بخشی از مقاله
بررسی میدانی تأثیر عدم انطباق موتور با بار در مصرف انرژی
خلاصه
عدم انطباق بار موتور با توان نامی آن، باعث کاهش بازدهی موتور و ضریب توان آن میگردد. با توجه به این که %40 از انرژی الکتریکی تولیدی در کشور، صرف چرخاندن موتورها میشود و اغلب آنها موتورهای القایی سهفاز میباشند، لذا تخمینی از میزان اتلاف انرژی از طریق عدم انطباق موتور با بار مکانیکی آن، ضروری مینماید. در این مقاله، یک بررسی میدانی برای به دست آوردن تخمینی از میزان عدم انطباق موتور با بار مکانیکی آن، انجام شده است. از آنجا که صنعت مواد کانی غیر فلزی، دومین مصرفکننده برق صنعتی کشور است، دو کارخانه سیمان و گچ به عنوان نمونه ای از این صنعت، مورد مطالعه قرار گرفتهاند.
واژههای کلیدی: انطباق بین موتور و بار، موتور القایی سهفاز، توان نامی، بازدهی
مقدمه
امروزه انرژی الکتریکی به یکی از مهمترین منابع انرژی مورد استفاده تبدیل شده است. موتورهای الکتریکی که قلب صنایع را تشکیل می دهند یکی از عمدهترین مصرفکنندههای انرژی الکتریکی هستند. در ایران حداقل %40
از کل انرژی الکتریکی تولیدی، توسط موتورهای الکتریکی مصرف میشود [1]. بنابراین جایگاه شاخص موتورهای الکتریکی در بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکیکاملاً محسوس است.
در صنعت، توان نامی موتورهای الکتریکی بزرگتر از توان مکانیکی باری است که می چرخانند. دلایلی چند برای این امر متصورند؛ موتورهای الکتریکی به طور استاندارد در توان های خاصی ساخته شده و در بازار موجودند. اگر باری 115 kw باشد، در شرایط انتخاب طبیعی، ناگزیر یک موتور 132 kw انتخاب میشود.
طراحان برای اطمینان، موقع انتخاب موتور ضریب اطمینانی در نظر گرفته و در نتیجه موتور بزرگتری انتخاب میکنند. مسایلی مانند دمای محیط کار موتور، درصد رطوبت محیط، میزان آلودگی محیط و ... نیز در انتخاب موتور تأثیر دارند. طراحان افت ولتاژ شبکه و مسائلی از این قبیل را در نظر می گیرند و همه این مسائل در کل منجر به انتخاب موتوری بزرگتر می گردد.
در این مقاله سعی شده است تا اهمیت مسأله عدم انطباق بین توان نامی موتور با بار مکانیکی آن، در اتلاف انرژی الکتریکی هرچه بیشتر روشن شده و بر ضرورت حل این مشکل اساسی تأکید شود. لذا برای نشان دادن مطلب، جدای بحث تئوریک آن، دو نمونه از کارخانههای کشور ـ کارخانه سیمان شمال و کارخانه گچ خراسان ـ مورد مطالعه قرار گرفته و با اندازه گیری عملی، صدق این مطلب ثابت شده است.
بعد از اینکه اهمیت مسأله معلوم شد، این پرسش پیش میآید که راهکار حل این مشکل چیست؟ بحث پایانی مقاله به این امر اختصاص یافته و در حد حوصله این گفتار به طور مختصر، در خصوص راهکارهای حل مشکل عدم انطباق بار موتورها بحث شده است.
