پیك سایی و كاهش مصرف انرژی الكتریكی با استفاده روتورها
پیك سایی و كاهش مصرف انرژی الكتریكی با استفاده روتورها
الكتروموتورها از جمله مهمترین مصرف كنندگان انرژی الكتریكی در بخش‌های‌صنعتی، كشاورزی، خانگی، تجاری و عمومی بوده و بطور متوسط در حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد از برق تولیدی كشور را مصرف می‌كنند.
در میان این تجهیزات موتورهای كوچك ومتوسط (۰/۲۵ تا ۱۵۰ اسب بخار) عمدتاپ ازنوع القایی با روتور قفس سنجبی بوده و این‌بخش از الكتروموتورها در حدود ۶۰ تا ۷۰ در صد از گل مصرف برق الكتروموتورها را به‌خوداختصاص می‌دهند. باز دهی عملی این الكترو موتورهای كوچك ومتوسط در شرایطبهره برداری سالانه در حدود ۵۰ تا ۹۰ درصد است و به طور میانگین در حدود ۲۵ تا ۳۵در صد از انرژی الكتریكی مصرفی در آنها تلف می‌شود كه با توجه به این امر، پتانسیل‌فراوانی برای كاهش تلفات این الكتروموتورها در كشور پیش بینی می‌شود.
در این‌نوشتار یكی از فن آوریهای جدید و متناسب با شرایط كشور برای كاهش تلفات این دسته‌از تجهیزات الكتریكی بیان شده و مزایای آن با توجه به امكانات و پتانسیل‌های بالقوه‌موجود، ارزیابی می‌شود .
الكترو موترها گروهی از تجهیزات‌الكتریكی هستند كه بر اساس روابط بین‌جریانهای الكتریكی و میدانهای مغناطیسی،باعث تبدیل‌انرژی الكتریكی به انرژی‌مكانیكی می‌شوند. در حین این عمل (تبدیل‌انرژی الكتریكی به مكانیكی) مقداری ازانرژی تلف می‌شود.
با توجه به این امر كیفیت‌ساخت این تجهیزات برای دسترسی به‌حداكثر بازدهی اقتصادی از اهمیت فراوانی برخوردار بوده و در نتیجه سازندگان این‌تجهیزات می‌توانند نقش بسیار مهمی دركاهش مصرف و تلفات انرژی الكتریكی‌داشته باشند.
▪ مهمترین عوامل ایجاد تلفات درموتورهای الكتریكی عبارتند از :
۱) عبور جریان الكتریكی در سیم پیچ‌های‌استاتور و روتور و مقاومت الكتریكی این‌هادیها
۲) مغناطیس شدن متوالی هسته موتور ونیزجریانهای گردابی ایجادی درآن
۳) تلفات ناشی از اصطكاك‌های مكانیكی
۴) اثرات پارازیتی (تلفات اضافی )
باتوجه به این كه هرساله مقادیر فراوانی‌از انرژی الكتریكی به دلیل عدم بازدهی‌مناسب الكتروموتورها به صورت تلفات به‌هدر می‌رود بنابراین در بسیاری از كشورهاكوشش‌های فراوانی در جهت بهبود بازدهی وعملكرد این تجهیزات بعمل آمده وسعی شده‌است تا در نظر گرفتن امكانات بالــــقوه و فن آوریهای موجود ونیز قیمت مواد اولیه وهزینه‌های تحمیلی، مناسب‌ترین گزینه‌هابرای بهبود كارایی موتورها بكار گرفته شود.
این روند بخصوص هنگامی مشخص‌ترمی‌شود كه بدانیم امروزه در بسیاری ازكشورهای پیشرفته یا درحال توسعه، رعایت‌استانداردهای حداقل مقادیر مجاز بازدهی‌الكتروموتورها به صورت اجباری در آمده است‌و محدوده‌هایی كه این استانداردها پیشنهادكرده‌اند بگونه‌ای است كه در بسیاری ازحالات تنها با صرف هزینه‌های بالا و استفاده‌از فن آوریهای جدید، دسترسی به آنها میسراست .
