ماشین سه فاز

مقدمه
بحت انرژي از دو ديدگاه اقتصادي و زيست محيطي حائز اهميت است . بهينه سازي مصرف انرژي به اين معني است كه بتوان با استفاده از تجهيزات و يا مديريت بهتر همان كار را ولي با مصرف انرژي كمتر انجام بدهيم .

صرفه جوئي انرژي مي تواند با استفاده از تجهيزات بهتر نظير : عايق بندي مطلوب ، افزايش راندمان سيسمتهاي حرارتي، و بازيابي تلفات حرارتي بدست آيد از طرف ديگر اعمال مديريت انرژي، بمنظور درك سيستمهاي موجود و طريقه استفاده از آنها، ميتواند در كاهش مصرف انرژي نقش مهمي داشته باشد. در سياست گذاري انرژي بايد سازمانها رويكرد سيستمي داشته باشند. براي مثال در بهينه سازي مصرف انرژي الكتريكي هدف تنها كاهش هزينه هاي انرژي يك يا چند الكتروموتور مشخص نيست، بلكه بايد آثار اقدامات مورد نظر روي ساير سيستمها نيز بدقت مورد توجه قرار گيرد. در یک بنگاه اقتصادی صرفه جوئی انرژی میتواند موجب برتری رقابتی بنگاه گردد.

در اغلب بخشهاي صنعتي انرژي الكتريكي مهمترين منبع انرژي صنعت بشمار مي رود . از آنجا كه موتورهاي الكتريكي، مصرف كننده اصلي انرژي الكتريكي در كارخانجات صنعتي ميباشند. لذا بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي كه موضوع مقاله است از اهميت ويژه اي برخوردار خواهد بود . براي درك اهميت بهينه سازي مصرف انرژي به اين مورد اشاره مي كنيم كه اگر راندمان موتورهاي الكتريكي القائي موجود در اروپا تنها به ميزان ۱% افزايش يابد، هزينه مصرف انرژي الكتريكي به ميزان ۶/۱ ميليارد دلار در سال كاهش خواهد يافت .

آمار منتشر شده از سوي وزارت نيرو نشان مي دهد در سال ۱۳۷۳ ، ۵/۳۸% از كل انرژي الكتريكي مصرف شده در ايران توسط موتورهاي الكتريكي بوده است[F1]. البته اين ميزان در كشورهاي صنعتي تا ۶۵% مي رسد و شاخص خوبي براي نشان دادن سطح صنعتي شدن يك كشور مي باشد[۱۰] . اهداف بهينه سازي مصرف انرژي را میتوان بصورت زیر بیان نمود:

§ استفاده منطقي از انرژي
§ حفظ منابع انرژي
§ اصلاح ميزان مصرف انرژي در بخشهاي مصرف كننده انرژي
§ كاهش گازهاي گلخانه اي و آلودگي هوا
§ اصلاح وضعيت موجود

§ کسب برتری رقابتی در بنگاههای اقتصادی
مي توان اقدامات مختلفي براي صرفه جوئي انرژي الكتريكي در الكتروموتورهاي صنعتي بعمل آورد. در حالت كلي اين اقدامات به دو دسته تقسيم ميشود:
۱- اقدامات مربوط به طراحي موتور

۲- اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها
اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها را نيز ميتوان به دو دسته تقسيم نمود:
۱- اقدامات روي موتور، نظير تهويه، روغنكاري، و بارگذاري
۲- استفاده از درايو یا کنترل کننده دور موتور

در اين مقاله نخست روشهاي بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي را مورد بحث قرار مي دهيم سپس كاربرد درايوها در كنترل موتورهاي الكتريكي و تاثيري كه آنها مي تواند در صرفه جوئي مصرف انرژي بگذارند مورد بررسي قرار خواهد گرفت .
۱- مصرف انرژي در موتورهای الکتریکی

در سالهاي اخير بهينه سازي مصرف انرژي در صنايع بدلايل اقتصادي و زيست محيطي اهميت بيشتري يافته و موجب شده است كه اقدامات عملي گسترده اي در اين زمينه بعمل آيد. علي رغم اينكه يكي از بزرگترين مصرف كنندگان انرژي الكتريكي در بخش صنعت موتورهاي الكتريكي مي باشند ، ليكن در زمينه افزايش بازدهي مبدلهاي انرژي الكتريكي به مكانيكي مستقر در صنايع اقدامات عملي چنداني بعمل نيامده است. بديهي است كه افزايش بازدهي محرك هاي صنعتي نه تنها از نظر اقتصادي مورد توجه استفاده كنندگان مي باشد بلكه در برنامه‌ريزي انرژي در سطح ملي نيز حائز اهميت 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. كاربردهاي صنعتي بسياري مي تو.ان يافت كه موتورها در بازدهي بسيار پايين تر از مقدار حداكثر قرار دارند . بعنوان مثال در يكي از كارخانجات صنعتي كشورمان در يك مورد ، متوسط توان مصرفي در يك موتور القائي سه فاز صنعتي تنها ۲۸% توان نامي اندازه گيري شده است [F1]. بديهي است پايين بودن توان خروجي، تا اين حد تاثيرات منفي قابل توجهي بر بازدهي و ضريب 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.
۲- 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
۳- انتخاب موتور مناسب

موتورهاي القائي سه فاز و يك فاز به دليل تنوع مصرف در كاربردهاي زيادي مورد استفاده قرار مي گيرند. مشخصه هاي بارمكانيكي ناشي از كاربرد و مورد مصرف مي باشد. بديهي است موتور در صورتي مي تواند بار مكانيكي متصل به آن را تامين كند كه مشخصه عملكردي موتور منطبق بر مشخصه بار مكانيكي باشد .

۳-۱- تطابق موتور و بار
همانطور كه در بالا اشاره شد موتور و بار داراي مشخصه هاي خاص خود مي باشند . منظور از تطابق بين موتور و بار انطباق بين مشخصه هاي موتور و مشخصه هاي بار متصل به محور موتور ميباشد .

مشكل اصلي در صنايع كشور آن است كه در اغلب موارد تطابق مطلوبي بين مشخصه هاي بار و موتور وجود ندارد. توان اغلب موتورها بيش از بار متصل به محور شان مي باشد و با توجه به اينكه قيمت تمام شده موتور متناسب با توان آن مي‌باشد، لذا بديهي است انتخاب موتور با توان بيش از نياز بار، علاوه بر افزايش هزينه اوليه موتور موجب افزايش ساير هزينه ها از قبيل كابل كشي و نصب و راه اندازي و تعمير خواهد شد .

