مجتمع کردن اتوماسیون پست های برق (3)

کنترل از راه دور ایستگاه ها و تجهیزات آن

کنترل از راه دور ایستگاهها از دهه 1960 شروع شد و در حدود دهه 70، جایگزینی وسایل الکترومکانیکی با ابزارهای نیمه‌هادی در مرحله ابتدایی و مقدماتی بود.
یک طرح اتوماسیون پست، قبل از دهه 90 به طور معمول شامل سه ناحیه عملیاتی اصلی بود: کنترل نظارتی و جمع‌آوری داده‌ها (Scada) کنترل پست شامل اندازه‌گیری و نمایش، حفاظت، نمایی از این سیستم در جدول 1 دیده می‌شود. تجهیزات اتوماسیون مورد استفاده در هر یک از نواحی به طور عمده شامل وسایل الکترومکانیکی نظیر وسایل اندازه‌گیری، رله‌ها و وسایل حفاظت، زمان‌سنج‌ها، شمارنده‌ها و وسایل نمایش آنالوگ و دیجیتال بود. سیستم‌های آنالوگ و دیجیتال اطلاعات دراین سیستم‌ها را در محل وسایل و یا روی پانلهای مدل سیستم نمایش می‌دهند. همچنین دراین پانلها سوئیچهای الکترومکانیکی قرار داشت که اپراتورهای پست برای کنترل وسایل اولیه داخلی پست استفاده می‌کردند. معمولاً برای نمایش تجهیزات مربوط به هر یک از سه ناحیه عملیات اصلی قسمتی از پانل کنترل اختصاص داده شده بود.
با ظهور ریزپردازنده‌ها دردهه 70، شرایط عوض شد. سازندگان تجهیزات پست‌ها جایگزینی وسایل الکترومکانیکی ساخت خود را با وسایل نیمه‌هادی شروع کردند. این وسایل مبتنی بر ریزپردازنده‌ که بعداً در صنعت به وسایل الکترونیکی هوشمند (IED) معروف شدند، مزایای چندی نسبت به وسایل قدیمی داشتند. آنها قابلیتهای اضافی نظیر تشخیص خطا،‌خود چک کردن توانایی ذخیره داده‌ ها و ثبت وقایع، رابطهای مخابراتی و واحد ورودی خروجی مجتمع با قابلیت کنترل از راه دور داشتند. همچنین به خاطر اینکه چندین قابلیت را می‌توان در یک IED فشرده ساخت،‌می‌توان وسایل جانبی را حذف کرد. برای مثال، وقتی IED به یک ترانسفورماتور ولتاژ و جریان در مدار وصل است. این وسیله می‌تواند همزمان وظیفه حفاظت، اندازه‌گیری و کنترل از راه دور را به عهده بگیرد. از امتیازات جالب توجه IED قابلیت اطمینان، راحتی نگهداری و سرعت مشکل‌دهی و پیکربندی سیستم است.
دهه 70 و اوایل دهه 80 که این وسایل عرضه شدند به خاطر شک و تردید در موردقابلیت اطمینان آنها و همچنین هزینه زیاد، از آنها استقبال نشد. اما با کمتر شدن قیمت و پیشرفت در قابلیت اطمینان و اضافه شدن قابلیتها، آنها پذیرش بیشتری پیدا کردند.
در همین حال، شرکتهای برق جایگزین کردن PLC را به جای رله‌های الکترومکانیکی (که درمنطقه رله‌ای و منطق کنترل حفاظت در تابلوهای تجاری و معمول کنترل پستها به کار می‌رفتند) شروع کردند. البته فروشندگان تجهیزات هنوز این روند را متوقف نکرده‌اند.آنها همچنین زیر سیستم رابط گرافیکی کاربر را گسترش دادند. به طوری که اکنون روی یک سکوی کامپیوتری ارزان قیمت متکی به PC قابل اجراست. این سکوهای گرافیکی برای برقراری یک رابط انسان ماشینی (PMI) پیشرفته‌تر (نسبت به اندازه‌گیری‌های قدیمی آنالوگ و صفحات نمایش دیجیتال) از واحدهای کنترل از راه دور و PLC استفاده کردند. هر چه توابع و فعالیتهای اتوماسیون پستها در یک دستگاه تنها فشرده‌تر می شد، مفهوم یک IED گسترش می‌یافت. این کلمه هم‌اکنون در مورد یک وسیله مبتنی بر ریزپردازنده‌ با یک درگاه ارتباطی (مخابراتی) که همچنین شامل رله‌های حفاظت، اندازه‌گیریها، واحدهای خروجی، PLCها، ثبت‌کننده‌ ها دیجیتالی خطا و ثبت‌کننده ترتیب وقایع نیز می‌شود، به کار می‌رود.

