کاهش مصرف انرژی الکتریکی با استفاده روتور‌ها

[ad_1]

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: در میان این تجهیزات موتورهای کوچک ومتوسط (0.25 تا 150 اسب بخار) عمدتا از نوع القایی با روتور قفس سنجبی بوده و این‌بخش از الکتروموتور‌ها در حدود ۶۰ تا ۷۰ در صد ازکل مصرف برق الکتروموتور‌ها را به‌خود اختصاص می‌دهند. باز دهی عملی این الکترو موتورهای کوچک و متوسط در شرایط بهره برداری سالانه در حدود ۵۰ تا ۹۰ درصد است و به طور میانگین در حدود ۲۵ تا ۳۵ در صد از انرژی الکتریکی مصرفی در آن‌ها تلف می‌شود که با توجه به این امر، پتانسیل‌ فراوانی برای کاهش تلفات این الکتروموتور‌ها در کشور پیش بینی می‌شود.

در این‌ مقاله یکی از فن آوریهای جدید و متناسب با شرایط کشور برای کاهش تلفات این دسته‌ از تجهیزات الکتریکی بیان شده و مزایای آن با توجه به امکانات و پتانسیل‌های بالقوه‌موجود، ارزیابی می‌شود.
الکترو موتور‌ها گروهی از تجهیزات‌الکتریکی هستند که بر اساس روابط بین‌جریانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی، باعث تبدیل‌انرژی الکتریکی به انرژی‌مکانیکی می‌شوند. در حین این عمل (تبدیل‌انرژی الکتریکی به مکانیکی) مقداری ازانرژی تلف می‌شود.

با توجه به این امر کیفیت‌ساخت این تجهیزات برای دسترسی به‌حداکثر بازدهی اقتصادی از اهمیت فراوانی برخوردار بوده و در نتیجه سازندگان این‌تجهیزات می‌توانند نقش بسیار مهمی درکاهش مصرف و تلفات انرژی الکتریکی‌داشته باشند.

  • مهمترین عوامل ایجاد تلفات درموتورهای الکتریکی عبارتند از:

۱) عبور جریان الکتریکی در سیم پیچ‌های‌استاتور و روتور و مقاومت الکتریکی این‌هادی‌ها
۲) مغناطیس شدن متوالی هسته موتور ونیزجریانهای گردابی ایجادی درآن‌
۳) تلفات ناشی از اصطکاک‌های مکانیکی‌
۴) اثرات پارازیتی (تلفات اضافی)

باتوجه به این که هرساله مقادیر فراوانی‌از انرژی الکتریکی به دلیل عدم بازدهی‌مناسب الکتروموتور‌ها به صورت تلفات به‌هدر می‌رود بنابراین در بسیاری از کشورهاکوشش‌های فراوانی در جهت بهبود بازدهی وعملکرد این تجهیزات بعمل آمده وسعی شده‌است تا در نظر گرفتن امکانات بالــــقوه و فن آوریهای موجود ونیز قیمت مواد اولیه وهزینه‌های تحمیلی، مناسب‌ترین گزینه‌هابرای بهبود کارایی موتور‌ها بکار گرفته شود.

این روند بخصوص هنگامی مشخص‌ترمی‌شود که بدانیم امروزه در بسیاری ازکشورهای پیشرفته یا درحال توسعه، رعایت‌استانداردهای حداقل مقادیر مجاز بازدهی‌الکتروموتور‌ها به صورت اجباری در آمده است‌و محدوده‌هایی که این استاندارد‌ها پیشنهادکرده‌اند بگونه‌ای است که در بسیاری ازحالات تنها با صرف هزینه‌های بالا و استفاده‌از فن آوریهای جدید، دسترسی به آن‌ها میسراست.

درکشور ما نیز با وجود این که بازدهی اکثرالکتروموتورهای مورد استفاده (ساخت داخل‌یا وارداتی) حتی از مقادیر استاندارد ازایه شده‌در دهه ۷۰ میلادی نیز پایین‌تر است، اما تاکنون اقدامات حدی در زمینه بهبود کارایی‌این تجهیزات بعمل نیامده است.

همان گونه‌که در این شکل دیده می‌شود در اواسط دهه ۷۰ میلادی، بازده چنین اکتروموتورهایی درحدود ۸۷ تا ۸۸ در صد بوده است که متاسفانه‌در حال حاضر این مقدار برای موتورهای مورداستفاده در کشور به حدود ۸۵ تا ۸۶ در صدمحدود می‌شود این در حالی است که‌الکتروموتورهای هم قدرت استاندارد امروزی‌در دنیا باز در حدود ۸۹ تا ۹۰ درصدبازدهی‌دارند سه تاپنج در صد بازدهی بیشتر نسبت‌به موتورهای مورداستفاده در کشور)

در اینجا لازم است تا برای پی بردن به‌اهمیت واقعی بهبود بازدهی الکتروموتورهاتوجه بیشتری به این اطلاعات معطوف شودبه عنوان مثال کافی است پتانسیل کاهش‌اوج بار شبکه سراسری را در نظر داشته باشیم.