دركشور ما نیز با وجود این كه بازدهی اكثرالكتروموتورهای مورد استفاده (ساخت داخل‌یا وارداتی) حتی از مقادیر استاندارد ازایه شده‌در دهه ۷۰ میلادی نیز پایین‌تر است، اما تاكنون اقدامات حدی در زمینه بهبود كارایی‌این تجهیزات بعمل نیامده است.
همان گونه‌كه در این شكل دیده می‌شود در اواسط دهه۷۰ میلادی، بازده چنین اكتروموتورهایی درحدود ۸۷تا ۸۸ در صد بوده است كه متاسفانه‌در حال حاضر این مقدار برای موتورهای مورداستفاده در كشور به حدود ۸۵ تا۸۶ در صدمحدود می‌شود این در حالی است كه‌الكتروموتورهای هم قدرت استاندارد امروزی‌در دنیا باز در حدود ۸۹ تا۹۰ درصدبازدهی‌دارند سه تاپنج در صد بازدهی بیشتر نسبت‌به موتورهای مورداستفاده در كشور)
در اینجا لازم است تا برای پی بردن به‌اهمیت واقعی بهبود بازدهی الكتروموتورهاتوجه بیشتری به این اطلاعات معطوف شودبه عنوان مثال كافی است پتانسیل كاهش‌اوج بار شبكه سراسری را در نظر داشته باشیم.
همان گونه كه بیان شد بازدهی متوسطالكتروموتورهای مورد استفاده در كشور درحدود سه تا پنج در صد از الكتروموتورهای‌استاندارد امروزی در دنیا كمتر است. بادانستن اوج بار شبكه سراسری در سال جاری‌یا سال آینده ۲۷ هزارمگاوات است ودر حدود۳۰ تا ۳۵ درصد از این اوج بار، برای به حركت‌در آوردن الكتروموتورهای القایی (و یادستگاههایی كه از این تجهیزات استفاده‌می‌كنند) استفاده خواهد شد، افزایش بازدهی‌الكتروموتورهای كشور تاحد استانداردمی‌تواند نیاز اوج بار شبكه را در حدود ۴۰۰ تا۵۰۰ مگاوات (معادل با توان تولیدی ۲۰۳۱۵عدد توربین گازی GE فریم ۵) كاهش دهد.
با توجه به این شرایط، امروزه در كشورهای‌پیشرفته، سعی می‌شود تا حدود مجاز بازدهی‌الكتروموتورها حتی از مقادیر استاندارد نیزفراتر رفته و در برخی كشورها نظیر آمریكا،كانادا، استرالیاو... رعایت این حدود برای‌الكتروموتورهای مورد استفاده در آن كشورهااجباری شده است، اگر چه سازندگان‌الكتروموتورهای موجود در آنجا می‌توانندموتورهای با بازدهی كمتر را صرفٹبرای‌صادرات نیز تولید كنند.
لازم به ذكر است كه‌هرچند به نظر می‌رسد كه بهبود بیشتر دربازدهی الكتروموتورها با توجه به پیشرفتهای‌روز افزون در زمینه مواد و طراحی این‌تجهیزات می‌تواند ادامه یابد، اما این حالتهادر در اكثر موارد تنها از طریق مواد وفن‌آوریهای بسیار گران (نظیر استفاده ازورقهای الكتریكی آمورف یا ابر رساناها)ممكن می‌شود كه بسیار هزینه بر بوده و درحال حاضر چندان استقبالی از آنها بعمل‌نمی‌آید .
● روشهای بهبود بازدهی الكتروموتورها
این‌الكتروموتور از دو قسمت اصلی استاتور(قسمت ساكن) و روتور (قسمت متحرك)تشكیل شده است كه هر یك از آنها شامل‌یك جزء الكتریكی (هادیها) و یك جزءمغناطیسی (هسته‌ها) است با در نظر گرفتن‌این ساختار و دانستن سهم هریك ازموءلفه‌های تلفات انرژی در این تجهیزات‌بهبود بازدهی الكتروموتورها از چند طریق‌امكان‌پذیر خواهد بود ولی در هر حال‌مهمترین اقدامات برای بهبود باز دهی‌الكتروموتورها را می‌توان در كاهش تلفات‌هسته یا تلفات هادیهایانها خلاصه كرد.
