پيك سايي و كاهش مصرف انرژي الكتريكي با استفاده روتورها
پيك سايي و كاهش مصرف انرژي الكتريكي با استفادهروتورها
الكتروموتورها از جمله مهمترين مصرف كنندگان انرژي الكتريكيدر بخشهايصنعتي، كشاورزي، خانگي، تجاري و عمومي بوده و بطور متوسط در حدود 40 تا 50 درصد از برق توليدي كشور را مصرف ميكنند. در ميان اين تجهيزاتموتورهاي كوچك ومتوسط (0/25 تا 150 اسب بخار) عمدتاپ ازنوع القايي با روتورقفس سنجبي بوده و اينبخش از الكتروموتورها در حدود 60 تا 70 در صد از گلمصرف برق الكتروموتورها را بهخوداختصاص ميدهند. باز دهي عملي اين الكتروموتورهاي كوچك ومتوسط در شرايطبهره برداري سالانه در حدود 50 تا 90 درصد استو به طور ميانگين در حدود 25 تا 35در صد از انرژي الكتريكي مصرفي در آنها تلفميشود كه با توجه به اين امر، پتانسيلفراواني براي كاهش تلفات اينالكتروموتورها در كشور پيش بيني ميشود. در ايننوشتار يكي از فن آوريهاي جديدو متناسب با شرايط كشور براي كاهش تلفات اين دستهاز تجهيزات الكتريكي بيانشده و مزاياي آن با توجه به امكانات و پتانسيلهاي بالقوهموجود، ارزيابيميشود .
الكترو موترها گروهي از تجهيزاتالكتريكي هستند كه بر اساسروابط بينجريانهاي الكتريكي و ميدانهاي مغناطيسي،باعث تبديلانرژي الكتريكيبه انرژيمكانيكي ميشوند. در حين اين عمل (تبديلانرژي الكتريكي بهمكانيكي) مقداري ازانرژي تلف ميشود. با توجه به اين امر كيفيتساخت اينتجهيزات براي دسترسي بهحداكثر بازدهي اقتصادي از اهميت فراواني برخورداربوده و در نتيجه سازندگان اينتجهيزات ميتوانند نقش بسيار مهمي دركاهشمصرف و تلفات انرژي الكتريكيداشته باشند. مهمترين عوامل ايجاد تلفاتدرموتورهاي الكتريكي عبارتند از :
ة عبور جريان الكتريكي در سيمپيچهاياستاتور و روتور و مقاومت الكتريكي اينهاديها
ة مغناطيس شدنمتوالي هسته موتور ونيزجريانهاي گردابي ايجادي درآن
ة تلفات ناشي ازاصطكاكهاي مكانيكي
ة اثرات پارازيتي (تلفات اضافي )
باتوجه به اينكه هرساله مقادير فراوانياز انرژي الكتريكي به دليل عدم بازدهيمناسبالكتروموتورها به صورت تلفات بههدر ميرود بنابراين در بسياري ازكشورهاكوششهاي فراواني در جهت بهبود بازدهي وعملكرد اين تجهيزات بعمل آمدهوسعي شدهاست تا در نظر گرفتن امكانات بالــــقوه و
فن آوريهاي موجودونيز قيمت مواد اوليه وهزينههاي تحميلي، مناسبترين گزينههابراي بهبودكارايي موتورها بكار گرفته شود.اين روند بخصوص هنگامي مشخصترميشود كهبدانيم امروزه در بسياري ازكشورهاي پيشرفته يا درحال توسعه،رعايتاستانداردهاي حداقل مقادير مجاز بازدهيالكتروموتورها به صورت اجباري درآمده استو محدودههايي كه اين استانداردها پيشنهادكردهاند بگونهاي است كهدر بسياري ازحالات تنها با صرف هزينههاي بالا و استفادهاز فن آوريهاي جديد،دسترسي به آنها ميسراست .
