روش های کاهش مصرف در موتور های الکتریکی

انتخاب درست موتور الکتریکی براساس بار مکانیکی:

در مباحث مربوط به مدیریت مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی، انتخاب موتور مناسب برای بارهای مختلف مقوله بسیار مهمی است. می توان با انتخاب موتوری مناسب، موتور را در شرایط بهینه از نظر بازده و ضریب توان قرار داد و با پرهیز از انتخاب موتورهایی با توان خروجی بیش از حداقل مورد نیاز، به میزان قابل توجهی، هم در مصرف انرژی و هم در هزینه ها صرفه جویی کرد.

به طور معمول محدوده بار مناسب بار، 75 تا 100 درصد بار نامی است که سازندگان سعی می کنند تا بیشترین مقدار بازده را در این محدوده طراحی کنند. موتور باید طوری انتخاب گردد که نیازهای بار از نظر میزان بار، نحوه تغییرات بار، گشتاور راه اندازی و میزان و تغییرات سرعت تأمین گردد. اگر موتور الکتریکی نسبت به بار بسیار بزرگتر انتخاب گردد، بازده آن کاهش می یابد و میزان تلفات در آنها بیشتر می گردد، ضریب توان آنها با شیب بیشتری نسبت به بازده کاهش می یابد، قیمت خرید افزایش می یابد و هزینه تعمیر و نگهداری آن افزایش می یابد.

استفاده از موتورهای بیش بازده و پر بازده:

امروزه توجه به تجهیزات با بازده انرژی بیشتر و کارآیی بالاتر روز به روز بیشتر می گردد. سازندگان معتبر موتورهای الکتریکی دنیا نیز انواع موتورهای با بازده بیشتر را تحت عنوان موتورهای الکتریکی بیش بازده و پر بازده روانه بازار کرده اند. این موتورها تا %30 تلفات کمتر و تا %10 بازده بیشتری نسبت به موتورهای استاندارد دارند. هدف اصلی در طراحی این موتورهای الکتریکی، مینیمم کردن تلفات بوده است. در آمریکا موتورهای بیش بازده و پر بازده تحت عنوان های EEM و PEM شناخته می شوند. اتحادیه اروپا از سال 1998 موتورهای ولتاژ پایین خود در محدوده 1 تا 90 کیلو وات را در سه کلاس بازده تقسیم بندی کرده است:

موتورهای Eff3

که همان موتورهای معمولی مورد استفاده هستند. این موتورها تحت عنوان موتورهای استاندارد شناخته می شوند.

موتورهای Eff2

موتورهای با بازده بیش از موتورهای استاندارد هستند و تحت عنوان موتورهای بیش بازده شناخته می شوند. تلفات اینموتورها به طور میانگین %20 کمتر از موتورهای استاندارد است.

موتورهای Eff1

موتورهای Eff1 یا همان موتورهای پر بازده که بیشترین بازده را در بین موتورهای ساخته شده دارند. تلفات این موتورها به طور میانگین %40 کمتر از موتورهای استاندارد است. این موتورها به دلیل استفاده از مواد بهتر، نسبت به دیگر انواع موتورها دارای طول عمر بیشتری هستند.

مزایای استفاده از موتورهای الکتریکی بیش بازده و پر بازده، 1 تا 10 درصد بازده بالاتر نسبت به موتور استاندارد، تلفات حرارتی کمتر، ضریب توان بیشتر نسبت به موتور استاندارد، لرزش و صدای کمتر، طول عمر طولانی تر و هزینه تعمیر و نگهداری کمتر می باشند.

نسل جدید موتورهای پر بازده:

ابر ماشین های HTS

امروزه با توسعه و پیشرفت در زمینه ابر رساناها ساخت این مواد با دمای محیطی حدود 35 تا 40 درجه کلوین که هنوز هم دمای پایینی است، امکان پذیر شده است که تحت عنوان مواد ابر رسانای با دمای بالا و یا HTS شناخته می شوند.