همان گونه که بیان شد بازدهی متوسط الکتروموتورهای مورد استفاده در کشور درحدود سه تا پنج در صد از الکتروموتورهای‌استاندارد امروزی در دنیا کمتر است. بادانستن اوج بار شبکه سراسری و اینکه در حدود ۳۰ تا ۳۵ درصد از اوج بار، برای به حرکت‌ در آوردن الکتروموتورهای القایی (و یادستگاههایی که از این تجهیزات استفاده‌می‌کنند) استفاده خواهد شد، افزایش بازدهی‌الکتروموتورهای کشور تاحد استانداردمی‌تواند نیاز اوج بار شبکه را در حدود ۴۰۰ تا ۵۰۰ مگاوات (معادل با توان تولیدی ۲۰۳۱۵ عدد توربین گازی GE فریم ۵) کاهش دهد.

با توجه به این شرایط، امروزه در کشورهای‌پیشرفته، سعی می‌شود تا حدود مجاز بازدهی‌الکتروموتور‌ها حتی از مقادیر استاندارد نیزفراتر رفته و در برخی کشور‌ها نظیر آمریکا، کانادا، استرالیاو… رعایت این حدود برای‌الکتروموتورهای مورد استفاده در آن کشورهااجباری شده است، اگر چه سازندگان‌الکتروموتورهای موجود در آنجا می‌توانندموتورهای با بازدهی کمتر را صرفٹبرای‌صادرات نیز تولید کنند.

لازم به ذکر است که‌هرچند به نظر می‌رسد که بهبود بیشتر دربازدهی الکتروموتور‌ها با توجه به پیشرفتهای‌روز افزون در زمینه مواد و طراحی این‌تجهیزات می‌تواند ادامه یابد، اما این حالتهادر در اکثر موارد تن‌ها از طریق مواد وفن‌آوریهای بسیار گران (نظیر استفاده ازورقهای الکتریکی آمورف یا ابر رساناها) ممکن می‌شود که بسیار هزینه بر بوده و درحال حاضر چندان استقبالی از آن‌ها بعمل‌نمی‌آید.

● روشهای بهبود بازدهی الکتروموتور‌ها


این‌الکتروموتور از دو قسمت اصلی استاتور (قسمت ساکن) و روتور (قسمت متحرک) تشکیل شده است که هر یک از آن‌ها شامل‌یک جزء الکتریکی (هادیها) و یک جزءمغناطیسی (هسته‌ها) است با در نظر گرفتن‌این ساختار و دانستن سهم هریک ازموءلفه‌های تلفات انرژی در این تجهیزات‌بهبود بازدهی الکتروموتور‌ها از چند طریق‌امکان‌پذیر خواهد بود، ولی در هر حال‌مهمترین اقدامات برای بهبود باز دهی‌الکتروموتور‌ها را می‌توان در کاهش تلفات‌هسته یا تلفات هادیهایان‌ها خلاصه کرد.

متاسفانه بسیاری از فن آوریهای شناخته‌شده برای بهبود بازدهی انرژی درالکتروموتور‌ها باعث افزایش ابعاد آن‌ها خواهدشد و این افزایش ابعادی بیشتر شامل ازدیادطول آنهاست به عنوان مثال یکی ازروشهای‌شناخته شده برای کاهش تلفات هسته درموتورهای الکتریکی، افزایش طول هسته‌آنهاست که این حالت ار یک 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 کم و بیش‌مشکلاتی مشابه با موارد فوق داشته و برای‌بسیاری از تولید کنندگان داخلی، چندان‌جاذبه‌ای ندارد.

در مورد افزایش سطح مقطع‌هادیهای الکتروموتور‌ها نیز این حالت‌مستلزم تغییرات وسیع در قالبهای ساخت‌هسته و در نتیجه تغییر طراحی‌الکتوموتورست که به نوبه خود هزینه‌های‌تولید را به طور چشمگیری افزایش با توجه به‌این موارد و در نظر داشتن مشکلات ناشی ازتغییر طراحی و یا تغییر ابعاد الکتروموتورها، مناسب‌ترین، گزینه‌ها برای بهبود بازدهی‌الکتروموتورهای داخلی، تغییر مواد مورداستفاده در ساخت آنهاست.