گفته‌های گروه‌کاری

IED اولین سطح فشرده‌سازی اتوماسیون است. اما حتی با استفاده گسترده از آن نیز تنها جزیره‌هایی از اتوماسیون در بین پستهای مختلف پراکنده می‌شوند. صرفه‌جویی بیشتر موقعی حاصل می شود که تمام IEDها در یک سیستم کنترل ایستگاههای متمرکز (ISCS) قرار گیرند. تحقق سیستمهای کنترل کاملاً مجتمع، هزینه‌های سیم‌کشی، تعمیر و نگهداری، مخابراتی و عملیاتی را کاهش و کیفیت برق و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
اگر چه این مزایا ارزشمند است اما مجتمع کردن سیستم اتوماسیون ایستگاهها (مثلاً در آمریکای شمالی) پیشرفت کمی داشته است و دلیل عمده آن این است رابطهای سخت‌افزاری و پروتکلها برای IED استاندارد نیستند. تعداد پروتکل‌ها برابر تعداد سازندگان وسایل و یا بلکه بیشتر، به خاطر اینکه تولیدات یک کارخانه نیز اغلب پروتکلهای مختلفی دارند.
یک راه‌حل برای این مشکل نصب و برقراری یک gateway است که به عنوان یک سخت‌افزار ورابط پروتکل بین IED و یک شبکه عمل می‌کند. gateway به شرکت برق اجازه می‌دهد تا با اجزای یک شبکه و پروتکل ارتباطی مشترک، وسایل مختلف را با هم روی یک ایستگاه مجتمع کند. gateway به یک رابط فیزیکی بین IED و استانداردهای الکتریکی شبکه و همچنین به یک مبدل پروتکل بین آنها است.
Gateway باعث می‌شود تمام IEDها ازدیدگاه شبکه مورد استفاده در پست، از نظر ارتباطی یکسان به نظر برسند. از آنجا که برای هر IED یک نرم‌افزار نوشته شده این وضعیت نرم‌افزار نیز کار را پیچیده‌تر و مشکل‌تر کرده است. برای مثال ممکن است یک شرکت بخواهد تعدادی رله حفاظت از نوع DEL، رله‌های حفاظت فیدر از نوع ABB، مونیتورهای با کیفیت بالای GE Multilim اندازه‌گیریهای PML و یک PLC نوع Modicon را در سیستم کنترلی ایستگاهی خود مجتمع کند. رله‌های SEL برای ارتباط از یک فرمت ASCLL که توسط SEL پشتیبانی می‌شود استفاده می‌کند. رله‌های ABB و GE پروتکل ENP3.00 را مورد استفاده قرار می‌دهند و اندازه گیری های PML نیز از همین پروتکل استفاده می کنند. در حالی که PLC برای ارتباط از پروکتل Modbus که Modicon تهیه کرده است،استفاده می کند. برای داشتن تمام این IED ها و پروتکلهای نامتجانس آنها روی یک سکوی کامپیوتری،استفاده از درگاه بهترین راه حل است.
درگاه نه تنها به عنوان یک رابطه بین لایه فیزیکی شبکه محلی و درگاههای RS232/RS485 که روی IED ها هستند عمل می کند بلکه به عنوان یک مبدل پروکتل،پروکتلهای خاص هر IED را (مانند SEL DNP3.0 یا Modbus) به پروکتل استاندارد مورد استفاده شبکه محلی نصب شده ترجمه
می کنند.

