بخشی از مقاله
پتانسیل کاهش مصرف انرژی الکتریکی در کشور از طریق استفاده از روتورهای مسی دایکاست شده در ساخت الکتروموتورهایی قفل سنجابی
چکیده : موتورهای الکتریکی مهمترین مصرف کننده انرژی الکتریکی در بخش های صنعتی، کشاورزی، خانگی، تجاری و عمومی بوده و بطور متوسط در حدود ۵۰ درصد از برق تولیدی کشور را مصرف می کنند. موتورهای کوچک و متوسط (۱۰۰ وات تا ه ه ۲ اسب بخار) معمولا ازنوع القایی ساخته می شوند که روتور آنها از نوع قفس سنجابی است. بنابراین بهبود بازدهی موتورهای الکتریکی القایی، از جمله مهم ترین روش ها برای کم کردن مصرف و تلفات انرژی الکتریکی محسوب میشود. با توجه به بازدهی پایین این تجهیزات، استفاده از روشهای مناسب و اقتصادی برای بهبود بازدهی آنها، ارزش فراوانی خواهد داشت. با توجه به شرایط کنونی تولید کنندگان این تجهیزات در داخل کشور و محدودیتهای موجود در رابطه با تغییر طراحی و ابعاد این الکتروموتورها در کنار سایر مسائل مربوط به هزینههای ارزی، یکی از مناسب ترین روشها برای افزایش کارایی این الکتروموتورها، استفاده از روتورهای مسی دایکاست شده به جای روتورهای آلومینیومی است که این فن آوری قادر است نا تلفات برق را در این تجهیزات در حدود ه ۳ در صد کاهش دهد.
واژه های کلیدی: الکتروموتور القایی، تلفات، روتور قفس سنجابی، روتور آلومینیومی، روتور مسی دایکاست
۱- مقدمه الکترو موتورها گروهی از تجهیزات الکتریکی هستند که بر اساس روابط" بین جریانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی، باعث تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی می شوند. در حین این عمل (تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی) مقداری از انرژی تلفا می شود. با توجه به این امر، کیفیت ساخت این تجهیزات برای دسترسی به حداکثر بازدهی اقتصادی از اهمیت فراوانی برخوردار بوده و در نتیجه سازندگان تجهیزات می توانند نقش بسیار مهمی در کاهش مصرف و تلفات انرژی الکتریکی داشته باشند. مهمترین عوامل ایجاد تلفات در موتورهای الکتریکی عبارتند از:
- تلفات اهمی ناشی از عبور جریان الکتریکی در سیم پیچهای استاتور و روتور و مقاومت الکتریکی این هادیها
- تلفات مغناطیسی ناشی از مغناطیسی شدن متوالی هسته موتور و نیز جریانهای گردابی ایجادی در آن
- تلفات ناشی از اصطکاک های مکانیکی
- اثرات پارازیتی (تلفات اضافی) باتوجه به این که هرساله مقادیر فراوانی از انرژی الکتریکی به دلیل عدم بازدهی مناسب الکتروموتورها به صورت تلفات به هدر میرود بنابراین در بسیاری از کشورها کوشش های فراوانی در جهت بهبود بازدهی و عملکرد این تجهیزات بعمل امده و سعی شده است تا با در نظر گرفتن امکانات بالقوه و فن آوریهای موجود و نیز قیمت مواد اولیه و هزینههای تحمیلی، مناسبترین گزینهها برای بهبود کارایی موتورها بکار گرفته شود. این روند بخصوص هنگامی مشخص تر می شود که بدانیم امروزه در بسیاری از کشورهای پیشرفته یا در حال توسعه، رعایت استانداردهای حداقل مقادیر مجاز بازدهی الکتروموتورها به صورت اجباری در آمده است و محدودههایی که این استانداردها پیشنهاد کردهاند بگونه ای است که در بسیاری از حالات تنها با صرف هزینه های بالا و استفاده از فن آوریهای جدید، دسترسی به آنها میسر است، در کشور ما نیز با وجود این که بازدهی اکثر الکتروموتورهای مورد استفاده (ساخت داخلی یا وارداتی) حتی از مقادیر استاندارد ارایه شده در دهه ۷۰ میلادی نیز پایین تر است، اما تاکنون اقدامات جدی در زمینه بهبود کارایی معطوف شود. به عنوان مثال کافی است پتانسیل کاهش پیک بار شبکه سراسری را در نظر داشته باشیم...همان گونڈے که بیان شد بازدهی متوسط الکتروموتورهای مورد استفاده در کشور در حدود سه تا پنج در صد از الکتروموتورهای استاندارد امروزی در دنیا کمتر است .۱ و۲. با توجه به اوج بار شبکه سراسری در سال جاری که در حدود ۴۰-۳۷ هزار مگاوات است و در حدود ۳۰ درصد از این پیک بار، صرف به حرکت درآوردن الکتروموتورهای القایی (و یا دستگاههایی که از این تجهیزات استفاده میکنند) می شود، افزایش بازدهی الکتروموتورهای کشور تاحد بهینه میتواند نیاز اوج بار شبکه را در حدود ۷۰۰- ۶۰۰ مگاوات (معادل با توان تولیدی یک نیروگاه بزرگ) کاهش دهد.
