تبیان، دستیار زندگی

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 . 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 . 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 :
01. بازدهی موتور در بار كامل = 2/94%
02. بازدهی موتور در 3/83% بار كامل = 5/92%
03. طول عمر مفید موتور = 15 سال
04. 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 شده 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. 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 ee راندمانstd راندمان موتور استاندارد (%)، و (قیمت هر كیلووات ساعت انرژی)، 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 موتورهای 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. 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. 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:

ضريب قدرت

ضريب قدرت پائين موجب افزايش جريان كابلها و ترانسقورماتورها و افت ولتاژ شده و بدين ترتيب باعث كاهش ظرفيت سيستم تغذيه ميشود. ضريب قدرت پائين ناشي از بار كم در شفت موتور است. در شكل (3) منحنيهاي ضريب قدرت براي بارهاي مختلف و رنجهاي تواني متفاوت موتورها آمده است . بوضوح مشاهده ميشود با كاهش بار موتور ضريب قدرت تغييرات قابل توجهي ميكند.

5- روش های 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 محور ، 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 راندمان بالاتری داشته باشند.