اثرات عدم انطباق توان نامی موتور با بار مکانیکی آن
تأثیر عدم انطباق توان نامی موتور با بار مکانیکی آن در افزایش هزینه های اقتصادی بر دو گونه است: افزایش هزینههای مستقیم (بهرهبرداری) و افزایش هزینه های غیر مستقیم (طراحی). کاهش بازدهی موتور، کاهش ضریب توان و مسائل مرتبط در حین کار موتور، و بزرگ انتخاب شدن ترانسفورماتورها، کلیدها، لوازم حفاظتی، کابلها و ... در هنگام طراحی، مصداق اتلاف هزینههای مستقیم و غیر مستقیم هستند.2] و [3
میزان مصرف انرژی در یک موتور الکتریکی وابسته به مقدار توان خروجی و بازدهی آن میباشد. بازدهی موتور نیز خود تابع عوامل چندی است که از آن جمله میتوان به نوع موتور و تکنولوژی به کار رفته، شرایط محیط، عمر موتور، میزان بار متصلشده به آن و ... اشاره کرد. در این گفتار تأثیر عامل اخیر، یعنی میزان بار مکانیکی متصلشده به موتور بر بازدهی آن مورد بررسی قرار گرفته است.
موتورهای الکتریکی طوری طراحی میشوند که بهترین عملکرد را در شرایط نامی داشته باشند.[4] منظور از عملکرد، فاکتورهایی مانند بازده، ضریب توان، گرمای تولیدشده توسط موتور و ...، و مراد از شرایط نامی بار موتور، جریان، ولتاژ و سرعت آن است. در حالت کلی هرچه بار متصلشده به یک موتور، به توان نامی آن نزدیکتر باشد، بازده موتور بالاتر است. در واقع، کلی بازدهی یک موتور القایی برحسب بار خروجی آن مشابه
شکل شماره (1) است. یعنی هر چقدر توان مکانیکی گرفته شده از موتور از بار نامی آن فاصله بگیرد و کمتر شود، بازدهی کاهش پیدا میکند و میزان کاهش بازدهی، با کاهش توان خروجی افزایش مییابد.[5]
برای موتورهای بزرگ
بازده
برای موتورهای کوچک
شکل 1ـ نمودار بازدهی موتور بر حسب توان خروجی
از طرف دیگر ضریب توان موتور نیز از کم بودن توان خروجی موتور تأثیر می پذیرد و کاهش مییابد تا جایی که موتور در بیباری (توان خروجیتقریباً نزدیک به صفر) جریان کمی به نام جریان بی باری یا جریان مغناطیسی میکشد که با ولتاژ اعمال شده به موتور اختلاف فاز زیادی داشته و ضریب توان را به حدود %10 میرساند. در حالی که ضریب توان یک موتور معمولی در بار کامل چیزی حدود %85 میباشد.[5] می توان تأثیر میزان توان خروجی یک موتور القایی بر ضریب توان آن را به طور کلی در شکل شماره (2) مشاهده کرد.
شکل 2ـ نمودار ضریب توان برحسب درصد بار
حال اگر موتورهایی که در یک واحد صنعتی مشغول به کار هستند با بارشان انطباق نداشته باشند، چون ضریب توان هر موتور کم شده است، ضریب توان کل واحد صنعتی کاهش مییابد و برای جبران آن نیازمند به تزریق خازن بیشتری هستیم (بیشتر از مقداری که در طراحی اولیه در نظر گرفته شده بود) و این به معنی بالا رفتن هزینه بهره برداری است.
کاهش ضریب توان در یک واحد صنعتی اثر نامطلوب بر روی مصرف انرژی آن دارد، زیرا یک بار ثابت، با توجه به رابطه P V I cosϕ، در ضریب توان کمتر جریان بیشتری از شبکه می کشد. از آنجا که تلفات در سیمهای رابط با مجذور جریان متناسب است، کاهش ضریب توان به منزله افزایش تلفات خطوط انتقال میباشد.
در طراحی شبکه توان ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات را با توجه به توان نامی بار انتخاب میکنند. حال اگر توان موتورهای مجموعه بزرگتر از توان بار واقعی باشد، علاوه بر پرداخت هزینه دستگاههای بزرگتر ، ترانسفورماتورها نیز در بارگذاری کمی خواهند بود. از آنجا که بهترین بازدهی ترانسفورماتورحدوداً در %80 بار نامـی به بـالا است، ممکـن است که ایـن امر بر بازدهـی ترانسـفورماتورهـا نیز تأثیر بگذارد. از آنجا که کل توان کارخانه از ترانسفورماتورها عبور میکند، کاهش اندک در بازدهی ترانسفورماتورها، سبب تلفات زیاد در انرژی و به تبع آن در هزینه پرداختی می شود.3] و [5
با توجه به مقدمه ذکرشده، اهمیت انتخاب صحیح الکتروموتور برای یک بار خاص روشن میشود. یعنی جهت چرخاندن باری مثل فن، پمپ، کمپرسور و ... باید حداکثر دقت به کار برده شود تا موتور، در اندازه لازم و بهینه انتخاب شود. امری کهمعمولاً در انتخاب موتورها بدان کمتر توجه میشود و به علت محافظهکاری خیلی زیاد موتورهااساساً بیش از اندازه لازم، بزرگ انتخاب میشوند. در حالی که این بزرگ بودن توان نامی موتور نسبت به بار مکانیکی متصلشده به آن، علاوه بر صرف هزینه اولیه بیشتر، به صرف هزینههای جاری بالاتر در اثر پایین آمدن بازده موتور و زیادشدن تلفات انرژی آن میانجامد. در ادامه این مقاله ضمن نشان دادن میزان عدم انطباق بار در موتورها، در یکی از صنایع پرمصرف، یعنی صنعت سیمان و گچ، مقدار تلفات انرژی ناشی از آن و نیز راهکارهای حل این معضل بررسی میشود.
نتایج حاصل از اندازهگیری توان ورودی
صنعت تولید سیمان، گچ و آهک در ایران با مصرف سالیانه 2,298,348 هزار کیلووات ساعت برق پس از صنعت تولید فلزات اساسی در جایگاه دوم از لحاظ مصرف برق قرار دارد کلاًو %12/6 از برق صنایع ایران را مصرف می کند.[6] بنابراین یکی از مصرفکنندههای عمده انرژی در کشور محسوب میشود. به همین دلیل اندازهگیریها و تحلیلهای این مقاله بر روی این صنعت تمرکز یافته است، در عین اینکه اکثر نتایج و تحلیلها برای صنایع دیگر نیز قابل تعمیم می باشد.
در قدم اول، برای نشان دادن میزان دقیق عدم انطباق بین موتور و بار در موتورهای القایی سهفاز، بر روی یک جامعه آماری 63 تایی از یک کارخانه سیمان و یک جامعه آماری 47 تایی از یک کارخانه گچ اندازهگیری هایی
انجام گرفت. بدین صورت که میزان توان ورودی هر موتور و ولتاژ و جریان در حالت کار عادی آن اندازهگیری شده و به همراه پارامترهای پلاک (Name Plate) موتور ثبت گردید. در مورد موتورهای با بار متغیر نیز مانند
تسمه نقالهها متوسطی از توان ورودی به آن در نظر گرفته شد. برای به دست آوردن تخمینی از میزان عدم انطباق بار موتور در هر جامعه آماری، نسبت مجموع توان ورودی موتورها به مجموع توان نامی موتورها محاسبه شده است. در کارخانه سیمان شمال کسر مذکور برابر %53 و در کارخانه گچ خراسان %34 به دست میآید. نتایج این اندازهگیریهاکاملاً نشاندهنده کم بودن بار موتور نسبت به توان نامی آن بود.
