پیك سایی و كاهش مصرف انرژی الكتریكی با استفاده روتورها

الكتروموتورها از جمله مهمترین مصرف كنندگان انرژی الكتریكی در بخش های صنعتی , كشاورزی , خانگی , تجاری و عمومی بوده و بطور متوسط در حدود ۴۰ تا ۵۰ درصد از برق تولیدی كشور را مصرف می كنند

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.

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

---