مهم‌ترین مواد مورد استفاده در ساخت‌هسته الکتروموتور‌ها را ورقهای فولادالکتریکی کم کربن (Motor Lamination) ویا فولادهای سیلیکونی با دانه‌های غیر جهت‌دار (Non- Oriented Silicon) تشکیل‌می‌دهند. اینگونه ورق‌ها که 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 الکتروموتور‌ها شامل نفوذپذیری مغناطیسی، تلفات توان و القای اشباع‌در آنهاست که با تغییر میزان عناصر الیاژی ویا ضخامت ورقها، این خواص را میتوان‌بدست آورد.

برای کاهش تلفات توان و انرژی‌ در هسته استاتور الکتروموتورهای القایی، می‌توان با استفاده از ورقهای فولاد الکتریکی‌با مقادیر بالاتر سیلیسیم و یا انتخاب ورقهای‌با ضخامت کمتر، بازدهی آنهارا تا مناسبی‌افزایش داد، اما این حالت می‌تواند از یک‌طرف سایر خواص هسته را تحت تاثیر قراردهد و از طرف دیگر افزایش قیمت وهزینه‌های تولید را در پی خواهد داشت چراکه با انتخاب ورقهای نازکتر 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 کاهش تلفات الکتروموتورها می‌تواند بدون تغییر فراوان در طراحی این‌ تجهیزات به عنوان یک روش مناسب، مطرح‌باشد هرچند که درحال حاضر با توجه به عدم‌توانایی ساخت داخل ورقهای فولاد سیلیسیم‌دار در کشور، هزینه‌های ارزی تهیه مواد اولیه‌و ساخت چنین الکتروموتورهایی تا حدی بالاخواهد بود.

روش مناسب دیگر برای کاهش تلفات‌الکتروموتور‌ها بدون نیاز به تغییر طراحی ویاابعاد آنها، استفاده از هادی‌های مسی به جای‌آلومینیوم در آن‌ها ست. باتوجه به آنکه هدایت‌الکتریکی مس تقربیاپ ۶۰ درصد بیشتر ازهدایت الکتریکی آلومینیوم است، در بیشترحالت‌ها برای ساخت هادیهای استاتورالکتروموتور‌ها از مسن استفاده می‌شود.

درساخت هادیهای روتورالکتروموتور‌ها نیز اگرچه برای الکتروموتورهای بزرگ (با توان‌ بیشتر از ۲۵۰ کیلو وات) معمولاپاز مس الکتریکی کار شده و شکل داده شده استفاده‌می‌شود، اما روش ساخت روتور چنین‌الکتروموتورهایی ریخته گری نبوده و بنابراین‌بسیار زمان گران و هزینه‌بر هستند هرچند که‌با توجه به تعداد نسبتاپ کم ساخت چنین‌الکتروموتورهایی، استفاده از چینن روشی‌چندان نامطلوب در نظر گرفته نمی‌شود. درمورد الکتروموتورهای القایی کوچک و متوسطکه سالانه تعداد بسیار زیادی از آن‌ها تولیدمی‌شود، تن‌ها روش اقتصادی برای ساخت‌روتور آنها، ریخته گری دایکاست (تحت‌فشار) فلز هادی اطراف هسته و ایجاد یک‌ساختار یکپارچه از روتور است.

اگر چه از زمانهای گذشته نیز مشخص‌بوده است که بکار بردن هادیهای مسی درساخت روتور الکتروموتورهای القایی قف‌س‌سنجابی می‌تواند باعث بهبود بازدهی آنهاشود، اما به دلیل مشکلات موجود بر سر راه‌ریخته گری دایکاست مس و سهولت بیشتراین فرایند برای هادیهای آلومینومی، با درنظر گرفتن مسائل اقتصادی، ریخته گری‌دایکاست آلومینیوم به عنوان روش مناسب‌تربرای ساخت این روتور‌ها مورد استفاده‌قرارمی گیرد.

این حالت باعث شد که تاچندین سال گذشته تقریباپ روتور تمامی‌الکتروموتورهای القایی قفس سنجابی‌کوچک و متوسط از طریق ریخته گری‌دایکاست آلومینیوم تولید شود و متاسفانه‌استفاده از هادیهای مسی تن‌ها در اجزامی‌استاتور چنین الکتروموتورهایی خلاصه شودو با این حال از حدود دهه ۷۰ میلادی باافزایش قسمت انرژی الکتریکی تلاشهایی‌شد تا ساخت روتورهای مسی دایکاست شده‌به صورت اقتصادی‌تر صورت گرفته و عوامل‌کنترل کننده این فرایند، بیشتر شناسایی شود. این روند به خصوص از اواخر دهه ۹۰ میلادی، گسترش فراوانی یافت و با انجام مطالعات وتحقیقات کاربردی، مهمترین روشهاوفن‌آوریهای مناسب واقتصادی برای ساخت‌چنین روتورهایی، شناسایی شد.