این پیشرفت ها امکان ساخت موتورها و ژنراتورهای سنکرون با سیم پیچ های ابر رسانای HTS بجای سیم پیچ های مسی متداول را تحت عنوان کلی ابر ماشین و یا همان ماشین های HTS را فراهم نموده است.

ویژگی بارز سیم های ابر رسانا، مقاومت الکتریکی بسیار پایین آنها در مقابل جریان الکتریکی است که باعث می گردد تلفات اهمی کاهش قابل توجهی یافته و امکان عبور دادن جریان های بالاتر نسبت به سیم های مسی با همان سطح مقطع فراهم آید و بنابراین چگالی توان قابل انتقال از طریق آن سیم افزایش یابد که منجر به کاهش حجم و وزن و افزایش بازده سیستم خواهد شد.

آنچه قابل ذکر است این است که مواد ابر رسانای HTS امروزه در سیم پیچ های میدان DC در ماشین های الکتریکی سنکرون مورد استفاده قرار می گیرند و در سیم پیچهای استاتور مورد استفاده قرار نمی گیرند.

استفاده از مواد HTS در سیم پیچ های استاتور باعث می گردد که دندانه های استاتور به دلیل میدان شدید مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ های HTS به اشباع روند. به دلیل پایین بودن دمای نگهداری سیم پیچ های HTS که نیاز به خنک سازهای قابل نصب در ماشین با استفاده از گازهایی مانند هلیوم و نیتروژن دارند، تجهیزات خنکسازی آنها در روتور نصب می گردند.

هم اکنون استفاده از مواد ابر رسانا در موتورها و ژنراتورهای سنکرون بزرگ (معمولاً بیشتر از 1000 اسب بخار) دارای توجیه اقتصادی و فنی می باشد و در موتورهای کوچکتر ساخته نمی شوند. به طور کلی می توان گفت که موتورها و ژنراتورهای سنکرون HTS، دارای نصف تلفات یک موتور القایی پر بازده با همان توان نامی می باشند.

طول این موتورها، نصف طول موتورهای معمولی و قطر آنها نیز حدود دو سوم یک موتور معمولی می باشد. این ماشین ها معمولاً دارای بازده بالاتر از %5/98 بوده که در محدوده وسیعی از بارها تا بارهای حدود یک سوم بار نامی تقریباً ثابت می ماند.

کاهش سرعت موتورهای الکتریکی

یکی از روش های مهم کاهش مصرف انرژی در سیستم های موتور الکتریکی، کاهش سرعت موتور در بارهایی است که توان آنها با دور کاهش می یابد.

انواع بار از نظر رابطه توان و سرعت:

بار با گشتاور متغیر

بار با گشتاور متغیر که مهمترین آنها عبارتند از: بارهایی که گشتاور آنها با دور بار نسبت مستقیم دارد و بارهای مانند پمپ و فن سانتریفوژ که گشتاور آنها با مربع دور بار نسبت مستقیم دارد. بارهای با گشتاور متغیر بیشترین پتانسیل صرفه جویی را در بین انواع بارها دارند. در میان این نوع از بارها نیز بارهای نوع دوم پتانسیل صرفه جویی بیشتری دارند. به طور نمونه می توان گفت که با کاهش %20 در دور بار، حدود %50 در توان مورد نیاز و انرژی مصرفی صرفه جویی می گردد.

بار با گشتاور ثابت:

بار با گشتاور ثابت مانند نوارهای نقاله و جرثقیلها که با کاهش %20 در دور بار، حدود %20 در مصرف انرژی و توان مورد نیاز بار صرفه جویی می گردد.

 بار با توان ثابت:

بار با توان ثابت مانند ماشین ابزارهای مختلف که با تغییر دور بار تغییری در انرژی مصرفی و توان مورد نیاز بار ایجاد نمی گردد.