از طرف ديگر در صورتيكه موتور انتخاب شده بزرگتر از حد لازم باشد در اين صورت موتور در حالت بار كامل و يا نزديك به بار كامل كار نكرده و لذا بازدهي آن پايين تر از مقدار حداكثر آن خواهد بود . و خود اين امر اشكالات جدي در بهينه سازي مصرف انرژي ايجاد خواهد كرد .

در موتورهاي القائي سه فاز در صورت كاهش ميزان بازدهي موتور ، به ويژه به ميزان كمتر از ۸۰% بار كامل ، شاهد كاهش قابل توجه در بازدهي موتور خواهيم بود . متاسفانه در اكثر موارد به اين نكته توجه نشده و تنها تاثير نامطلوب انتخاب موتور بزرگتر از حد لازم بر هزينه اوليه مورد توجه قرار مي گيرد . در صورتيكه محاسبات انجام شده حاكي از آن است كه تاثير انتخاب نامناسب موتور بر هزينه هاي متغير (هزينه اتلاف انرژي اضافي) قابل توجه و بمراتب بيش از افزايش هزينه ثابت اوليه مي باشد .

يك مثال اين موضوع را روشن خواهد كرد :
مثال : فرض مي كنيم براي انجام يك كار مكانيكي ، موتور القائي سه فاز با توان خروجي ۱۱۰ كيلو وات مناسب باشد و بجاي آن موتور با توان ۱۳۲ كيلو وات انتخاب شود . اطلاعات زير را مورد توجه قرار مي دهيم :
– بازدهي موتور در بار كامل = ۲/۹۴%

– بازدهي موتور در ۳/۸۳% بار كامل = ۵/۹۲%
– طول عمر مفيد موتور = ۱۵ سال

– ضريب كاركرد = ۸/۰
با انجام كمي محاسبات مي توان نتيجه گرفت كه مصرف انرژي در طول ۱۵ سال بمقدار ۶۰۰/۹۳۷ كيلو وات ساعت افزايش پيدا خواهد كرد. مطالب فوق اين واقعيت را بيان مي كند كه انتخاب موتور مناسب به لحاظ اقتصادي حائز اهيمت فراوان بوده و لذا تطابق بين بار و موتور از اهميت ويژه اي برخوردار است . انتخاب موتور بزرگتر از حداقل مورد نياز به دلايل زير غير اقتصادي مي باشد :

۱- با افزايش توان موتور قيمت آن يعني هزينه اوليه افزايش مي يابد .
۲- با افزايش توان موتور هزينه هاي نگهداري و تعميرات آن افزايش مي يابد .
۳- با افزايش توان موتور بدليل پايين آمدن ضريب بار ، بازدهي موتور كاهش يافته و بدين ترتيب انرژي تلف ش

ده افزايش مي يايد .
۳-۲- 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 ۲۰۰۰ 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 ۱۰ تا ۲۰ برابر قیمت موتور است[۱۶]. 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 ۲ تا ۳ 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. ميزان صرفه جوئي انرژي در صورت استفاده از موتور با راندمان بالا، به جاي موتورهاي استاندارد از رابطه زير قابل محاسبه است:
در رابطه فوق hp توان موتور بر حسب اسب بخار، l ضريب بار( در صد از بار كامل تقسيم بر ۱۰۰)، hr ساعات كار در طول سال، c متوسط قيمت انرژي (قيمت هر كيلووات ساعت انرژي)، std راندمان موتور استاندارد (%)، و ee راندمان موتور با راندمان بالا (%) است.

توصيه ميشود هنگام خريد موتور و يا سفارش ساخت ماشين به سازندگان ماشين از موتورهاي با راندمان بالا استفاده گردد. همچنين معمولا اقتصادي است كه بجاي سيم پيچي كردن موتورهاي سوخته و استفاده مجدد از آنها، از موترهاي با راندمان بالا استفاده گردد. زمان بازگشت سرمايه(به سال) در خريد اين نوع موتورها، بطور ساده عبارت خواهد بود از:

۴- اقدامات مورد نياز براي بهبود عملكرد سیستمهای مرتبط با الكتروموتورها
يك موتور معمولا با اجزا و سيستمهاي ديگر در ارتباط است. براي بهبود عملكرد الكتروموتورها لازم است سيستمهاي مرتبط با موتور نيز در نظر گرفته شود. اين سيستمها شامل شبكه برق، كنترل كننده هاي موتور، الكتروموتور و سيستم انتقال نيرو ميگردد.
۴-۱- كيفيت توان Power Quality

مسائل كيفيت توان شبكه شامل كليه اختلالات شبكه برق مثل عدم تقارن در ولتاژ، افت ولتاژ، چشمك زدن، اسپايك، سيستم ارت بد ، هارمونيكها و نظاير آن ميشود [۵]. از آنجا كه كيفيت توان تاثير زيادي در اتلاف انرژي دارد، لازم است يك مهندس مجرب وضعيت شبكه برق تاسيسات را زير نظر داشته باشد.
۴-۲- تثبيت ولتاژ شبكه

تا آنجا كه ممكن است بايد ولتاژ اعمالي به موتور نزديك به ولتاژ كار موتور باشد. گرچه تغييرات ۱۰% در ولتاژ موتور مجاز است اما از نقطه نظر اتلاف انرژي ميزان انحراف از ولتاژ نامي موتور بايد كمتر از ۵% باشد. تغيير ولتاژ موتور موجب افت ضريب قدرت، عمر مفيد موتور و راندمان ميگردد [۶]. شكل(۱)
شکل(۱): بررسی تائیر تغییرات ولتاژ اعمالی به موتور روی تورک، جریان راه اندازی، جریان بار کامل، راندمان و ضریب قدرت

اگر ولتاژ موتور بيش از ۵% كاهش پيدا كند، راندمان بين ۲ تا ۴ درصد افت پيدا كرده و دماي موتور حدود ۱۵ درجه افزايش مي يابد و اين افزايش دما عمر عايق موتور را كاهش خواهد داد. در شكل(۲) عمر موتور در دماهاي كار مختلف و با كلاسهاي عايقي مختلف نشان داده شده است.
شکل (۲): بررسی تاثیر دمای کلافهای موتور روی عمر مفید آن برای موتورهای با کلاس عایقی مختلف
۴-۳- عدم تقارن فاز

عدم تقارن فاز بايد كمتر از ۱% باشد. عدم تقارن فاز بصورت زير توسط NEMA تعريف شده است:
براي مثال اگر ولتاژهاي فاز بترتيب ۴۶۲ و ۴۶۳ و ۴۵۵ ولت باشد. متوسط ولتاژ سه فاز برابر با ۴۶۰ ولت ميشود و در صد عدم تقارن بصورت زير محاسبه خواهد شد:
۴-۴- ضريب قدرت

