18- صرفه جوئی انرژی در تاسیسات آب و فاضلاب

شرکت Vacon سازنده درایوهای AC گزارش کرده است [12] که درسیستم تصفیه فاضلاب شهر گرومز سوئد با استفاده از درایو 405% صرفه جوئی انرژی بدست آوده است. این درحالی است که در سیستم فوق و با استفاده از درایو مصرف مواد شیمیائی نیز 53% کاهش پیدا کرده است. اینک شرکت Vacon را ه حلهای جامعی در تاسیسات آب و فاضلاب ارائه میدهد. این راه حلها شامل طراحی این تاسیسات، انتخاب درایو، و محاسبات صرفه جوئی انرژی میشود [13]. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه با شرکت پرتوصنعت تماس بگیرید.
19- کمپرسورها

شرکت اطلس کوپکو موفق شده است با استفاده از درایو مصرف انرژی کمپروسورهای تولیدی خود را بمیزان 35% کاهش دهد. در کنار این دستاورد مهم اطلس کوپکو توانسته است با استفاده از درایو فشار کمپروسور را با دقت و پایداری بیشتری کنترل کند، جریان راه اندازی را محدود نماید و ضریب قدرت را به بیش از 95% برساند. و بدین ترتیب این کمپروسورها نیازی با خازنهای اصلاح ضریب قدرت ندارند. از سال 1994 ببعد که اطلس کوپکو این کمپروسورها را معرفی کرده است توانسته است بازار کمپروسورهای دنیا را تسخیر کند. این رویکرد سیستمی در طراحی و ارائه محصول با کیفیت، نمونه خوبی از افزایش مزیت رقابتی یک بنگاه اقتصادی میباشد.
20- نیروگاهها

در نیروگاهها پتانسیل قابل توجهی برای صرفه جوئی انرژی وجود دارد. مصرف داخلی نیروگاههای بخاری میتواند بین 5 تا 14 درصد انرژی تولید شده توسط نیروگاه باشد. این میزان انرژی عمدتا در ID فن، FD فن، فید پمپ، فنهای کولینگ تاورف پمپهای سیرکولاسیون و خنک کن مصرف میشود. یک مطالعه موردی از نیروگاههای هند نشان میدهد[14] که از مجموع 22 واحد نیروگاهی 210 مگاواتی، با بکارگیری درایو در فنهای ID و یا پمپهای BFP ، سالانه بالغ بر 158 میلیون کیلووات ساعت انرژی، به ارزش 113 میلیون دلار صرفه جوئی انرژی حاصل میگردد. این در حالی است که ارزش سرمایه گذاری ولیه 7/25 میلیون دلار بوده است. و بدین ترتیب میتوان انتضار داشت که در کمتر از 3/2 سال سرمایه گذاری اولیه مستهلک شده و عواید سرشاری نصیب نیروگاهها گردد. در جدول(4) خلاصه ای از این بررسی را مشاهده میکنید.

جدول(4): بررسی نتایج استفاده از درایو در برخی از کاربردهای با مصرف انرژی بالا بمنظور کاهش مصرف داخلی نیروگاهها در کشور هند
21- سیمان
در ایران حدود 9% انرژی الکتریکی صنعتی در صنایع سیمان مصرف میشود. مطالعاتی که در سال 2002 توسط آقای علیرضا شیرازی در صنایع سیمان انجام گرفت نشان داد[12] که میزان مصرف انرژی در این صنایع نسبت به استانداردهای جهانی آن خیلی بالا است. در شکل(18) شدت انرژی الکتریکی مورد نیاز در صنایع سیمان ایران برای تولید هر تن سیمان با بهترین حالت جهانی آن نشان داده شده است. و در جدول ) 5 ( خلاصه ای از این مطالعه نشان داده شده است.

شکل(18): پتانسیل صرفه جوئی در مصرف انرژی الكتریكی در صنایع سیمان ایران در مقایسه با بهترین حالت جهانی آن (Kwh/Ton)
جدول (5ب) پتانسیل صرفه جوئی سالانه انرژی الكتریكی در صنایع منتخب سیمان ایران در مقایسه با استاندارد جهانی

اطلاعات فوق نشان می‌دهد كه در هر كارخانه سیمان می توان حدود 15 میلیون دلار در هر سال در مصرف انرژی الكتریكی صرفه‌جوئی نمود و اگر تعداد خطوط تولید سیمان را در حال حاضر 60 خط تولید در نظر بگیریم میزان مصرف انرژی الكتریكی در صنایع سیمان سالانه بالغ بر 90 میلیون دلار خواهد بود . برای بدست آوردن این نتایج ارزش هر كیلووات ساعت انرژی الكتریكی 6 سنت در نظر گرفته شده است. هر جند که این مقدار صرفه جوئی انرژی تنها با استفاده از درایو بدست نمی آید ولی استفاده از درایو سهم عمده ای در این صرفه جوئی خواهد داشت.

22- قابلیتهای كنترل كننده های دور موتور مدرن
درایوهای مدرن امروزی بر اساس تكنولوژی مدولار ساخته میشوند. این امر هم در قسمتهای سخت افزاری و هم در قسمتهای نرم افزاری درایو رعایت میشود. ساختار مدولار قابلیت بر آورده سازی بسیاری از نیازهای مشتری را دارد. اغلب این درایوها از تكنولوژی كنترل برداری بهره میگیرند. این روش كنترل امكان كنترل

موتور را با دقت و دینامیك زیاد فراهم میاورد. بطوریكه این درایوها اینك قادرند درست نظیر درایوهای DC رفتار نمایند. آنها را میتوان در كاربردهای كنترل سرعت و یا كنترل گشتاور بسهولت مورد استفاده قرارداد. بطوریكه سادگی و استحكام موتورهای القائی دركنار این درایوها مجموعه ای مطمئن و كارا از آنها میسازد . هر چند كه این درایوها از تكنولوژی الكترونیك قدرت پیچیده استفاده میكنند اما بدلیل استاتیك بودنشان هزینه های نگهداشت زیادی به صنعت تحمیل نمی كنند.
درایوهای مدرن قادرند بطور اتوماتیک فلو ی مغناطیسی در موتور را در سطح بهینه ان نگهدارند. این ویژگی در جاهائی که بار موتور کم است منجر به صرفه جوئی انرژی خواهد شد.
درایوهای مدرن امروزه در كاربردهای فیدبك و سرو نیز بسهولت بكار گرفته میشوند. ساختار مدولار آنها بگونه ای است كه میتوان متناسب با كاربرد از كارتهای اختیاری استفاده نمود. این كارتها امكان تطبیق درایو با كاربرد مشتری را فراهم می آورند. در كنار این مقدورات سخت افزاری باید به برنامه های نرم افزاری متعددی نیز اشاره نمود، كه معمولات توسط سازندگان درایو برای نیازهای مختلف صنعتی ارائه میشود. استفاده از این برنامه های كاربردی بسیار ساده بوده و كاربر میتواند برنامه دلخواه خود را انتخاب و در داخل درایو قراردهد. درایوهای امروزی میتوانند بسیاری از فیلد باسهای موجود را پشتیبانی كنند. امروزه پروفی باس به عنوان یك فیلدباس باز( Open ) ، در بسیاری از كاربردهای صنعتی متداول شده است. سازندگان درایو با استفاده از پروفایل Profi Drive بسهولت سازگاری خود را با پروفی باس برقرار میسازند.
درایوها علاوه بر ماموریتهای اصلی خود قابلیتهای بیشمار دیگری نیز دارند که از جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
– حفاظت کامل الکتروموتور در مقابل اضافه جریان و نوسانات ولتاژ
– انعطاف پذیری در کنترل پروسه
– سازگاری با نیازهای کاربردی موتور
سیستم نرم افزاری درایوهای ساخت شرکت Vacon از دو لایه تشکیل شده است. لایه اول نرم افزار سیستم و لایه دوم جهت توسعه نرم افزارهای کاربردی کاربر اختصاص یافته است. با کمک این لایه کاربر میتواند با کمک ابزار گرافیکی و با استفاده از زبانهای رایج برنامه نویسی برنامه های کاربردی خود را توسعه دهد. وکن تنها به همین اکتفا نکرده و با آماده نمودن صدها برنامه کاربردی به کاربر کمک میکند بسهولت برنامه کاربردی مورد نظر را در درایو نصب نموده و از آنها استفاده نماید. بعنوان نمونه میتوان به نرم افزارهای کاربردی زیر اشاره نمود:
22-1- نرم افزار کاربردی کنترل پمپ و فن
همانطور که از نام آن پیداست، این برنامه کاربردی جهت کنترل یک یا چند فن یا پمپ بکار میرود. این نرم افزار بطور اتوماتیک متناسب با فلوی مورد نظر یک یا چند پمپ را روشن کرده و فلو را کنترل میکند. برنامه بطور اتوماتیک تمام پمپ ها را در پریود زمانی مشخص بکار میگیرد.
22-2- نرم افزار کاربردی کنترل سطح پیشرفته
این نرم افزار کاربردی جهت کنترل دقیق سطح سیال در مخازن بکار میرود. این نرم افزار نیز بطور اتوماتیک تعدادی پمپ را مدیریت میکند.
22-3- نرم افزار کنترلی Master Follower
این برنامه قادر است تورک مورد نیاز بار را در تعدادی موتور تسهیم نماید. این موتورها متفقا یک بار را درایو میکنند. و این برنامه ناظر به هماهنگی دقیق آنها در تامین گشتاور مورد نیاز بار است
23- درایوهای دور متغیر VACON مصداقی از درایوهای مدرن
كنترل كننده های دور موتور ساخت شركت وكن نمونه كاملی از درایوهای مدرن امروزی است[3]. درایوهای وكن دارای ساختاری كاملا مدولار بوده و به كاربر اجازه میدهد با استفاده از نرم افزار قدرتمند داخلی، که بر اساس استاندارد IEC 611131-3 کار میکند، برنامه های خود را توسعه دهد. بدین ترتیب این درایو قادر است در كاربردهای زیادی نقش یك PLC را نیز بازی كرده و به كاربر اجازه میدهد بسهولت برای كاربردهای خود راه حل ارائه دهد. علاوه بر این قابلیت، شركت وكن در اقدامی بی سابقه با طراحی و توسعه صدها برنامه كاربردی مختلف برای كاربردهای صنعتی، بهره برداری ار درایوهای خود را کاملا منعطف نموده است. اینها بخشی از ویژگیهای منحصر بفردی است كه درایوهای وكن را تبدیل به نمادی از درایو حرفه ای برای هزاره جدید نموده است. توصیه میكنیم برای آشنائی بیشتر با این درایوهای قدرتمند با شركت پرتو صنعت تماس بگیرید.
24- مسائلی كه درایوهای دور متغیر بوجود میاورند.
هر چند كه درایوها مزایای زیادی دراند ولی در انتخاب و بكارگیری آنها باید دقت كافی به عمل آید. خصوصا اگر درایوهای مورد بحث توانهای بالائی داشته و تولید كارخانه به عملكرد آنها كاملا مرتبط باشد. در واقع تحقیقات نشان داده است كه نگرانی از ضریب اطمینان درایو بعنوان یكی از موانع اصلی در عدم رغبت صنایع به استفاده از آنها در صرفه جوئی انرژی میباشد[10] .
درایوهای ولتاژ متوسط (Medium Voltage Drives) از تكنولوژی ساخت پیچیده ای برخوردارند. اینها معمولا تركیبی از الكترونیك قدرت، كنترل، میكروكامپیوترها، ترانسفورماتورها و فیلترها میباشند. پر واضح است كه ارزیابی این اجزا و انتخاب درایو نهائی امری دشوار و نیازمند زمان و بسیج كارشناسان متخصص خواهد بود. با این حال چهارچوب ساده زیر میتواند خریداران درایو را در ارزیابی و انتخاب درایو مورد نظرشان یاری دهد. در این چهارچوب پیچیدگیهای داخلی درایو مورد توجه قرار نمیگیرد. بلكه سعی میشود از آثار جانبی درایو عملكرد آن مورد ارزیابی قرارگیرد. بر این اساس مطابق شکل(19) مسائل جانبی درایو را طبقه بندی نموده و ملاکهائی برای ارزیابی آنها تعیین میکنیم.
شکل(19): چهارچوب پیشنهادی برای ارزیابی درایوهای ولتاژ متوسط با توجه به آثار جانبی آنها
ملاك اول تضمین میكند كه شبكه برق كارخانه تحت تاثیر عملكرد درایو قرار نگیرد. این موضوع وقتی اهمیت بیشتر پیدا میكند كه توان درایوهای مورد بحث زیاد بالا باشد. اعوجاجهای ناشی از عملكرد درایو روی شبكه میتواند عملكرد سایر دستگاههای حساس كنترلی را مختل سازد، تداخل در خطوط مخابراتی كارخانه ایجاد نماید، و یا توان راكتیو از شبكه كشیده شود. و واكنش سازمانهای برق منطقه ای را بدنبال داشته باشد. خلاصه ای از روشهای مختلف جهت كاهش هارمونیكهای ناشی از عملكرد بارهای غیر خطی و از جمله درایو در جدول(6) آمده است.
میزان تاثیر روی THID تاثیر روی هارمونیکها ملاحظات سازگاری با IEEE519
راکتور AC یا DC 29%-45%
مرتبه پائین
– کمترین قیمت
– راکتورهای AC حالات گذرای ورودی را محدود میکنند
– مسئله افت ولتاژ روی چک خیر

ترانسفورماتور ایزوله 45% – کم قیمت خیر

فیلترهای غیر فعال Trap
Tuned 20% مورد نظر – قیمت متوسط
– کاستن از آستانه تحریک
سیستم

Broadband
Low pass 5% مورد نظر – خیلی گران
– کاستن از آستانه تحریک سیستم
– کاهش پایداری سیستم بله بصورت محدود

دیوایس اکتیو VFD با ورودی اکتیو مرتبه پائین – گران
– ضرب قدرت را بهبود میدهد
– از IGBT استاندارد استفاده می کند بله
فیلتر اکتیو مرتبه پائین – گران
– MTBF کم
– افزایش هارمونیکهای مرتبه بالا
– ضرب قدرت را بهبود میدهد بله

سیستمهای چند پالسه: 12,18,24 12 پالسه 24% – قیمت متوسط
– حساس به عدم تقارن جریان خیر
18 پالسه 5%> – بالاترین MTBF
– مقاوم در برابر شرائط گذرا
– حساس به عدم تقارن جریان بله

برای دریافت اینجا کلیک کنید