۲- روشهای بهبود بازدهی الکتروموتورها
شکل (۱) نمایی از اجزای مختلف یک الکتروموتور القاییرا نشان میدهد. این الکتروموتور از دو قسمت اصلی استاتور (قسمت ساکن) و روتور (قسمت متحرک) تشکیل شده است که هر یک از آنها شامل یک جزء الکتریکی (هادیها) و یک جزء مغناطیسی (هسته ها) است. با در نظر گرفتن ساختار و دانستن سهم هریک از موعلفه های تلفات انرژی در این تجهیزات بهبود بازدهی الکتروموتورها از چند طریق امکانپذیر خواهد بود ولی در هر حال مهمترین اقدامات برای بهبود بازدهی الکتروموتورها را می توان در کاهش تلفات هسته یا تلفات هادیهای آنهاخلاصه کرد. متاسفانه بسیاری از فن آوریهای شناخته شده برای بهبود بازدهی انرژی در الکتروموتورها باعث افزایش ابعاد آنها خواهد شد و این افزایش ابعادی بیشتر شامل ازدیاد طول آنهاست. به عنوان مثال یکی از روشهای شناخته شده برای کاهش تلفات هسته در موتورهای الکتریکی، افزایش طول هسته آنهاست که این حالت ار یک طرف مستلزم تغییرات فراوان در خط تولید این نوع موتورها بوده و باعث ناهمخوانی و عدم انطباق موتور ساخته شده با سایر تجهیزات متصل به آن می شود و از طرف دیگر با توجه به مصرف بیشتر مواد مصرفی (هسته و هادی)، قیمت موتورها افزایش زیادی خواهد یافت. افزایش سطح مقطع هسته موتورها نیز کم و بیش مشکلاتی مشابه با موارد فوق داشته و برای بسیاری از تولید کنندگان داخلی، چندان جاذبه ای ندارد. در مورد افزایش سطح مقطع هادیهای الکتروموتورها نیز این حالت مستلزم تغییرات وسیع در قالبهای ساخت هسته و در نتیجه تغییر طراحیالکتر موتور است که به نوبه خود هزینه های تولید را به رچشمگیری افزایش می دهد. با توجه به این موارد و در نظر داشتن مشکلات ناشی از تغییر طراحی و یا تغییر ابعاد الکتروموتورها، مناسبترین گزینه ها برای بهبود بازدهی الکتروموتورهای داخلی، تغییر مواد مورد استفاده در ساخت آنهاست. . مهمترین مواد مورد استفاده در ساخت هسته الکتروموتورها را ورقهای فولاد الکتریکی کم کربن و یا فولادهای سیلیکونی با دانه های غیر جهت دار ورقها که با ضخامت های متفاوت و با مقادیر مختلف عناصر آلیاژی منگنز، آلومینیوم و سیلیسیم تولید می شوند دارای خواص مغناطیسی متفاوت و نیز قیمت های بسیار گسترده هستند. مهمترین خواص مغناطیسی مورد نظر در حین انتخاب این گونه ورقها برای ساخت هسته الکتروموتورها شامل نفوذپذیری مغناطیسی، تلفات توان و القای اشباع در آنهاست که با تغییر میزان عناصر آلیاژی و یا ضخامت ورقها، این خواص را میتوان بدست آورد. برای کاهش تلفات توان و انرژی در هسته استاتور الکتروموتورهای القایی، میتوان با استفاده از ورقهای فولاد الکتریکی با مقادیر بالاتر سیلیسیم و یا انتخاب ورقهای با ضخامت کمتر، بازدهی آنها را تا حد مناسبی افزایش داد اما این حالت می تواند از یک طرف سایر خواص هسته را تحت تاثیر قرار دهد و از طرف دیگر افزایش قیمت و هزینه های تولید را در پی خواهد داشت چراکه با انتخاب ورقهای نازکتر و با مقادیر بیشتر عناصر آلیاژی، اولا هزینه خرید این ورقها بیشتر شده و در ثانی عوامل مربوط به برش و پانچ و هسته چینی نیز هزی تولید را به مراتب بالاتر خواهد برد، در هر حالی این تغییر مواد هسته برای کاهش تلفات الکتروموتورها میتواند بدون تغییر فروان در طراحی این تجهیزات به عنوان یک روش مناسب، مطرح باشد. هرچند که در حال حاضر با توجه به عدم توانایی ساخت داخل ورقهای فولاد سیلیسیم دار در کشور، هزینه های ارزی تهیه مواد اولیه و ساخت چنین الکتروموتورهایی تا حدی بالا خواهد بود. روش مناسب دیگر برای کاهش تلفات الکتروموتورها بدون ییر طراحی و یا ابعاد آنها، استفاده از هادی های مسی به جای آلومینیوم در آنهاست. با توجه به آنکه هدایت الکتریکی مسی تقربیا ۶۰ درصد بیشتر از هدایت : الکتریکی آلومینیوم است، در بیشتر حالتها برای ساخت هادیهای استاتور الکتروموتورها از مس استفاده می شود. در ساخت هادیهای روتور الکتروموتورها نیز اگرچه برای الکتروموتورهای بزرگ (با توان بیشتر از ۲۵۰ کیلو وات) معمولا از مسی الکتریکی کار شده و شکل داده شده استفاده می شود، اما روش ساخت روتور چنین الکتروموتورهایی ریخته گری نبوده و بنابراین بسیار زمانبر، گران و هزینه بر هستند هرچند که با توجه به تعداد نسبتا کم ساخت چنین الکتروموتورهایی، استفاده از چینن روشی چندان نامطلوب در نظر گرفته نمی شود. در مورد الکتروموتورهای القایی کوچک و متوسط که سالانه تعداد بسیار زیادی از آنها تولید می شود، تنها روش اقتصادی برای ساخت روتور آنها، ریخته گری دایکاست (تحت فشار) فلز هادی اطراف هسته و ایجاد یک ساختار یکپارچه از روتور است. شکل (۲) نمونه ای از روتورهای تولیدی به این روش را نشان میدهد که هادیهای قفس سنجابی این روتور نیز پس از جداسازی قسمت های آهنی (از طریق حلی سازی در اسید) بخوبی نمایان است. اگر چه از زمانهای گذشته نیز مشخصی بوده است که بکار بردن هادیهای مسی در ساخت روتور الکتروموتورهای القایی قفس سنجابی میتواند باعث بهبود بازدهی آنها شود اما به دلیل مشکلات موجود بر سر راه ریخته گری دایکاست مس و سهولت بیشتر این فرایند برای هادیهای آلومینومی، با درنظر گرفتن مسائل اقتصادی، ریخته گری دایکاست آلومینیوم به عنوان روش مناسب تر برای ساخت این روتورها مورد استفاده قرار می گیرد. این حالت باعث شد که تا چندین سال گذشته تقریبا روتور تمامی الکتروموتورهای القایی