به گونه‌ای که‌امروزه تولید انبوه چنین الکتروموتورهایی درتعدادی از کارخانه‌های بزرگ سازنده‌الکتروموتور‌ها آغاز شده واستقبال بسیارزیادی از این محصولات بعمل آمده است.
نکته بسیار مهم در مورد چنین‌الکتروموتورهایی آن است که بدون هیچ گونه‌تغییر طراحی و یا تغییر ابعادی الکتروموتور، تلفات آن‌ها تا حدود زیادی کاهش می‌یابد واین حالت مخصوصاپ برای سازندگانی نظیرتولید کنندگان ایرانی، بسیار مناسب خواهدبود.

بخصوص آن که توجه داشته باشیم که درزمینه مواد اولیه مورد نیاز، ایران در حال حاضرپنجمین کشور تولید کننده مسن محسوب‌می‌شود (رتبه دوم به لحاظ دارا بودن معادن‌مسن دنیا) در حالی که جایگاه مناسبی درزمینه تولید آلومینیوم نداشته و لذا این‌جایگزینی، هزینه ارزی اضافی را تحمیل‌نخواهد کرد، ضمن آنکه می‌تواند نیاز به‌واردات آلومینیوم را نیز کاهش دهد؛ بنابراین به نظر می‌رسد که با توجهبه شرایط کنونی‌کشور، فن‌آوری مناسب‌ترین گزینه‌ای است‌که بدون افزایش هزینه‌های ارزی و یا بدون‌نیاز به ن آوریهای گران قیمت (نظیر استفاده‌از ابر رسانا‌ها و یا ورق‌های الکتریکی آمورف‌یا پرسیلیسم) می‌تواند باعث کاهش قابل‌ملاحظه در تلفات برق و انرژی‌الکتروموتورهای داخلی شود.

● مزایای روتورهای مسی دایکاست شده‌
مهم‌ترین مزیت استفاده از روتورهای مسی‌دایکاست شده در الکتروموتورهای القایی، کاهش فراوانی در تلفات توان (انرژی) و بهبودبازدهی این نوع الکتروموتورهاست.

● نتیجه‌گیری‌
بهبود بازدهی موتورهای الکتریکی‌القایی، از جمله مهم‌ترین روش‌ها برای کم‌کردن تلفات انرژی الکتریکی و نیز کاهش‌ اوج بار شبکه سراسری محسوب می‌شود. این‌نوع الکتروموتور‌ها در محدوده قدرت کوچک و متوسط (0.25 – 150اسب بخار) هر سال بیش‌از 30 در صد مصرف برق کشور رابه‌خوداختصاص می‌دهند و با توجه به بازدهی‌پایین آنها، استفاده از روشهای مناسب‌ واقتصادی برای بهبود بازدهی آنها، ارزش‌فراوانی خواهد داشت.

با توجه به شرایط کنونی تولید کنندگان این تجهیزات در داخل‌کشور ومحدودیت‌های موجود در رابطه باتغییر طراحی و ابعاد این الکتروموتور‌ها در کنارسایر مسائل مربوط به هزینه‌های ارزی، یکی‌ از مناسب‌ترین روش‌ها برای افزایش کارایی‌این الکتروموتورها، استفاده از روتورهای‌مسی دایکاست شده به جای روتورهای‌آلومینیومی است که این فن آوری قادرمی‌شوند تلفات برق را در این تجهیزات درحدود  30 در صد کاهش دهد.

پتانسیل پیک‌سایی شبکه سراسری از طریق این فن آوری‌بیش از  500 مگاوات و مقدار صرفه جویی‌انرژی الکتریکی در کشور از این طریق‌سالانه 2.5  تا سه میلیارد کیلووات ساعت (باارزش تقریبی 70 –  60 میلیارد تومان) تخمین‌زده می‌شود به علاوه این حالت منجر به‌افزایش عمر، کاهش نیاز به خنک کنندگی، نگهداری و تعمیر آسانتر و نیز عملکردمکانیکی بهتر این تجهیزات خواهد شد این‌امر با نظر داشتن اینکه ایران یکی ازبزرگترین دارندگان و تولید کنندگان مس دردنیا ست لزوم توجه بیشتر به این فن آوری رابیش از پیش نمایان می‌کند و چه بسا ممکن‌است از این طریق امکان صادرات این‌الکتروموتورهای پربازده با قیمت‌های قابل‌به بازارهای جهانی نیز فراهم شود.

[ad_2]

لینک منبع

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *