بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورها (3)

7- دسته بندي اقدامات لازم براي بهينه سازي مصرف انرژي

براي روشن شدن تاثير اقدامات مختلف براي افزايش بازدهي موتورهاي الكتريكي در جدول(2) نتايج قابل انتظار اين اقدامات براي دسته اي از موتورهاي القائي با توان خروجي 2/2 تا 30 كيلو وات نمايش داده شده است .

جدول (2) : اقدامات محتلف براي افزايش بازدهي موتورهاي الكتريكي با توان 2/2 تا 30 كيلو وات .

8- 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 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 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(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 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 .

9- 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 73 بيش از 35 درصد مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي بخش صنعت بوده است . البته اين مقدار در كشورهاي صنعتي تا 65 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(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- 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:
 1- 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.
 2- 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.
 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 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.
 6- 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.
 7- كنترل كننده هاي دور مدرن امروزي با مقدورات نرم افزاري قوي خود قادرند راه حلهاي متناسبي براي كاربردهاي مختلف صنعتي ارائه دهند.

11- 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 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 63.5 TWh در صنایع کشورهای عضو اتحادیه اروپا وجود دارد. که از این میزان بیش از 44.7 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- پمپ ها و فن ها

چيزي حدود 40 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[15].

شکل(8): 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 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 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(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 12.5% خواهد رسید

شکل(10): نمایش تصویری قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن سانتریفوژ
به خاطر میسپاریم با استفاده از كنترل كننده هاي دور موتور و كاهش تنها 15 درصد دور ميتوان به ميزان 40 درصد در مصرف انرژي صرفه جوئي كرد. حال اجازه بدهید کمی دقیقتر به رفتار یک پمپ توجه کنیم. شکل(11) 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(12) 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 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 0.875 درصد و در کنترل فلو با درایو توان مصرفی 0.42 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) - 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 (15) 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.

/خ