ضريب قدرت پائين موجب افزايش جريان كابلها و ترانسقورماتورها و افت ولتاژ شده و بدين ترتيب باعث كاهش ظرفيت سيستم تغذيه ميشود [۷]. ضريب قدرت پائين ناشي از بار كم در شفت موتور است. در شكل (۳) منحنيهاي ضريب قدرت براي بارهاي مختلف و رنجهاي تواني متفاوت موتورها آمده است[۸] . بوضوح مشاهده ميشود با كاهش بار موتور ضريب قدرت تغييرات قابل توجهي ميكند.
شکل (۳): تغییرات ضریب قدرت متناسب با بار موتور
۵- روشهاي عملي براي افزايش بازدهي موتور

اشاره شد كه بالا بردن بازدهي متوسط موتورهاي القائي به لحاظ اقتصادي از اهميت ويژه اي برخوردار است . بديهي است نحوه عمل و دستيابي به نتايج مطلوب وابسته به نوع و اندازه موتور ، شرايط بارگذاري ، نحوه نگهداري و غيره بوده و لذا نمي توان دستور العمل كلي براي ارتقاء بازدهي كليه موتورهاي القائي ارائه داد. بطور كلي اقدامات لازم براي بالا بردن بازدهي موتورهاي القائي را مي توان به دو دسته تقسيم نمود . دسته اول تمهيداتي است كه در زمان طراحي و ساخت موتور بايد بكار گرفت . دسته دوم شامل مجموعه اقدامات عملي جهت بالا بردن بازدهي موتورهاي القائي در حال كار در صنايع مي شود .

اقدامات عملي ساده اي منجر به افزايش راندمان كار مي گردد به عنوان مثال مقدار معمول جريان بي باري در موتورهاي القائي سه فاز در محدوده ۳ تا ۵ درصد جريان نامي موتور است . ولي در بررسي هاي بعمل آمده مشاهده شده است كه در اكثر موراد جريان بي باري موتور بيشتر از اين مقدار بوده و در برخي موارد تا ۱۲% جريان نامي افزايش يافته است . اين افزايش در جريان بي باري موتور بعلت عدم نگهداري صحيح از موتور است . در اكثر موارد اين شرائط نامطلوب در حالات بارگذاري نيز مشاهده مي شود. به اين معني كه با اعمال بار مكانيكي غیر مفید به محور موتور ، بصورت اصطكاكهای مکانیکی ناشي از عدم نگهداري صحيح، موجب میشود که موتور بار اعمال شده را در جريان الكتريكي بيشتري تامين مي كند . و در واقع بخشي از توان الكتريكي ورودي صرف تامين بار و قسمت ديگر آن براي غلبه بر اصطكاك مكانيكي مصرف مي شود .

بدين ترتيب موارد زير را در ارتباط با تلفات اهمي موتور ميتوان بيان كرد :
۱- تلفات اهمي موتور متغير بوده و تابعي از ميزان و نحوه بارگذاري موتور مي باشد .
۲- در بسياري از موارد عدم نگهداري صحيح از قسمتهاي چرخان موتور به ويژه بلبرينگ محور موتور ، موجب ايجاد بار مجازي ناشي از افزايش اصطكاك مكانيكي شده و لذا جريان ورودي موتور در حالت بي باري و بار از حد مطلوب و اعلام شده توسط سازنده بيشتر خواهد شود

۳- افزايش جريان ورودي موتور موجب بالا رفتن تلفات اهمي و حرارت ايجاد شده در سيم پيچ شده و لذا درجه حرارت اطراف سيم پيچ افزايش خواهد يافت .
از مشخصات بارز تلفات مكانيكي موتور دشواري محاسبه ميزان و تعيين منابع آن است . بخش عمده تلفات مكانيكي در قسمت هاي چرخان موتور بوده و ناشي از اصطكاك و بار مي باشد و لذا ميزان تلفات مكانيكي تا حد زيادي وابسته به شرايط نگهداري موتور دارد . با روغن كاري مناسب و بموقع بلبرينگ و نظافت قسمتهاي چرخان موتور و همچنين اطمينان از بالانس بودن م

حور ، ميتوان تلفات مكانيكي موتور را به حداقل رساند بدين ترتيب در ارتباط با تلفات مكانيكي موتور ميتوان موارد زير را اظهار داشت :
۱- ميزان تلفات مكانيكي تابعي از شرايط نگهداري موتور مي باشد .
۲- با انجام اقدامات مناسب در نگهداري موتور مي توان تلفات مكانيكي را بسادگي در مقدار حداقل خود نگه داشت.
۳- تلفات مكانيكي نيز منجر به افزايش درجه حرارت بويژه در قسمتهاي چرخان موتور مي شود .

انواع تلفات موتور بدون توجه به نوع آن منجر به ايجاد حرارت مي شود بدين ترتيب خنك كاري موتور بويژه در شرائطي كه موتور زير بار است از اهميت ويژه اي برخوردار است . بالا رفتن درجه حرارت موتور باعث كاهش عمر مفيد آن مي‌شود .

در موارد زيادي مشاهده شده است كه بدليل عدم رعايت نكات ساده و مهم در نگهداري موتور باعث كاهش بازدهي سيستم خنك كن شده و درجه حرارت موتور در حالت بار نامي افزايش پيدا كند . در اين گونه موارد گاهي اوقات بجاي رفع اشكال نگهداري، اقدام به جايگزين كردن موتور با توان بيشتر مي شود كه اين امر خود منجر به كاهش بازدهي سيستم و اتلاف انرژي خواهد شد .

بر اساس تجارب شركت پرتو صنعت نوع ديگري از اشكالات مربوط به سيم پيچي موتورهاي معيوب توسط افراد غير متخصص مي شود. مشاهدات ما نشان مي دهد كه در برخي از موارد موتور بدفعات مورد سيم پيچي قرار مي گيرد . عدم رعايت نكات فني در عايق بندي موتور سيم پيچي شده و همچنين استفاده از ابزار و آلات غير اصولي در درآوردن سيم پيچي سوخته شده موتور نتايج بدي بدنبال دارد .

بعنوان يك اصل تجربي موتورهائي كه به اين شيوه سيم پيچي مجدد مي شوند براي كار با اينورتر يا كنترل كننده دور موتور مناسب نيستند. اغلب اين موتورها بدليل آسيب هائي كه به مدار مغناطيسي آنها در حين سيم پيچي وارد مي شود از جريان بي باري بالاتر از حد معمول برخوردار بوده و عايق بندي آنها براي كار با اينورتر مناسب نمي باشد . اين نوع موتورها حرارت بيشتري نسبت به موتورهاي سالم دارند و تلفات انرژي زيادي ايجاد مي كنند . ضمناً اين موتورها بمراتب آسيب پذيرتر از موتورهاي فابريك مي باشند . توصيه مي شود در سيم پيچي موتورهاي آسيب ديده از تكنيسين هاي مجرب و ابزارآلات مناسب استفاده شود . ضمناً تا زمانيكه اطمينان از فرآيند كار حاصل نشده باشد از استفاده از اين نوع موتورها همراه با كنترل كننده دور موتور اجتناب گردد .