درگاهها

دو روش در استفاده از درگاه برای ارتباط دادن وسایل با شبکه ایستگاهی مورد توجه است. در یک روش برای وسیله هوشمند یک درگاه ارزان قیمت تک ارتباطی استفاده می شود و در روش دوم از یک درگاه که دارای چندین گذرگاه است برای ارتباط با چندین IED استفاده می شود. اینکه کدام روش اقتصادی تر است به محل استقرار IED ها بستگی دارد. اگر آنها در یک محل مرکزی جمع شده باشند روش استفاده از چند درگاه مطمئناً مناسبتر است.
یک مشکل دیگر که هنگام مجتمع کردن IEDها باید مورد توجه قرار گیرد پیکربندی تجهیزات است. تعداد زیادی از IEDها تنها یک درگاه ارتباطی دارند که دو منظور را پشتیبانی می‌کند. یکی دریافت داده‌های گذشته و داده‌های زمان حاضر سیستم و دیگری خواندن و چندین کانال به صورت ترتیبی کار کند. اگر IDEها در تمام ایستگاه پخش شده باشند، هزینه کابل‌کشی ممکن است خیلی سنگین شود. همبند شدن قسمتهای منطقی و هماهنگ عمل کردن، به یک کابل‌کشی مخرب نیاز دارد. چرا که معمولاً ورودیها به صورت سخت‌افزاری به محلهای مناسب وسیله متصل می‌شوند. این ارتباط می‌تواند به صورت یک شبکه محلی (LAN) به عنوان یک نوع مسیر ارتباطی خوب برقرار شود.
سرعت مسیر ارتباطی برای انتقال اطلاعات حفاظت پست باید بالا باشد (با زمان انتقال 2-4 میلی‌ثانیه و این مقدار اجباری است) یعنی بدترین محدودیت قابل پیش‌بینی زمان انتقال منظور شود
برای جایگزینی و تعویض کابل‌کشی شبکه باید قابلیتهای اضافه‌تری در مواجهه با تغییرات محیطی (فیزیکی و الکتریکی) و تاخیر در پردازش و فراخوانی داده و قابلیت سنکرون شدن داشته باشد. سنکرون شدن در شبکه‌های کنترل ایستگاهی، برای تحلیل وقایع گذشته و تعیین ترتیب وقایع در یک سیستم حادثه دیده حیاتی است. اما دقت در حد میلی‌ثانیه که مناسب این نوع کارها باشد، به ندرت در پروتکلهای شبکه‌های سطح بالا پیش‌بینی شده است. اگر چه به نظر می رسد به خاطر این مشکلات استفاده از LAN روش خوبی نیست، اما به کمک ماهواره می‌توان به وسایل مورد نیاز، سیگنال سنکرون کننده (زمان یکسان) ارسال کرد و مشکل سنکرون نبودن سیستم را برطرف کرد.
در سیستمهای آینده مبتنی بر استانداردهای باز LAN دسترسی به قسمت سوم تجهیزات و مجموعه‌های مهارتی آسانتر است. استفاده گسترده‌تر و معمولتر از استاندارد باعث می شود تا قسمت سوم تجهیزات به سازگار بودن محصولاتشان با محصولات یکدیگر مطمئن شوند و به عنوان آخرین مزیت، این برای سرمایه‌گذاران اشتغال خوبی است که به سادگی تجهیزات خود را با یکی از تجهیزات بزرگ موجود و پایه‌سازگار کنند.
جدا از بحث مربوط به نیازهای یک شبکه، در حال حاضر دو شبکه استاندارد وجود دارد. حداقل آنها در بین شرکت‌ها و سازندگان آمریکا و اروپا بیشتر از همه مورد توجه هستند. این دو عبارت‌اند از: اترنت و پروفیبوس. هیچکدام از آنها تمام نیازهای پیش‌گفته را برآورده نمی‌کنند، اما هر دو راه‌حلهای تجاری خوبی هستند.
مزیت بزرگ، اترنت این است که سخت‌افزار و امکانات آن را سازندگان زیادی عرضه می‌کنند، از کاربردهای چند لایه پشتیبانی می‌کند،‌کیفیت مناسب دارد پشتیبانی پروتکل شبکه مطابق با استانداردهای صنعتی و کمیت ناچیز وسایل آزمایش است. اما مهمترین نقص آن برای استفاده در پست، طبیعت احتمالی و غیرقطعی است که در نسخه استاندارد استفاده شده است (البته روشهایی برای رفع این مشکل ابداع شده است)
از شبکه پروفیبوس برای فرآیندهای صنعتی در اروپا خیلی وسیع استفاده می‌شود و قطعی و غیر احتمالی گزارش شده است. اما پروتکل‌های شبکه و لایه‌های کاربردی تنها به استانداردهای تعریف شده پروفیبوس محدود می‌شود و تجهیزات و سخت‌افزار اضافی آزمایش خیلی بیشتر از آنهایی است که برای اترنت در دسترس است.
به فرض اینکه تمام مشکلات و مباحث مربوط به سخت‌افزار IED، تکنولوژیهای LAN و پروتکل IED و LAN حل شده باشد، سوال بعدی این است که تمام این اطلاعات مجتمع را به چه روش اقتصادی و مناسبی برای اپراتور پست نمایش دهیم.