متاسفانه بسیاری از فن آوریهای شناخته‌شده برای بهبود بازدهی انرژی درالكتروموتورها باعث افزایش ابعاد آنها خواهدشد و این افزایش ابعادی بیشتر شامل ازدیادطول آنهاست به عنوان مثال یكی ازروشهای‌شناخته شده برای كاهش تلفات هسته درموتورهای الكتریكی، افزایش طول هسته‌آنهاست كه این حالت ار یك طرف مستلزم‌تغییرات فراوان در خط تولید این نوع موتورهابوده و باعث ناهمخوانی وعدم انصباق موتورساخته شده با سایر تجهیزات متصل به آن‌می‌شود و از طرف دیگر با توجه به مصرف‌بیشتر مواد اولیه (هسته و هادی)، قیمت‌موتورها افزایش زیادی خواهد یافت. افزایش‌سطح مقطع هسته موتورها نیز كم و بیش‌مشكلاتی مشابه با موارد فوق داشته و برای‌بسیاری از تولید كنندگان داخلی، چندان‌جاذبه‌ای ندارد.
در مورد افزایش سطح مقطع‌هادیهای الكتروموتورها نیز این حالت‌مستلزم تغییرات وسیع در قالبهای ساخت‌هسته و در نتیجه تغییر طراحی‌الكتوموتورست كه به نوبه خود هزینه‌های‌تولید را به طور چشمگیری افزایش با توجه به‌این موارد و در نظر داشتن مشكلات ناشی ازتغییر طراحی و یا تغییر ابعاد الكتروموتورها،مناسب‌ترین ، گزینه‌ها برای بهبود بازدهی‌الكتروموتورهای داخلی، تغییر مواد مورداستفاده در ساخت آنهاست .
مهمترین مواد مورد استفاده در ساخت‌هسته الكتروموتورها را ورقهای فولادالكتریكی كم كربن (Motor Lamination)ویا فولادهای سیلیكونی با دانه‌های غیر جهت‌دار(Non- Oriented Silicon)تشكیل‌می‌دهند. اینگونه ورقها كه با ضخامت‌های‌متفاوت/۸./۳-.میلی متر) وبا مقادیر مختلف‌عناصر آلیاژی (منگنز،آلومینیوم و سیلیسیم)تولید می‌شوند دارای خواص مغناطیسی‌متفاوت و نیز قیمت‌های بسیار گسترده‌هستند.
مهمترین خواص مغناطیسی موردنظر در حین انتخاب اینگونه ورقهابرای‌ساخت هسته الكتروموتورها شامل نفوذپذیری مغناطیسی، تلفات توان و القای اشباع‌در آنهاست كه با تغییر میزان عناصر الیاژی ویا ضخامت ورقها، این خواص را میتوان‌بدست آورد.
برای كاهش تلفات توان و انرژی‌درهسته استاتور الكتروموتورهای القایی،می‌توان با استفاده از ورقهای فولاد الكتریكی‌با مقادیر بالاتر سیلیسیم و یا انتخاب ورقهای‌با ضخامت كمتر، بازدهی آنهارا تا مناسبی‌افزایش داد اما این حالت می‌تواند از یك‌طرف سایر خواص هسته را تحت تاثیر قراردهد و از طرف دیگر افزایش قیمت وهزینه‌های تولید را در پی خواهد داشت چراكه با انتخاب ورقهای نازكتر و با مقادیر بیشترعناصر آلیاژی، اولاپ هزینه خرید این ورقهابیشتر شده و در ثانی عوامل مربوط به برش وپانچ و هسته چینی نیز هزینه‌های تولید را به‌مراتب بالاتر خواهد برد. در هر حال این تغییرمواد هسته برای كاهش تلفات الكتروموتورهامی‌تواند بدون تغییر فروان در طراحی این‌تجهیزات به عنوان یك روش مناسب، مطرح‌باشد هرچند كه درحال حاضر با توجه به عدم‌توانایی ساخت داخل ورقهای فولاد سیلیسیم‌دار در كشور ،هزینه‌های ارزی تهیه مواد اولیه‌و ساخت چنین الكتروموتورهایی تا حدی بالاخواهد بود.