توصيه مي شوداگر قصد تعويض اين نوع موتورها را داريد و يا ميخواهيد موتورهاي جديدي تهيه كنيد، موتورهائي تهيه كنيد كه را

ندمان بالاتري داشته باشند.
۶- دستور العملهاي لازم براي بهبود عملكرد موتورهاي الكتريكي
اشاره شد كه عوامل موثر در بازدهي موتورهاي الكتريكي را مي توان بصورت زير بيان نمود :
– عوامل موثر در مراحل طراحي و ساخت

– عوامل موثر در بهره برداري
بررسی عوامل موثر فوق خارج از حوصله اين مقاله است. یک مطالعه خوب از عوامل فوق توسط آقای دکتر اوروعی در سال ۱۳۷۳ 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(۱) خلاصه اي از عوامل موثر در بازدهي موتورهاي الكتريكي آمده است .

جدول (۱) عوامل موثر در بازدهي موتورهاي الكتريكي
همان طور كه مشاهده مي شود مجموعه اقدامات ساده فوق خصوصاً اقداماتي كه به عوامل وابسته به شرايط نگهداري موتور مي شود مي تواند منجر به صرفه جوئي اقتصادي قابل توجهي شود .

براي اطمينان يافتن از اينكه بازدهي موتورهاي مستقر در صنايع و ساير كاربردها در حد مطلوب قرار دارد مي توان نسبت به تدوين شناسنامه صنعتي براي هر موتور ( و بويژه موتورهاي بزرگ) اقدام نموده و با ثبت اطلاعات مورد نظر از جمله موارد زير بازدهي اين موتور ها را مورد بررسي قرار داد :
– ميزان بار (درصد از بار كامل)

– ميزان تغييرات بار ( درصد از بار كامل)
– ميزان تغييرات سرعت (درصد از سرعت سنكرون)
– ميزان تغييرات ولتاژ شبكه (درصد از ولتاژ نامي)

توصيه ميشود كارخانجاتي كه در آنها تعداد موتور مورد استفاده زياد مي باشد نسبت به جمع آوري اطلاعات فوق و اقدامات اصلاحي اقدام نمايند.
۷- دسته بندي اقدامات لازم براي بهينه سازي مصرف انرژي

براي روشن شدن تاثير اقدامات مختلف براي افزايش بازدهي موتورهاي الكتر

يكي در جدول(۲) نتايج قابل انتظار اين اقدامات براي دسته اي از موتورهاي القائي با توان خروجي ۲/۲ تا ۳۰ كيلو وات نمايش داده شده است[F1] .
جدول (۲) : اقدامات محتلف براي افزايش بازدهي موتورهاي الكتريكي با توان ۲/۲ تا ۳۰ كيلو وات .
۸- تكنولوژي الكترونيك 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 ۱۵ تا ۲۰ درصد امکان صرفه جوئی انرژی الکتریکی وجود دارد[۱۷]. 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 بيشتر پمپها و فن ها موتورهاي القائي هستند که در دور ثابت کار میکنند. ليكن در سالهاي اخير با پيشرفتهاي انجام گرفته در زمينه تكنولوژي الكترونيك قدرت ، استفاده از موتورهاي القائي قفس سنجابي همراه با كنترل كننده دور موتور (AC DRIVE يا اينورتر يا بطور ساده درايو) 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(۴) 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(۴): ساختمان یک کنترل کننده دور موتور ( فقط قسمتهای قدرت نشان داده شده است).
كنترل كننده هاي دور موتورهاي الكتريكي هر چند كه ادوات پيچيده اي هستند ولي چون در ساختمان آنها از مدارات الكترونيك قدرت استاتيك استفاده مي شود و فاقد قطعات متحرك مي باشند، از عمر مفيد بالائي برخوردار هستند . مزيت ديگر كنترل كننده هاي دور موتور توانائي آنها در عودت دادن انرژي مصرفي در ترمزهاي مكانيكي و يا مقاومت هاي الكتريكي به شبكه مي باشد . در چنين شرائطي با استفاده از كنترل كننده هاي دور مدرن مي توان از اتلاف اين نوع انرژي جلوگيري نمود . بطوريكه در برخي كاربردها قيمت انرژي بازيافت شده از اين طريق ، در كمتر از يكسال معادل هزينه سرمايه گذاري سيستم بازيافت انرژي مي شود .

۹- كنترل كننده هاي دور موتور
تا اينجا درمورد مجموعه اقداماتي كه براي بهينه سازي مصرف انرژي ميتوانستيم روي موتورهاي الكتريكي اعمال كنيم بحث شد. اشاره شد كه در كشور ايران در سال ۷۳ بيش از ۳۵ درصد مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي بخش صنعت بوده است . البته اين مقدار در كشورهاي صنعتي تا ۶۵ در صد نيز ميرسد. اين امر اهميت بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي را نشان ميدهد. در اين قسمت از مقاله در مورد تاثير استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور در كاهش مصرف انرژي صحبت خواهيم كرد. سعي ميكنيم با استفاده از تعدادي مثال اهميت
موضوع را نشان دهيم . بطور خلاصه در كاربردهاي صنعتي زيادي، صرفه جوئي كه با استفاده از كنترل كننده دور موتور در مصرف انرژي حاصل ميشود بمراتب بيشتر از اقدامات برشمرده در قسمتهاي قبلي مقاله است.
استفاده از موتورهاي مجهز به كنترل كننده دور موتور ، امكان اعمال تغييرات لازم در سرعت موتور فن و يا پمپ را بطور دائم فراهم آورده و بدين ترتيب مي توان با توجه به فرآيند مورد نظر از اتلاف انرژي ايجاد شده در تنظيم كننده هاي مكانيكي جلوگيري نمود . با استفاده از درایو موتور به بار تطبیق داده شده ، و هر گونه نياز به خاموش و روشن كردن موتور و یا ادوات تنظیم کننده نظیر شیر یا دمپر حذف مي گردد . همچنين كنترل سرعت دقيق و متعاقب آن توان خروجي قابل