روش های مختلف کاهش دور موتور:

 1- کاهش فرکانس تغذیه موتور

 2- افزایش تعداد قطب های موتور

 3- تغییر لغزش موتور که برای این منظور از سه روش زیر استفاده می گردد: تغییر ولتاژ تغذیه موتور، تغییر مقاومت موتور و استفاده از کوپلینگ سری با موتور که در آخری معمولاً از ماشین های DC و یا مدارهای یکسوساز کنترل شونده بجای مقاومت در مدار موتور در موتورهای القایی سیم پیچی شده استفاده می شود.

روش های مختلف کاهش دور بار:

1- استفاده از دستگاههای کنترل دور موتور (ASD) که مزایای آن کاهش مصرف انرژی، افزایش طول عمر سیستم موتور الکتریکی، افزایش دقت و سرعت در کنترل بار با کنترل دقیق دور، قابلیت اطمینان بالاتر، تطبیق موتور و بار، کاهش نویز سیستم، راه انداز نرم موتورهای الکتریکی، کاهش هزینه نگهداری و تعمیرات شیرها و دمپرها و کاهش اصطکاک سیال می باشند. ملاحظات استفاده از ASD افزایش قیمت سیستم موتور الکتریکی، نیاز به بارهای متغیر جهت کاهش مصرف انرژی و اثرات احتمالی هارمونیکی روی شبکه می باشند.

 2- استفاده از موتورهای چند سرعت (MSM)

 3- تغییر مشخصات سیستم انتقال نیرو مانند تغییر قطر پولی تسمه ها و تغییر نسبت جعبه دنده ها

بکارگیری ESD در بارهای با سرعت ثابت:

به تازگی دستگاه هایی به منظور کاهش تلفات، افزایش بازده و صرفه جویی در مصرف انرژی موتورهای الکتریکی روانه بازار شده اند؛ این دستگاهها که تحت عنوان کلی دستگاههای صرفه جویی انرژی (Energy Saving Device: ESD) شناخته می شوند برخلاف دستگاه های کنترل دور، بدون تغییر سرعت موتور، عمل کاهش تلفات موتور را انجام می دهند. در این دستگاه ها، به طور معمول عملکردهای دیگری مانند راه انداز نرم (soft start) نیز اضافه می گردد که در برخی موارد آنها به غلط، فقط راه انداز نرم خوانده می شوند. آنچه در مورد این دستگاها دارای اهمیت است، میزان صرفه جویی و مدت زمان بازگشت سرمایه آنها است.

در اواسط دهه هفتاد میلادی فرانک نولا روشی را برای افزایش ضریب توان موتورهای القایی تکفاز ارایه نمود؛ بدین صورت که با کاهش ولتاژ تغذیه آنها در بارهای کم، ضریب توان آنها را افزایش می دهد.

همانگونه که می دانیم در بارهای کم، تلفات غالب در موتورهای القایی تلفات هسته است که با کاهش ولتاژ کاهش می یابد. بنابراین تلفات کلی موتور در بارهای کم، کاهش و بازده موتور نیز افزایش می یابد.

این روش را بعدها توسعه و در موتورهای القایی سه فاز نیز مورد استفاده قرار دادند. این روش مبنایی برای ساخت دستگاه های ESD گردید که در صرفه جویی انرژی در موتورهای القایی تکفاز و سه فاز کاربرد دارند.

امروزه سازندگان عملکردهای دیگری مانند راه انداز نرم را نیز به این دستگاهها اضافه نموده اند تا بجای راه اندازهای مرسوم، به ویژه ستاره- مثلث نیز می توان از آنها استفاده نمود. افزایش بازده موتورهای الکتریکی که بازده پایینی دارند (موتورهای کوچک)، به مراتب مفیدتر از همان افزایش بازده در موتورهای الکتریکی مشابه است که در نقطه کار با بازده بالاتری (موتورهای بزرگ) قرار دارند.

دستگاه های ESD به طور نمونه می توانند حدود نیمی از تلفات هسته را کاهش دهند. بیشترین پتانسیل صرفه جویی برای استفاده از دستگاه های ESD را موتورهای تکفاز با اندازه کوچک دارند؛ البته در صورتیکه درصد بالایی از زمان کار آنها در حالت بی باری و یا کم باری باشد.