روش مناسب دیگر برای كاهش تلفات‌الكتروموتورها بدون نیاز به تغییر طراحی ویاابعاد آنها، استفاده از هادیهای مسی به جای‌آلومینیوم در آنها ست.باتوجه به آنكه هدایت‌الكتریكی مس تقربیاپ ۶۰ درصد بیشتر ازهدایت الكتریكی آلومینیوم است، در بیشترحالتها برای ساخت هادیهای استاتورالكتروموتورها از مسن استفاده می‌شود. درساخت هادیهای روتورالكتروموتورها نیز اگرچه برای الكتروموتورهای بزرگ (باتوان‌بیشتر از ۲۵۰ كیلو وات) معمولاپاز مسن‌الكتریكی كار شده و شكل داده شده استفاده‌می‌شود، اما روش ساخت روتور چنین‌الكتروموتورهایی ریخته گری نبوده و بنابراین‌بسیار زمان گران و هزینه‌بر هستند هرچند كه‌با توجه به تعداد نسبتاپ كم ساخت چنین‌الكتروموتورهایی، استفاده از چینن روشی‌چندان نامطلوب در نظر گرفته نمی شود.درمورد الكتروموتورهای القایی كوچك و متوسطكه سالانه تعداد بسیار زیادی از آنها تولیدمی‌شود، تنها روش اقتصادی برای ساخت‌روتور آنها، ریخته گری دایكاست (تحت‌فشار) فلز هادی اطراف هسته و ایجاد یك‌ساختار یكپارچه از روتور است.
اگر چه از زمانهای گذشته نیز مشخص‌بوده است كه بكار بردن هادیهای مسی درساخت روتور الكتروموتورهای القایی قف‌س‌سنجابی می‌تواند باعث بهبود بازدهی آنهاشود اما به دلیل مشكلات موجود بر سر راه‌ریخته گری دایكاست مس و سهولت بیشتراین فرایند برای هادیهای آلومینومی، با درنظر گرفتن مسائل اقتصادی، ریخته گری‌دایكاست آلومینیوم به عنوان روش مناسب‌تربرای ساخت این روتورها مورد استفاده‌قرارمی گیرد.
این حالت باعث شد كه تاچندین سال گذشته تقریباپ روتور تمامی‌الكتروموتورهای القایی قفس سنجابی‌كوچك و متوسط از طریق ریخته گری‌دایكاست آلومینیوم تولید شود و متاسفانه‌استفاده از هادیهای مسی تنها در اجزامی‌استاتور چنین الكتروموتورهایی خلاصه شودو با این حال از حدود دهه ۷۰ میلادی باافزایش قسمت انرژی الكتریكی تلاشهایی‌شد تا ساخت روتورهای مسی دایكاست شده‌به صورت اقتصادی‌تر صورت گرفته و عوامل‌كنترل كننده این فرایند، بیشتر شناسایی شود.این روند به خصوص از اواخر دهه ۹۰میلادی،گسترش فراوانی یافت و با انجام مطالعات وتحقیقات كاربردی، مهمترین روشهاوفن‌آوریهای مناسب واقتصادی برای ساخت‌چنین روتورهایی، شناسایی شد .
به گونه‌ای كه‌امروزه تولید انبوه چنین الكتروموتورهایی درتعدادی از كارخانه‌های بزرگ سازنده‌الكتروموتورها آغاز شده واستقبال بسیارزیادی از این محصولات بعمل آمده است .
نكته بسیار مهم در مورد چنین‌الكتروموتورهایی آن است كه بدون هیچ گونه‌تغییر طراحی و یا تغییر ابعادی الكتروموتور،تلفات آنها تا حدود زیادی كاهش می‌یابد واین حالت مخصوصاپ برای سازندگانی نظیرتولید كنندگان ایرانی، بسیار مناسب خواهدبود.