دركشور ما نيز با وجود اين كه بازدهياكثرالكتروموتورهاي مورد استفاده (ساخت داخليا وارداتي) حتي از مقاديراستاندارد ازايه شدهدر دهه 70 ميلادي نيز پايينتر است، اما تاكنون اقداماتحدي در زمينه بهبود كارايياين تجهيزات بعمل نيامده است. (شكل(2)روندافزايش بازدهي الكتروموتورهاي باقدرت 20 اسب بخار (15 كيلووات) را از دهه70ميلادي تاكنون نشان ميدهد. همان گونهكه در اين شكل ديده ميشود در اواسطدهه70 ميلادي، بازده چنين اكتروموتورهايي درحدود 87تا 88 در صد بوده است كهمتاسفانهدر حال حاضر اين مقدار براي موتورهاي مورداستفاده در كشور به حدود 85 تا86 در صدمحدود ميشود اين در حالي است كهالكتروموتورهاي هم قدرتاستاندارد امروزيدر دنيا باز در حدود 89 تا90 درصدبازدهيدارند سه تاپنج در صدبازدهي بيشتر نسبتبه موتورهاي مورداستفاده در كشور)
در اينجا لازم استتا براي پي بردن بهاهميت واقعي بهبود بازدهي الكتروموتورهاتوجه بيشتري بهاين اطلاعات معطوف شودبه عنوان مثال كافي است پتانسيل كاهشاوج بار شبكهسراسري را در نظر داشته باشيم.همان گونه كه بيان شد بازدهيمتوسطالكتروموتورهاي مورد استفاده در كشور درحدود سه تا پنج در صد ازالكتروموتورهاياستاندارد امروزي در دنيا كمتر است. بادانستن اوج بار شبكهسراسري در سال جارييا سال آينده 27 هزارمگاوات است ودر حدود30 تا 35 درصد ازاين اوج بار، براي به حركتدر آوردن الكتروموتورهاي القايي (و يادستگاههاييكه از اين تجهيزات استفادهميكنند) استفاده خواهد شد، افزايشبازدهيالكتروموتورهاي كشور تاحد استانداردميتواند نياز اوج بار شبكه را درحدود 400 تا500 مگاوات (معادل با توان توليدي 20315عدد توربين گازي GE فريم 5) كاهش دهد.با توجه به اين شرايط، امروزه در كشورهايپيشرفته، سعي ميشودتا حدود مجاز بازدهيالكتروموتورها حتي از مقادير استاندارد نيزفراتر رفته و دربرخي كشورها نظير آمريكا،كانادا، استرالياو... رعايت اين حدودبرايالكتروموتورهاي مورد استفاده در آن كشورهااجباري شده است، اگر چهسازندگانالكتروموتورهاي موجود در آنجا ميتوانندموتورهاي با بازدهي كمتر راصرفٹبرايصادرات نيز توليد كنند. لازم به ذكر است كههرچند به نظر ميرسد كهبهبود بيشتر دربازدهي الكتروموتورها با توجه به پيشرفتهايروز افزون در زمينهمواد و طراحي اينتجهيزات ميتواند ادامه يابد، اما اين حالتهادر در اكثر مواردتنها از طريق مواد وفنآوريهاي بسيار گران (نظير استفاده ازورقهاي الكتريكيآمورف يا ابر رساناها)ممكن ميشود كه بسيار هزينه بر بوده و درحال حاضرچندان استقبالي از آنها بعملنميآيد .
روشهاي بهبود بازدهيالكتروموتورها
شكل (3) نمايي از اجزاي مختلف يكالكتروموتور القايي رانشان ميدهد. اينالكتروموتور از دو قسمت اصلي استاتور(قسمت ساكن) و روتور (قسمت متحرك)تشكيل شده است كه هر يك از آنها شامليك جزء الكتريكي (هاديها) و يك جزءمغناطيسي (هستهها) است با در نظر گرفتناين ساختار و دانستنسهم هريك ازموءلفههاي تلفات انرژي در اين تجهيزاتبهبود بازدهيالكتروموتورها از چند طريقامكانپذير خواهد بود ولي در هر حالمهمترين اقداماتبراي بهبود باز دهيالكتروموتورها را ميتوان در كاهش تلفاتهسته يا تلفاتهاديهايانها خلاصه كرد.