مدیریت زمان کار موتور:

مدیریت زمان کار موتورهای الکتریکی مانند خاموش کردن موتورها و یا جابجایی کار آنها از ساعت های اوج بار به ساعت های کم بار و عادی، یکی از روش های بدون هزینه و کم هزینه در صرفه جویی و کاهش هزینه انرژی الکتریکی است. در بسیاری از موارد، در شروع روز کاری، موتورها روشن می شوند، لیکن به طور پیوسته به کار نمی آیند. افت و اتلاف انرژی در حین مدت روشن بودن هرز، می تواند مقدار قابل توجهی باشد. همچنین در موارد بسیاری می توان کار موتور را از ساعت های اوج بار جابجا کرد و از مزایای انرژی الکتریکی ارزانتر استفاده کرد.

استفاده از اتصال همیشه ستاره در حالت کم بار تغذیه موتور:

استفاده از اتصال ستاره در حالت کم بار برای تغذیه همیشگی آنها، در موتورهایی که از راه انداز ستاره- مثلث برای راه اندازی استفاده می گردد، یکی از روش های بدون هزینه در صرفه جویی مصرف انرژی موتورهای الکتریکی است. با دقت نمودن اتصال همیشه ستاره پس از اطمینان از دارا بودن شرایط انجام می گیرد. در کاربردهایی که موتور به طور دایم زیر بار کمتر از %58 بار نامی کار می کند (به دلیل اینکه جریان سیم پیچ ها در حالت ستاره رادیکال سه برابر (%58) کمتر از حالت مثلث است)، اتصال همیشه موتور به صورت ستاره منجر به صرفه جویی در مصرف انرژی الکتریکی خواهد شد. ولی در دیگر مورد نه فقط موجب کاهش تلفات نمی گردد، بلکه ممکن است موجب افزایش تلفات و حتی آسیب رساندن به موتور گردد.

استفاده از تجهیزات انتقال نیروی مکانیکی با بازده بیشتر در موتور:

تجهیزات نیروی انتقال مکانیکی برای انتقال نیروی مکانیکی خروجی موتور به بار موتور مورد استفاده قرار می گیرند. توجه به این تجهیزات از نظر نوع، نحوه نصب و بازده می تواند از دیدگاه مصرف انرژی الکتریکی قابل تأمل باشد. با توجه به نوع کاربر و شرایط بار، تجهیزات مختلفی مانند تسمه، زنجیر، چرخ دنده به کار گرفته می شود. استفاده از برخی انواع این تجهیزات که دارای بازده بیشتر می باشند، باع کاهش تلفات و صرفه جویی در مصرف انرژی خواهد شد.

نگهداری و تعمیر مناسب سیستم های موتور:

نگهداری و تعمیر مناسب موتورهای الکتریکی همواره به عنوان یکی از روش های جلوگیری از افزایش مصرف انرژی در تمامی سیستم ها و به ویژه در سیستم های موتور الکتریکی در نظر گرفته می شود. عدم نگهداری مناسب علاوه بر اتلاف انرژی باعث کاهش طول عمر مفید موتور نیز خواهد شد. بنابراین، بایستی با تعمیر و نگهداری مناسب (برنامه نت) شرایط کار موتورهای الکتریکی را به گونه ای فراهم نمود تا میزان اتلاف انرژی به کمترین مقدار خود برسد.

مواردی که در نگهداری موتورهای الکتریکی باید مورد توجه قرار گیرند، عبارتند از:

·       کنترل دما و خنک سازی موتورهای الکتریکی

·       روغن کاری و گریس کاری موتورهای الکتریکی

·       جلوگیری از خاموش- روشن کردن های اضافی

·       نصب مناسب بلبرینگ و فن و کوپلینگ ها

·       نصب مناسب موتور و جلوگیری از لرزش نامناسب آن

·       انجام بازدیدهای دوره ای و تعمیر/جایگزینی موتورهای الکتریکی