بخصوص آن كه توجه داشته باشیم كه درزمینه مواد اولیه مورد نیاز، ایران در حال حاضرپنجمین كشور تولید كننده مسن محسوب‌می‌شود (رتبه دوم به لحاظ دارا بودن معادن‌مسن دنیا) در حالی كه جایگاه مناسبی درزمینه تولید آلومینیوم نداشته و لذا این‌جایگزینی، هزینه ارزی اضافی را تحمیل‌نخواهد كرد، ضمن آنكه می‌تواند نیاز به‌واردات آلومینیوم را نیز كاهش دهد.
بنابراین‌به نظر می‌رسد كه با توجهبه شرایط كنونی‌كشور، فن‌آوری مناسب‌ترین گزینه‌ای است‌كه بدون افزایش هزینه‌های ارزی و یا بدون‌نیاز به ن آوریهای گران قیمت (نظیر استفاده‌از ابر رساناها و یا ورقهای الكتریكی آمورف‌یا پرسیلیسم) می‌تواند باعث كاهش قابل‌ملاحظه در تلفات برق و انرژی‌الكتروموتورهای داخلی شود .
● مزایای روتورهای مسی دایكاست شده
مهمترین مزیت استفاداه از روتورهای مسی‌دایكاست شده در الكتروموتورهای القایی،كاهش فراوانی در تلفات توان (انرژی) و بهبودبازدهی این نوع الكتروموتورهاست.
خلاصه‌ای از نتایج حاصل شده از مقایسه‌بازدهی و تلفات الكتروموتورهای القایی‌قفس سنجابی با روتورهای مسی و یاآلومینیومی دایكاست شده را نشاه می‌دهد .
استفاده از روتورای مسی دایكاست‌شده به جای آلومینیوم در الكتروموتورهای‌استاندارد (ستونهای ۳و۴)، باعث افزایش‌بازدهی آنها در حدود چهارتاهفت در صد و نیزكاهش تلفات این نوع الكتروموتورها در حدود۳۰ تا ۳۵ در صد، می‌شود.
در صورتی كه این‌حالت در كشور محقق شود، با در نظر داشتن‌مصرف برق كشور در سال آینده در حدود۱۲۰میلیارد كیلو وات ساعت و لحاظ كردن ۳۰تا ۳۵ در صد از این مصرف برق درالكتروموتورهای القایی كوچك و متوسط، درصورتی كه بازدهی آنها در حدود ۵ تا ۶ در صدافزایش یابد، پتانسیل موجود برای صرفه‌جویی سالانه انرژی الكتریكی مصرفی درحدود ۲/۵تا سه میلیارد كیلووات ساعت (به‌ارزش تقریبی ۶۰ تا ۷۰ میلیارد تومان) خواهدبود.
همچنین با توجه به اوج بار شبكه‌سراسری (در حدود ۲۷۰۰۰ مگاوات) و مصرف‌برق این الكتروموتورها (در حدود ۳۰تا ۳۵درصد) از این اوج بار، پتانسیل پیك سایی‌شبكه با استفاده از این فن آوری در حدود۵۰۰خواهد بود. علاوه بر این، بررسیهای‌مختلف نشان داده است كه به دلیل كاهش‌تلفات و گرمای ایجاد شده درالكتروموتورهای القایی با روتورهای مسی‌دایكاست شده، عمر آنها حداقل ۵۰ در صدبیشتر از موتورهای با روتورهای آلومینیومی‌است ضمن آنكه به دلیل خواص استحكامی‌بیشتر مس نسبت به آلومینیوم،توانایی‌تحمل نیروهای مكانیكی (بخصوص‌خستگی) در اینگونه روتورها بیشتر ازروتورهای آلومینیومی بوده و به این دلیل نیز،عمور الكتروموترهای القایی با روتورهای‌مسی دایكاست شده بیشتر خواهد بود .
● نتیجه‌گیری
بهبود بازدهی موتورهای الكتریكی‌القایی، از جمله مهمترین روش‌هابرای كم‌كردن تلفات انرژی الكتریكی و نیز كاهش‌اوج بار شبكه سراسری محسوب می‌شود. این‌نوع الكتروموتورها در محدوده قدرت كوچك ومتوسط (۰/۲۵-۱۵۰اسب بخار) هر سال بیش‌از ۳۰ در صد مصرف برق كشور رابه‌خوداختصاص می‌دهند و با توجه به بازدهی‌پایین آنها، استفاده از روشهای مناسب‌واقتصادی برای بهبود بازدهی آنها، ارزش‌فراوانی خواهد داشت.
با توجه به شرایطكنونی تولید كنندگان این تجهیزات در داخل‌كشور ومحدودیت‌های موجود در رابطه باتغییر طراحی وابعاد این الكتروموتورها در كنارسایر مسائل مربوط به هزینه‌های ارزی، یكی‌از مناسب‌ترین روشها برای افزایش كارایی‌این الكتروموتورها، استفاده از روتورهای‌مسی دایكاست شده به جای روتورهای‌آلومینیومی است كه این فن آوری قادرمی‌شوند تلفات برق را در این تجهیزات درحدود ۳۰ در صد كاهش دهد.
پتانسیل پیك‌سایی شبكه سراسری از طریق این فن آوری‌بیش از ۵۰۰ مگاوات و مقدار صرفه جویی‌انرژی الكتریكی در كشور از این طریق‌سالانه ۲/۵ تا سه میلیارد كیلووات ساعت( باارزش تقریبی ۶۰-۷۰میلیارد تومان) تخمین‌زده می‌شود به علاوه این حالت منجر به‌افزایش عمر، كاهش نیاز به خنك كنندگی،نگهداری و تعمیر آسانتر و نیز عملكردمكانیكی بهتر این تجهیزات خواهد شد این‌امر با نظر داشتن اینكه ایران یكی ازبزرگترین دارندگان و تولید كنندگان مس دردنیا ست لزوم توجه بیشتر به این فن آوری رابیش از پیش نمایان می‌كند و چه بسا ممكن‌است از این طریق امكان صادرات این‌الكتروموتورهای پربازده با قیمت‌های قابل‌به بازارهای جهانی نیز فراهم شود.
منبع:محمدرضا جهانگیری پژوهشگاه نیرو
منابع :
-۱اطلاعات در دسترس وخصوصی‌تعدادی از تولید كنندگان داخلی‌موتورهای الكتریكی
-۲ كاتالوگ محصولات شركتهای الكتروموتورسازی
Baldor , Brook Crompton ,EmersonMotors , Leroy Somer,A.O. Smith
H. Stadler , Energy Savings byMeans of Electrical Drives ,۳th.Energy Efficieney in MotorDriven Systems , Italy ۲۰۰۲
D . Vanson ,"Cast Copper RotorsRotors - Efficency Test Reslts" CDASpring- Meeting , June ۲۰۰۰
J.G. Cowie et al, "Materials to Die-Cast the Copper Conductors of theInduction Motor", Die CastingEndgineet , ۲۰۰۱
۶) S. Lie et al , "Copper Die- CasRotor Efficiency Imprvement andEconomic Consideration" IEEETrans. Energy Convers., VOL .۱۰,NO, ۳, ۱۹۹۵
۷) M . Poloujadoff et at , " SomeEconmical Comparisons BetweenAluminum and Copper SquirrelCages " , IEEE Trans. Ebergy.,Convers vol . ۱۰ , No . ۳-۱۹۹۵
۸) D.T peters et al , "Use of Hig
h Temperature Die Material andHot Dies for High pressure DieCasting pure Copper and copperAlloys" , Die casting, NADCA
, ۲۰۰۲ Hot Dies for
۹) EURODRIVE CompanyCatalouy Catalouge , " EnergySaving Motors by sew-Euodrive :Effl, Eff۲, among otgers", ۲۰۰۲
۱۰) D.T Peters et al , " ImprovedMotor Efficiency and performanceThrough the Die- Cast CopperRotors" , Int. Conf
. Electrical Machines
, Belgium , ۲۰۰۲
۱۱) " Energy Efficent Motors -DTE/DVE " , Sew EurodriveCatalog ۱۱۲۲۶۲۲۶ ,۲۰۰۳
بانک اطلاعات مهندسی برق