در شکل های شماره 3) و (4 درصد بار موتورهای هر کارخانه نشان داده شده است. منظور از درصد بار در این شکلها میزان توان ورودی موتور به توان نامی موتور است، یعنی،
توان نامی موتور / توان ورودی موتور = درصد بار
شکل 3ـ نمودار توان ورودی بر توان نامی موتورها به درصد در کارخانه سیمان شمال
شکل 4ـ نمودار توان ورودی بر توان نامی موتورها به درصد در کارخانه گچ خراسان
برای به دست آوردن تخمینی از تلفات انرژی تنها در اثر این عدم انطباق بار از شکل شماره (1) جهت تخمین بازده هر موتور در بار متصل به آن استفاده می شود. طبق این شکل، بازده یک موتور القایی بزرگ (از 22KW به بالا) در بار کامل برابر %89 است و بازده موتور متوسط یا کوچک (زیر(18/5 KW در بار کامل برابر %82 است.
جدول شماره (1) را میتوان با استفاده از شکل شماره (1) به دست آورد.
جدول 1ـ تخمین بازده موتور برحسب درصد بار آن
با استفاده از جدول شماره (1) و نتایج به دست آمده از اندازه گیریها، میتوان میزانی از تلفات انرژی را که تنها در اثر عدم انطباق بین بار و موتور به وجود آمده است، محاسبه کرد. با این فرض که:
توان ورودی موتور (بازده موتور در بار متصل به آن ـ بازده موتور در بار کامل)= تلفات توان موتور در اثر عدم انطباق بار و موتور
و در نظر گرفتن روزانه 20 ساعت کار برای موتور، نتایج زیر به دست میآیند:
357408 Kwh = مجموعه تلفات سالیانه توان جامعه 1
291781 kw h = مجموعه تلفات سالیانه توان جامعه 2
که با فرض قیمت 160 ریال به طور متوسط [7]، برای هر کیلووات ساعت برق، ارزش تلفات سالانه جامعه 1،
تقریباً برابر 57185000 ریال و ارزش تلفات سالانه جامعه 2تقریباً، برابر 46685000 ریال میشود.
البته قابل ذکر است که درصد بار واقعی، از تقسیم توان خروجی موتور بر توان نامی آن به دست میآید که به مراتب از درصد باری که در قسمت های قبل در نظر گرفته شده کمتر است و این باعث می شود که تلفات واقعی، از اعداد به دست آمده هم بیشتر باشد. از طرف دیگر افت بازدهی موتور که در اثر شرایط نامناسب نگهداری و تعمیر حاصل شده است، در محاسبات بالا لحاظ نشده است، در حالی که قسمتی از تلفات انرژی مربوط به این قسمت میباشد.
با توجه به ارقام به دست آمده، برای تلفات انرژی جامعههای آماری نمونه در دو کارخانه سیمان و گچ، میتوان برآوردی از میزان کل تلفات انرژی سالانه صنایع سیمان و گچ، که تنها در اثر عامل عدم انطباق بار موتور به وجود میآید، به دست آورد.
برای این منظور با توجه به مصرف سالانه 2298*10^9 کیلووات ساعتی در این صنایع و با توجه به ارزش تلفات 103870000 ریالی برای مجموع دو جامعه آماری نمونه 10712350 کیلووات ساعتی داریم:
(10712350/103870000) 2298 10^9 = 22/282 10^9
یعنیحدوداً بیست و سه میلیارد ریال در سال، ارزش تلفات برق صنایع سیمان و آهک و گچ، در اثر عدم انطباق بار نامی و بار مکانیکی موتورها است. ملاحظه میشود که انرژی عظیمی در اثر این عدم انطباق بار موتورها از دست می رود، آن هم تنها در صنعت سیمان و گچ.
در اینجا ذکر یک نکته ضروری به نظر میرسد، و آن اینکه با توجه به ارقام به دست آمده برای ارزش میزان تلفات انرژی برای 63 موتور کارخانه سیمان شمال، و مقایسه این ارقام با قیمتهای کنترلرها و VSDها، خرید و نصب VSDاصلاً توجیه اقتصادی برای کارخانه مذکور ندارد. چرا که با مقایسه ای سطحی، بین ارزش