دسترسي بوده و با توجه به استفاده از مدارات الكترونيكي ، استهلاك قسمتهاي كنترل كننده در حد بسيار پايين خواهد بود . تصميم گيري در مورد استفاده از موتور با كنترل كننده دور متغيير بستگي به نوع كاربرد مورد نظر دارد . از آنجا كه هزينه اوليه اين سيستمها (كنترل كننده دور موتور) بيش از ساير روشها مي باشد و با توجه به اينكه صرفه جوئي ناشي از بالا بودن بازدهي تنها بصورت كاهش هزينه راهبري نمايان مي شود، لذا استفاده از موتورهاي مجهز به كنترل

كننده دور در طول زمان منجر به صرفه جوئي اقتصادي مي شود . معمولاً بسته به نوع كاربرد زمان بازگشت سرمايه گذاري بين يك تا سه سال متغير خواهد بود .
متاسفانه در اكثر موارد مهمترين عامل در انتخاب محرك قيمت اوليه است. بدين معني كه سيستم بر مبناي كمينه سازي هزينه اوليه انتخاب مي شود. در حاليكه در طول عمر مفيد آن هزينه قابل توجهي صرف انرژي تلف شده و يا تعمير و نگهداري مي شود .

در شکل(۵) 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 ۱۰ – ۲۰ms و در روشهای کنترل مستقیم گشتاور(Direct Torque Control) این زمان حدود ۵ms 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(۶) خلاصه ای از انواع روشهای کنترل موتورهای AC نمایش داده شده است.
شکل(۶): خلاصه ای از انواع روشهای کنترل موتورهای AC

۱۰- مزاياي استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور
مزاياي استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور هم در بهبود بهره وري توليد و هم در صرفه جوئي مصرف انرژي در كاربردهائي نظير فنها ، پمپها، كمپروسورها و ديگر محركه هاي كارخانجات ، در سالهاي اخير كاملا مستند سازي شده است. كنترل كننده هاي دور موتور قادرند مشخصه هاي بار را به مشخصه هاي موتور تطبيق دهند. اين اسباب توان راكتيو ناچيزي از شبكه ميكشند و لذا نيازي به تابلوهاي اصلاح ضريب بار ندارند. در زير به مزاياي استفاده از كنترل دور موتور اشاره ميشود:

۱- در صورت استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور بجاي كنترلرهاي مكانيكي، در كنترل جريان سيالات، بطور مؤثري در مصرف انرژي صرفه جوئي حاصل ميشود. اين صرفه جوئي علاوه بر پيامدهاي اقتصادي آن موجب كاهش آلاينده هاي محيطي نيز ميشود.
۲- ويژگي اينكه كنترل كننده هاي دور موتور قادرند موتور را نرم راه اندازي كنند موجب ميشود علاوه بر كاهش تنشهاي الكتريكي روي شبكه ، از شوكهاي مكانيكي به بار نيز جلو گيري شود. اين شوكهاي مكانيكي ميتوانند باعث استهلاك سريع قسمتهاي مكانيكي ، بيرينگها و كوپلينگها، گيربكس و نهايتا قسمتهائي از بار شوند. راه اندازي نرم هزينه هاي نگهداري را كاهش داده و به افزايش عمر مفيد محركه ها و قسمتهاي دوار منجر خواهد شد.
۳- جریان کشیده شده از شبکه در هنگام راه اندازی موتور با استفاده از درایو کمتر از ۱۰% جریان اسمی موتور است.
۴- کنترل کننده های دور موتور نیاز به تابلوهای اصلاح ضریب قدرت ندارند.
۵- در صورتي كه نياز بار ايجاب كند با استفاده از كنترل كننده دور ، موتور ميتواند در سرعتهاي پائين كار كند . كار در سرعتهاي كم منجر به كاهش هزينه هاي تعمير و نگهداشت ادواتي نظير بیرینگها، شيرهاي تنظيم كننده و دمپرها خواهد شد.
۶- يك كنترل كننده دور قادر است رنج تغييرات دور را ، نسبت به ساير روشهاي مكانيكي تغيير دور، بميزان قابل توجهي افزايش دهد. علاوه بر آن از مسائلي چون لرزش و تنشهاي مكانيكي نيز جلو گيري خواهد شد.
۷- كنترل كننده هاي دور مدرن امروزي با مقدورات نرم افزاري قوي خود قادرند راه حلهاي متناسبي براي كاربردهاي مختلف صنعتي ارائه دهند.
۱۱- مديريت بهينه سازي مصرف انرژي و نقش كنترل كننده هاي دور موتور
امروزه در كشورهاي صنعتي الزامات زيست محيطي از يكسو و رقابت بنگاههاي اقتصادي از سوي ديگر ، مديريت بهينه سازي انرژي را در بصورت يك امر غير قابل اجتناب در آورده است. مجموعه اقداماتي كه براي صرفه جوئي انرژي در كارخانجات صورت ميگيرد شامل مواردي چون جايگزيني موتورهاي الكتريكي با انواع موتورهاي با بازدهي بالا، استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور در كاربردهائي كه اتلاف انرژي در آنها زياد است، بازيافت انرژي از پروسه هاي حرارتي و نظاير انها ميشود. نتايج اعمال چنين اقداماتي نشان ميدهد در موارد زيادي ، و بخصوص در جاهائي كه از فنها ، پمپها، و كمپروسورها در فرايند توليد استفاده ميشود، بكارگيري كنترل كننده هاي دور موتور علاوه بر انعطاف پذير نمودن كنترل فرايند، تاثير قابل توجهي در كاهش مصرف انرژي داشته است. در بسياري از موارد زمان بازگشت سرمايه بين يك تا سه سال ميباشد.
کمتر از ۱۰% موتورها مجهز به درایو هستند. در حالیکه در بیش از ۲۵% آنها استفاده از درایو توجیه اقتصادی دارد[۱۶].
بر اساس مطالعات انجام گرفته توسط اتحادیه اروپا [۱۰] تا سال ۲۰۰۵ میلادی پتانسیل صرفه جوئی انرژی بالغ بر ۶۳٫۵ TWh در صنایع کشورهای عضو اتحادیه اروپا وجود دارد. که از این میزان بیش از ۴۴٫۷ 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 ۶۳% است. نتایج چنین مطالعاتی را بطور خلاصه در جدول(۳) مشاهده میکنید.
جدول(۳): 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 ۲۰۰۵٫
مطالعه فوق با تفکیک بار پتانسیل اقتصادی صرفه جوئی انرژی را نیز در اتحادیه اروپا مشخص نموده است. که نتایج آنرا در شکل(۷) مشاهده میکنید.
شکل(۷): پتانسیل صرفه جوئی اقتصادی درکشورهای عضو اتحادیه اروپا به تفکیک نوع بار
۱۲- پمپها و فنها

چيزي حدود ۴۰ درصد انرژي مصرفي در بخش صنعت در پمپها و فنها مصرف ميشود. برای مثال در انگلستان ترکیب مصرف کنندگان انرژی در موتورها و در کاربردهای صنعتی بصورت زیر است[۱۵].

شکل(۸): میزان انرژی مصرفی توسط بارهای مختلف در انگلستان
اغلب اين سيستمها از موتورهاي القائي با روتور قفس سنجابي استفاده ميكنند. و خروجي توسط ادواتي چون شيرهاي تنظيم كننده و دمپرها كنترل ميشوند. متاسفانه مقادير قابل توجهي انرژي توسط اين فنها و پمپها تلف ميشوند. موتورهاي بكار رفته در اغلب اين ادوات از مقدار مورد نياز بزرگتر بوده و سيستمهاي مكانيكي تنظيم كننده جريان سيالات در آنها بسيار تلفاتي ميباشند. به اين عوامل بايد هزينه هاي قابل توجه تعمير و نگهداشت نيز اضافه شود. با توجه به اینکه هزینه های خرید پمپ معمولا کمتر از ۵ 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(۹): 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 ۵۰ 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 هاي دور موتور ميتوان جريان سيالات در پمپ ها را با اعمال تغيير دور موتور ، كنترل نمود. امروزه اين روش بدليل انعطاف پذيري و صرفه جوئي اقتصادي قابل توجه جايگزين روشهاي سنتي متكي بر تنظيم جريان سيال با استفاده از شيرهاي تنظيم كننده مكانيكي و دمپرها ميشود. در شکل(۹) تفاوت دو روش در میزان مصرف انرژی نشان داده شده است.

۱۳- 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(۱۰) 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 ۲۵% خواهد رسید. منحنی سمت راست نشان میدهد که اگر دور موتور نصف شود مصرف توان ۸ برابر کاهش پیدا کرده و به ۱۲٫۵% خواهد رسید
شکل(۱۰): نمایش تصویری قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن سانتریفوژ

به خاطر میسپاریم با استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور و كاهش تنها ۱۵ درصد دور ميتوان به ميزان ۴۰ درصد در مصرف انرژي صرفه جوئي كرد. حال اجازه بدهید کمی دقیقتر به رفتار یک پمپ توجه کنیم. شکل(۱۱) مشخصات یک سیستم پمپ را نشان میدهد. هد استاتيك عبارتست از اختلاف ارتفاع پمپ و تانك مقصد. بديهي است كه اگر يك پمپ نتواند به اين ارتفاع غلبه كند دبي خروجي 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(۱۲) منحنی های سیستم و منحنی پمپ باهم نشان داده شده است. نقطه كار يك پمپ محل تلاقي منحني پمپ و منحني سيستم مي باشد. با توجه به این منحنی ها روشن میشود که میزان فلو در این سیستم ۸۰۰ لیتر در ثانیه و هد ۶۰ 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(۱۳) 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 ۶۰۰ 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(۱۴) 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 ۰٫۸۷۵ درصد و در کنترل فلو با درایو توان مصرفی ۰٫۴۲ درصد توان نامی میباشد. برای مثال اگر توان نامی پمپ ۱۰۰KW باشد. تفاوت توان مصرفی دو روش برابر خواهد بود با:
(۱۰۰KW x 0.875) – (۱۰۰KW x 0.42) = 45.5KW

شکل(۱۴) 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 (۱۵) – ميزان مصرف انرژي در يك 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 سيستمهائي كه هد استاتيك بالا ئي دارند با تغيير دور، راندمان پمپ هم به ميزان زيادي تغيير ميكند، ولي مزاياي ديگر درايو استفاده از آن را بخوبي توجيه ميكند. براي مثال ميزان فشار هيدروليك وارد شده به پره هاي پمپ سانتريفوژ با مجذور سرعت افزايش مييابد. اين نيروها به بيرينگهاي پمپ اعمال شده و عمر مفيد آنها را كاهش خواهد داد. خاطر نشان ميشود كه عمر بيرينگها بطور معكوس با توان هفتم سرعت متناسب است. از سوي ديگر با كاهش دور نويز و نوسانات سيستم نيز كاهش پيدا ميكند.

درشكل (۱۵) ميزان مصرف انرژي در يك 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 تاثير قابل توجه كنترل كننده دور موتور در كاهش انرژي مصرفي ، نسبت به روشها، مشاهده ميشود. 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 كشورهاي پيشرفته بعنوان يك برخورد اوليه در كاهش سريع مصرف انرژي، مجهز نمودن اين نوع فنها و پمپها به درايو ميباشد.
نكاتي كه بايد در طراحي سيستمهاي پمپ مورد توجه قرار گيرند عبارتند از:
– سيستم را بزرگ انتخاب نكنيد. حتي اگر بعدها نياز به توسعه پيدا كرديد. باز مطلوب آن است كه بعدا كنار سيستم موجود پمپ بيشتري اضافه كنيد
– توجه كنيد كه هزينه هاي خريد پمپ در مقايسه با هزينه هاي انرژي آن در طول عمر پمپ ناچيز است. پس پمپهاي با راندمان بالا را استفاده كنيد.
– از درايو براي كنترل فلو استفاده كنيد

– بجاي استفاده از يك پمپ بزرگ از تعدادي پمپ كوچك بطوريكه مجموع آنها ظرفيت مورد نياز را تامين نمايد، استفاده كيد. بدين ترتيب ميتوانيد در صورت عدم نياز به ظرفيت اضافي آن را از مدار خارج كنيد.
۱۴- مثال از محاسبات صرفه جوئي انرژي در فن
براي روشن شدن تاثير استفاده از درايو در كاربرد فن به مثال زير توجه ميكنيم. نخست اشاره ميكنيم به قوانين حاكم بر فن كه موسوم به قوانين افينيتي (Affinity Laws ) ميباشد:

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 ميزان جريان سيال، T معرف گشتاور، HP معرف توان مصرفي و P معرف فشار است.
حال فرض ميكنيم يك فن با موتور ۲۵۰hp با راندمان ۹۵% موجود است. و سيكل كار آن را در هر هفته بصورت زير در نظر ميگيريم:
بدون استفاده از درايوميزان انرژي مصرفي در هر هفته برابر است با:
با استفاده از درايوميزان انرژي مصرفي در هر هفته برابر است با:
ميزان صرفه جوئي انرژي در سال برابر است با:
و اگر ارزش هر كيلووات ساعت انرژي را ۴ سنت در نظر بگيريم ارزش انرژي صرفه جوئي شده برابر خواهد بود با:
۱۵- یک مطالعه موردی در ایران:
گزارشی از وضعیت فعلی فنهای پیش گرمکن خط ۲ 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 ۲ سیمان آبیک مورد بررسی قرار میگیرد. بمنظور آنکه بتوان میزان بالقوه انرژی قابل صرفه جوئی در این فن ها بدست اید از دو روش:
۱- محاسبه توان با استفاده از پارامترهای بدست آمده از فرایند
۲- 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 ۲۲% و دور موتور برابر با دور نامی ۹۹۰RPM ، و توان نامی موتور فن ۱۳۰۰KW با راندمان ۰٫۸ 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 ۳۵ و ۳۶ (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:
۱- صحت محاسبات انجام شده( عدد ۱۲۱۳ در مقابل ۱۲۶۰ و یا ۱۲۱۰ ).
۲- 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 ۳۶ کنترل دور نصب شد و در حالیکه دور فن روی ۶۸۰RPM 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 ۱۰۰% باز و مقدار توان مصرفی موتور ۵۶۰KW 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 ۳ سال باشد.
۱۶- سيتمهاي تهويه مطبوع

موضوع صرفه جوئي انرژي در دنياي رقابتي امروز حتي آثار خود را در سيستمهاي تهويه مطبوع هتلها نيز خود را مطرح كرده است. در اين مكانها امكان صرفه جوئي انرژي تا مرز ۵۰ درصد روي سيستمهاي HVAC يا سيستمهاي حرارتي و هواسازي و تهويه مطبوع ، وجود دارد. و سرمايه گذاري اوليه در مدت دو سال از محل صرفه جوئي انرژي قابل بازيابي ميباشد.
۱۷- ماشين تزريق پلاستيك

در يك ماشين تزريق پلاستيك استفاده از كنترل كننده دور موتور ميتواند تا ۵۰ در صد صرفه جوئي در مصرف انرژي بدنبال داشته باشد[۲]. براي روشن شدن اين مطلب به دياگرام زير توجه ميكنيم:

شكل (۱۶) مصرف انرژي در يك سيكل كاري ماشين تزريق پلاستيك- بدون استفاده از درايو
در دياگرام فوق مصرف انرژي در يك سيكل كاري نشان داده شده است. اين حالت نرمال كار ماشين بوده و در اين وضعيت از درايو استفاده نشده است. با استفاده از كنترل كننده دور موتور ميتوان توان تلفاتي ماشين را بميزان قابل توجهي كاهش داد. مضافا اينكه در اين صورت ماشين خيلي نرمتر كار كرده و از شوكهاي مكانيكي اجتناب خواهد شد. خود اين امر منجر به كاهش هزينه هاي تعمير و نگهداشت ماشين ميشود . در دياگرام زير توان مصرفي ماشين در حالت كار با كنترل كننده دور موتور نمايش داده شده است:

شكل (۱۷) مصرف انرژي در يك سيكل كاري ماشين تزريق پلاستيك- با استفاده از درايو
با مقايسه دو دياگرام مشاهده ميشود كه مصرف انرژي از ۴۲ كيلوات ساعت به ۲۷ كيلووات ساعت تقليل پيدا كرده است.
۱۸- صرفه جوئی انرژی در تاسیسات آب و فاضلاب

شرکت Vacon سازنده درایوهای AC گزارش کرده است [۱۲] که درسیستم تصفیه فاضلاب شهر گرومز سوئد با استفاده از درایو ۴۰٫۵% صرفه جوئی انرژی بدست آوده است. این درحالی است که در سیستم فوق و با استفاده از درایو مصرف مواد شیمیائی نیز ۵۳% 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 [۱۳]. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه با شرکت پرتوصنعت تماس بگیرید.
۱۹- کمپرسورها

شرکت اطلس کوپکو موفق شده است با استفاده از درایو مصرف انرژی کمپروسورهای تولیدی خود را بمیزان ۳۵% 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 ۹۵% برساند. و بدین ترتیب این کمپروسورها نیازی با خازنهای اصلاح ضریب قدرت ندارند. از سال ۱۹۹۴ 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.
۲۰- نیروگاهها

در نیروگاهها پتانسیل قابل توجهی برای صرفه جوئی انرژی وجود دارد. مصرف داخلی نیروگاههای بخاری میتواند بین ۵ تا ۱۴ 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[۱۴] که از مجموع ۲۲ واحد نیروگاهی ۲۱۰ مگاواتی، با بکارگیری درایو در فنهای ID و یا پمپهای BFP ، سالانه بالغ بر ۱۵۸ میلیون کیلووات ساعت انرژی، به ارزش ۱۱٫۳ میلیون دلار صرفه جوئی انرژی حاصل میگردد. این در حالی است که ارزش سرمایه گذاری ولیه ۷/۲۵ میلیون دلار بوده است. و بدین ترتیب میتوان انتضار داشت که در کمتر از ۳/۲ سال سرمایه گذاری اولیه مستهلک شده و عواید سرشاری نصیب نیروگاهها گردد. در جدول(۴) خلاصه ای از این بررسی را مشاهده میکنید.

جدول(۴): بررسی نتایج استفاده از درایو در برخی از کاربردهای با مصرف انرژی بالا بمنظور کاهش مصرف داخلی نیروگاهها در کشور هند
۲۱- سیمان
در ایران حدود ۹% انرژی الکتریکی صنعتی در صنایع سیمان مصرف میشود. مطالعاتی که در سال ۲۰۰۲ توسط آقای علیرضا شیرازی در صنایع سیمان انجام گرفت نشان داد[۱۲] که میزان مصرف انرژی در این صنایع نسبت به استانداردهای جهانی آن خیلی بالا است. در شکل(۱۸) 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 ) ۵ ( خلاصه ای از این مطالعه نشان داده شده است.

شکل(۱۸): پتانسيل صرفه جوئي در مصرف انرژي الكتريكي در صنايع سيمان ايران در مقايسه با بهترین حالت جهاني آن (Kwh/Ton)
جدول (۵ب) پتانسيل صرفه جوئي سالانه انرژي الكتريكي در صنايع منتخب سیمان ایران در مقايسه با استاندارد جهاني

اطلاعات فوق نشان مي‌دهد كه در هر كارخانه سيمان مي توان حدود ۱٫۵ ميليون دلار در هر سال در مصرف انرژي الكتريكي صرفه‌جوئي نمود و اگر تعداد خطوط توليد سيمان را در حال حاضر ۶۰ خط توليد در نظر بگيريم ميزان مصرف انرژي الكتريكي در صنايع سيمان سالانه بالغ بر ۹۰ ميليون دلار خواهد بود . براي بدست آوردن اين نتايج ارزش هر كيلووات ساعت انرژي الكتريكي ۶ 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.

۲۲- قابليتهاي كنترل كننده هاي دور موتور مدرن
درايوهاي مدرن امروزي بر اساس تكنولوژي مدولار ساخته ميشوند. اين امر هم در قسمتهاي سخت افزاري و هم در قسمتهاي نرم افزاري درايو رعايت ميشود. ساختار مدولار قابليت بر آورده سازي بسياري از نيازهاي مشتري را دارد. اغلب اين درايوها از تكنولوژي كنترل برداري بهره ميگيرند. اين روش كنترل امكان كنترل

موتور را با دقت و ديناميك زياد فراهم مياورد. بطوريكه اين درايوها اينك قادرند درست نظير درايوهاي DC رفتار نمايند. آنها را ميتوان در كاربردهاي كنترل سرعت و يا كنترل گشتاور بسهولت مورد استفاده قرارداد. بطوريكه سادگي و استحكام موتورهاي القائي دركنار اين درايوها مجموعه اي مطمئن و كارا از آنها ميسازد . هر چند كه اين درايوها از تكنولوژي الكترونيك قدرت پيچيده استفاده ميكنند اما بدليل استاتيك بودنشان هزينه هاي نگهداشت زيادي به صنعت تحميل نمي 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.
درايوهاي مدرن امروزه در كاربردهاي فيدبك و سرو نيز بسهولت بكار گرفته ميشوند. ساختار مدولار آنها بگونه اي است كه ميتوان متناسب با كاربرد از كارتهاي اختياري استفاده نمود. اين كارتها امكان تطبيق درايو با كاربرد مشتري را فراهم مي آورند. در كنار اين مقدورات سخت افزاري بايد به برنامه هاي نرم افزاري متعددي نيز اشاره نمود، كه معمولات توسط سازندگان درايو براي نيازهاي مختلف صنعتي ارائه ميشود. استفاده از اين برنامه هاي كاربردي بسيار ساده بوده و كاربر ميتواند برنامه دلخواه خود را انتخاب و در داخل درايو قراردهد. درايوهاي امروزي ميتوانند بسياري از فيلد باسهاي موجود را پشتيباني كنند. امروزه پروفي باس به عنوان يك فيلدباس باز( Open ) ، در بسياري از كاربردهاي صنعتي متداول شده است. سازندگان درايو با استفاده از پروفايل Profi Drive بسهولت سازگاري خود را با پروفي باس برقرار ميسازند.
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:
۲۲-۱- 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.
۲۲-۲- 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.
۲۲-۳- 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
۲۳- درايوهاي دور متغير VACON مصداقي از درايوهاي مدرن
كنترل كننده هاي دور موتور ساخت شركت وكن نمونه كاملي از درايوهاي مدرن امروزي است[۳]. درايوهاي وكن داراي ساختاري كاملا مدولار بوده و به كاربر اجازه ميدهد با استفاده از نرم افزار قدرتمند داخلی، که بر اساس استاندارد IEC 611131-3 کار میکند، برنامه هاي خود را توسعه دهد. بدين ترتيب اين درايو قادر است در كاربردهاي زيادي نقش يك PLC را نيز بازي كرده و به كاربر اجازه ميدهد بسهولت براي كاربردهاي خود راه حل ارائه دهد. علاوه بر اين قابليت، شركت وكن در اقدامي بي سابقه با طراحي و توسعه صدها برنامه كاربردي مختلف براي كاربردهاي صنعتي، بهره برداری ار درایوهای خود را کاملا منعطف نموده است. اينها بخشي از ويژگيهاي منحصر بفردي است كه درايوهاي وكن را تبديل به نمادي از درايو حرفه اي براي هزاره جديد نموده است. توصيه ميكنيم براي آشنائي بيشتر با اين درايوهاي قدرتمند با شركت پرتو صنعت تماس بگيريد.
۲۴- مسائلي كه درايوهاي دور متغير بوجود مياورند.
هر چند كه درايوها مزاياي زيادي دراند ولي در انتخاب و بكارگيري آنها بايد دقت كافي به عمل آيد. خصوصا اگر درايوهاي مورد بحث توانهاي بالائي داشته و توليد كارخانه به عملكرد آنها كاملا مرتبط باشد. در واقع تحقيقات نشان داده است كه نگراني از ضريب اطمينان درايو بعنوان يكي از موانع اصلي در عدم رغبت صنايع به استفاده از آنها در صرفه جوئي انرژي ميباشد[۱۰] .
درايوهاي ولتاژ متوسط (Medium Voltage Drives) از تكنولوژي ساخت پيچيده اي برخوردارند. اينها معمولا تركيبي از الكترونيك قدرت، كنترل، ميكروكامپيوترها، ترانسفورماتورها و فيلترها ميباشند. پر واضح است كه ارزيابي اين اجزا و انتخاب درايو نهائي امري دشوار و نيازمند زمان و بسيج كارشناسان متخصص خواهد بود. با این حال چهارچوب ساده زیر میتواند خریداران درایو را در ارزیابی و انتخاب درایو مورد نظرشان یاری دهد. در اين چهارچوب پيچيدگيهاي داخلي درايو مورد توجه قرار نميگيرد. بلكه سعي ميشود از آثار جانبي درايو عملكرد آن مورد ارزيابي قرارگيرد. بر این اساس مطابق شکل(۱۹) مسائل جانبی درایو را طبقه بندی نموده و ملاکهائی برای ارزیابی آنها تعیین میکنیم.
شکل(۱۹): چهارچوب پیشنهادی برای ارزیابی درایوهای ولتاژ متوسط با توجه به آثار جانبی آنها
ملاك اول تضمين ميكند كه شبكه برق كارخانه تحت تاثير عملكرد درايو قرار نگيرد. اين موضوع وقتي اهميت بيشتر پيدا ميكند كه توان درايوهاي مورد بحث زياد بالا باشد. اعوجاجهاي ناشي از عملكرد درايو روي شبكه ميتواند عملكرد ساير دستگاههاي حساس كنترلي را مختل سازد، تداخل در خطوط مخابراتي كارخانه ايجاد نمايد، و يا توان راكتيو از شبكه كشيده شود. و واكنش سازمانهاي برق منطقه اي را بدنبال داشته باشد. خلاصه اي از روشهاي مختلف جهت كاهش هارمونيكهاي ناشي از عملكرد بارهاي غير خطي و از جمله درايو در جدول(۶) 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 ۴۵% – 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: ۱۲,۱۸,۲۴ ۱۲ پالسه ۲۴% – قیمت متوسط
– حساس به عدم تقارن جریان خیر
۱۸ پالسه ۵%> – بالاترین MTBF
– مقاوم در برابر شرائط گذرا
– حساس به عدم تقارن جریان بله