متاسفانه بسياري از فن آوريهاي شناختهشده برايبهبود بازدهي انرژي درالكتروموتورها باعث افزايش ابعاد آنها خواهدشد و اينافزايش ابعادي بيشتر شامل ازديادطول آنهاست به عنوان مثال يكيازروشهايشناخته شده براي كاهش تلفات هسته درموتورهاي الكتريكي، افزايشطول هستهآنهاست كه اين حالت ار يك طرف مستلزمتغييرات فراوان در خط توليداين نوع موتورهابوده و باعث ناهمخواني وعدم انصباق موتورساخته شده با سايرتجهيزات متصل به آنميشود و از طرف ديگر با توجه به مصرفبيشتر مواد اوليه (هسته و هادي)، قيمتموتورها افزايش زيادي خواهد يافت. افزايشسطح مقطعهسته موتورها نيز كم و بيشمشكلاتي مشابه با موارد فوق داشته و برايبسيارياز توليد كنندگان داخلي، چندانجاذبهاي ندارد. در مورد افزايش سطحمقطعهاديهاي الكتروموتورها نيز اين حالتمستلزم تغييرات وسيع در قالبهايساختهسته و در نتيجه تغيير طراحيالكتوموتورست كه به نوبه خودهزينههايتوليد را به طور چشمگيري افزايش با توجه بهاين موارد و در نظرداشتن مشكلات ناشي ازتغيير طراحي و يا تغيير ابعاد الكتروموتورها،مناسبترين،گزينهها براي بهبود بازدهيالكتروموتورهاي داخلي، تغيير مواد مورداستفاده درساخت آنهاست .
مهمترين مواد مورد استفاده در ساختهسته الكتروموتورها راورقهاي فولادالكتريكي كم كربن (Motor Lamination)ويا فولادهاي سيليكوني بادانههاي غير جهتدار(Non- Oriented Silicon)تشكيلميدهند. اينگونه ورقها كه باضخامتهايمتفاوت/8./3-.ميلي متر) وبا مقادير مختلفعناصر آلياژي (منگنز،آلومينيوم و سيليسيم)توليد ميشوند داراي خواص مغناطيسيمتفاوت و نيزقيمتهاي بسيار گستردههستند. مهمترين خواص مغناطيسي موردنظر در حين انتخاباينگونه ورقهابرايساخت هسته الكتروموتورها شامل نفوذپذيري مغناطيسي، تلفاتتوان و القاي اشباعدر آنهاست كه با تغيير ميزان عناصر الياژي ويا ضخامتورقها، اين خواص را ميتوانبدست آورد. براي كاهش تلفات توان و انرژيدرهستهاستاتور الكتروموتورهاي القايي،ميتوان با استفاده از ورقهاي فولادالكتريكيبا مقادير بالاتر سيليسيم و يا انتخاب ورقهايبا ضخامت كمتر، بازدهيآنهارا تا مناسبيافزايش داد اما اين حالت ميتواند از يكطرف ساير خواص هستهرا تحت تاثير قراردهد و از طرف ديگر افزايش قيمت وهزينههاي توليد را در پيخواهد داشت چراكه با انتخاب ورقهاي نازكتر و با مقادير بيشترعناصر آلياژي،اولاپ هزينه خريد اين ورقهابيشتر شده و در ثاني عوامل مربوط به برش وپانچ وهسته چيني نيز هزينههاي توليد را بهمراتب بالاتر خواهد برد. در هر حال اينتغييرمواد هسته براي كاهش تلفات الكتروموتورهاميتواند بدون تغيير فروان درطراحي اينتجهيزات به عنوان يك روش مناسب، مطرحباشد هرچند كه درحال حاضربا توجه به عدمتوانايي ساخت داخل ورقهاي فولاد سيليسيمدار در كشور،هزينههاي ارزي تهيه مواد اوليهو ساخت چنين الكتروموتورهايي تا حديبالاخواهد بود.
روش مناسب ديگر براي كاهش تلفاتالكتروموتورها بدون نيازبه تغيير طراحي وياابعاد آنها، استفاده از هاديهاي مسي به جايآلومينيوم درآنها ست.باتوجه به آنكه هدايتالكتريكي مس تقربياپ 60 درصد بيشتر ازهدايتالكتريكي آلومينيوم است، در بيشترحالتها براي ساخت هاديهاياستاتورالكتروموتورها از مسن استفاده ميشود. درساخت هاديهايروتورالكتروموتورها نيز اگرچه براي الكتروموتورهاي بزرگ (باتوانبيشتر از 250كيلو وات) معمولاپاز مسنالكتريكي كار شده و شكل داده شده استفادهميشود،اما روش ساخت روتور چنينالكتروموتورهايي ريخته گري نبوده و بنابراينبسيارزمان گران و هزينهبر هستند هرچند كهبا توجه به تعداد نسبتاپ كم ساختچنينالكتروموتورهايي، استفاده از چينن روشيچندان نامطلوب در نظر گرفته نميشود.درمورد الكتروموتورهاي القايي كوچك و متوسطكه سالانه تعداد بسيار زيادياز آنها توليدميشود، تنها روش اقتصادي براي ساختروتور آنها، ريخته گريدايكاست (تحتفشار) فلز هادي اطراف هسته و ايجاد يكساختار يكپارچه از روتوراست. شكل (4)نمونهاي از روتورهاي توليدي به اين روش رانشان ميدهد كههاديهاي قفس سنجابياين روتور نيز پس از جداسازي قسمتهايآهني (از طريق حلسازي در اسيد) بخوبينمايان است .
اگر چه از زمانهاي گذشته نيز مشخصبودهاست كه بكار بردن هاديهاي مسي درساخت روتور الكتروموتورهاي القاييقفسسنجابي ميتواند باعث بهبود بازدهي آنهاشود اما به دليل مشكلات موجود برسر راهريخته گري دايكاست مس و سهولت بيشتراين فرايند براي هاديهايآلومينومي، با درنظر گرفتن مسائل اقتصادي، ريخته گريدايكاست آلومينيوم بهعنوان روش مناسبتربراي ساخت اين روتورها مورد استفادهقرارمي گيرد. اينحالت باعث شد كه تاچندين سال گذشته تقريباپ روتور تماميالكتروموتورهايالقايي قفس سنجابيكوچك و متوسط از طريق ريخته گريدايكاست آلومينيوم توليدشود و متاسفانهاستفاده از هاديهاي مسي تنها در اجزامياستاتور چنينالكتروموتورهايي خلاصه شودو با اين حال از حدود دهه 70 ميلادي باافزايشقسمت انرژي الكتريكي تلاشهاييشد تا ساخت روتورهاي مسي دايكاست شدهبهصورت اقتصاديتر صورت گرفته و عواملكنترل كننده اين فرايند، بيشتر شناساييشود.اين روند به خصوص از اواخر دهه 90ميلادي،گسترش فراواني يافت و باانجام مطالعات وتحقيقات كاربردي، مهمترين روشهاوفنآوريهاي مناسب واقتصاديبراي ساختچنين روتورهايي، شناسايي شد به گونهاي كهامروزه توليد انبوهچنين الكتروموتورهايي درتعدادي از كارخانههاي بزرگ سازندهالكتروموتورها آغازشده واستقبال بسيارزيادي از اين محصولات بعمل آمده است .
نكته بسيارمهم در مورد چنينالكتروموتورهايي آن است كه بدون هيچ گونهتغيير طراحي ويا تغيير ابعادي الكتروموتور،تلفات آنها تا حدود زيادي كاهش مييابد واينحالت مخصوصاپ براي سازندگاني نظيرتوليد كنندگان ايراني، بسيار مناسبخواهدبود، بخصوص آن كه توجه داشته باشيم كه درزمينه مواد اوليه مورد نياز،ايران در حال حاضرپنجمين كشور توليد كننده مسن محسوبميشود (رتبه دوم بهلحاظ دارا بودن معادنمسن دنيا) در حالي كه جايگاه مناسبي درزمينه توليدآلومينيوم نداشته و لذا اينجايگزيني، هزينه ارزي اضافي را تحميلنخواهد كرد،ضمن آنكه ميتواند نياز بهواردات آلومينيوم را نيز كاهش دهد. بنابراينبهنظر ميرسد كه با توجهبه شرايط كنونيكشور، فنآوري مناسبترين گزينهاياستكه بدون افزايش هزينههاي ارزي و يا بدوننياز به ن آوريهاي گرانقيمت (نظير استفادهاز ابر رساناها و يا ورقهاي الكتريكي آمورفيا پرسيليسم) ميتواند باعث كاهش قابلملاحظه در تلفات برق و انرژيالكتروموتورهاي داخليشود .
مزاياي روتورهاي مسي دايكاست شده
مهمترين مزيت استفاداهاز روتورهاي مسيدايكاست شده در الكتروموتورهاي القايي،كاهش فراواني درتلفات توان (انرژي) و بهبودبازدهي اين نوع الكتروموتورهاست.جدول (1)
خلاصهاي از نتايج حاصل شده از مقايسهبازدهي و تلفات الكتروموتورهايالقاييقفس سنجابي با روتورهاي مسي و ياآلومينيومي دايكاست شده را نشاهميدهد .
جدول
همانگونه كه از جدول (1) مشاهدهميشوداستفاده از روتوراي مسي دايكاستشده به جاي آلومينيوم درالكتروموتورهاياستاندارد (ستونهاي 3و4)، باعث افزايشبازدهي آنها در حدودچهارتاهفت در صد و نيزكاهش تلفات اين نوع الكتروموتورها در حدود30 تا 35 درصد، ميشود. در صورتي كه اينحالت در كشور محقق شود، با در نظر داشتنمصرفبرق كشور در سال آينده در حدود120ميليارد كيلو وات ساعت و لحاظ كردن 30تا 35در صد از اين مصرف برق درالكتروموتورهاي القايي كوچك و متوسط، درصورتي كهبازدهي آنها در حدود 5 تا 6 در صدافزايش يابد، پتانسيل موجود براي صرفهجوييسالانه انرژي الكتريكي مصرفي درحدود 2/5تا سه ميليارد كيلووات ساعت (بهارزش تقريبي 60 تا 70 ميليارد تومان) خواهدبود. همچنين با توجه به اوجبار شبكهسراسري (در حدود 27000 مگاوات) و مصرفبرق اين الكتروموتورها (در حدود 30تا 35درصد) از اين اوج بار، پتانسيل پيك ساييشبكه با استفاده از اين فنآوري در حدود500خواهد بود. علاوه بر اين، بررسيهايمختلف نشان داده است كهبه دليل كاهشتلفات و گرماي ايجاد شده درالكتروموتورهاي القايي با روتورهايمسيدايكاست شده، عمر آنها حداقل 50 در صدبيشتر از موتورهاي با روتورهايآلومينيومياست ضمن آنكه به دليل خواص استحكاميبيشتر مس نسبت بهآلومينيوم، تواناييتحمل نيروهاي مكانيكي (بخصوصخستگي) در اينگونه روتورهابيشتر ازروتورهاي آلومينيومي بوده و به اين دليل نيز،عمور الكتروموترهايالقايي با روتورهايمسي دايكاست شده بيشتر خواهد بود .
نتيجهگيري
بهبود بازدهي موتورهاي الكتريكيالقايي، از جمله مهمترين روشهابرايكمكردن تلفات انرژي الكتريكي و نيز كاهشاوج بار شبكه سراسري محسوبميشود. ايننوع الكتروموتورها در محدوده قدرت كوچك ومتوسط (0/25-150اسب بخار) هر سال بيشاز 30 در صد مصرف برق كشور رابهخوداختصاص ميدهند و با توجه بهبازدهيپايين آنها، استفاده از روشهاي مناسبواقتصادي براي بهبود بازدهيآنها، ارزشفراواني خواهد داشت. با توجه به شرايطكنوني توليد كنندگان اينتجهيزات در داخلكشور ومحدوديتهاي موجود در رابطه باتغيير طراحي وابعاد اينالكتروموتورها در كنارساير مسائل مربوط به هزينههاي ارزي، يكياز مناسبترينروشها براي افزايش كارايياين الكتروموتورها، استفاده از روتورهايمسيدايكاست شده به جاي روتورهايآلومينيومي است كه اين فن آوري قادرميشوندتلفات برق را در اين تجهيزات درحدود 30 در صد كاهش دهد. پتانسيل پيكساييشبكه سراسري از طريق اين فن آوريبيش از 500 مگاوات و مقدار صرفهجوييانرژي الكتريكي در كشور از اين طريقسالانه 2/5 تا سه ميليارد كيلوواتساعت( باارزش تقريبي 60-70ميليارد تومان) تخمينزده ميشود به علاوه اينحالت منجر بهافزايش عمر، كاهش نياز به خنك كنندگي،نگهداري و تعمير آسانتر ونيز عملكردمكانيكي بهتر اين تجهيزات خواهد شد اينامر با نظر داشتن اينكهايران يكي ازبزرگترين دارندگان و توليد كنندگان مس دردنيا ست لزوم توجهبيشتر به اين فن آوري رابيش از پيش نمايان ميكند و چه بسا ممكناست ازاين طريق امكان صادرات اينالكتروموتورهاي پربازده با قيمتهاي قابلبهبازارهاي جهاني نيز فراهم شود./م