رابطهای غیرمبهم مناسب کاربر

رابطه انسان – ماشین (PMI) شاید مهمترین قسمت در کل ISCS باشد. از طریق این رابط است که اپراتور پست باید کل پست را نظارت و کنترل کند. داده‌ها باید برای اپراتور با دقت و آشکار بیان شود. امکان خطا و یا ابهام نباید وجود داشته باشد. چرا که عملیات اپراتور روی تجهیزات سیستم مهم و حساس است، همان طور که ایمنی افراد اهمیت دارد.
تکنولوژی انتخاب شده دراینجا PC است. PC یک مرکز کامپیوتری قوی برای کاربردها فراهم می‌کند. نرم‌افزارهای گرافیکی برای ارتباط با کاربر PC را قادر می‌کند که به صورت یک وسیله پیشرفته نظارت و کنترل برای اپراتورهای پست باقی بماند. کارت‌های شبکه زیادی برای ارتباط PC با شبکه LAN در دسترس است. همچنین محدوده انتخاب کامپیوترهای قوی گسترده است. Pentium Pro, Pentium( و ...)
در یک دستگاه کامپیوتری، نرم‌افزارهای کنترل نظارتی و ثبت اطلاعات،‌داده‌ های سیستم را از طریق اطلاعات،‌داده‌های سیستم را از طریق IEDهای واصل به شبکه جمع‌آوری و در یک پایگاه داده مرکزی ذخیره می‌کند. سپس داده‌ها به راحتی توسط نرم‌افزارهای کاربردی و رابطهای گرافیکی در دسترس کاربر هستند. عملیات SCADA می‌تواند هر دستور کنترلی اجرا شده به وسیله اپراتور را به IED مورد نظر بفرستد. در حال حاضر بسیاری از نرم‌افزارهای گرافیکی به اپراتورها کمک می‌کنند تا کار نظارت و کنترل پستها را با راندمان بالایی انجام دهند. وضوح تصویر خوب و قابلیت کامل گرافیکی بسیاری از نرم‌افزارها به اپراتورها امکان می‌دهد تا اطلاعات را به صورت‌های مختلف ببیند (به صورت جدولی، شماتیکی و یا هر نوع روش مناسب دیگر). حتی برخی بسته‌های نرم‌افزاری قوی توانایی این را دارند که بسیاری از فرآیندهای داخل یک پست را با متحرک‌سازی نمایش دهند.

پیشرفت‌ در اقتصادی شدن طرح

طرح iscs که از IEDها، LANها، پروتکلها، رابطهای گرافیکی کاربران (PMI) و کامپیوترهای ایستگاهی تشکیل شده، پایه و اساس پستها و ایستگاهها خودکار است.اما بلوکهای ساختمانی کاربردی (که متشکل از نرم‌افزارهای عملیاتی و نگهداری است). باعث سوددهی و تولید نتایج مطلوب شده و سرمایه‌گذاری در یک iscs را توجیه می‌کند.
کاربردهای در دسترس یا در حال تولید امروزی که باعث افزایش ظرفیت و سود سیستم می‌شوند تحت عناوین زیرند:
برای بازده عملیات: کاهش ولتاژ، کاهش VAR، متعادل کردن بار ترانسفورمرها و متعادل کردن بار فیدرها
برای قابلیت اطمینان عملیاتی: تشخیص خطا، مجزا کردن خطا و اصلاح سیستم، مدیریت بار، بارزدایی، کلیدزنی راکتور و خازن و انتقال بار.
برای کاهش نگهداری: نظارت مدار شکن‌ها، نظارت ترانسفورمرها، ضبط دیجیتالی خطاها و ضبط ترتیب وقایع

نگهداری بر اساس پیش‌بینی به کمک‌ قوانین

این موارد آخری اگر چه هنوز یک تکنولوژی نوظهور است، اما قادر است آنقدر قابلیت اطمینان سیستم را بالا ببرد که به تنهایی سرمایه‌گذاری در یک iscs را از نظر اقتصادی توجیه کند.

لزوم وجود پشتیبان برای سیستم

هر چه تعداد عملیات بیشتری بر روی یک سیستم تنها متمرکز شود، اهمیت قابلیت اطمینان سیستم افزایش پیدا می‌کند. برای مثال مشکلات کامپیوتر با قطع برق، ممکن است اجزایی از سیستم را به طور موقت از کار خارج کند. در یک طراحی خوب برای سیستمهای کنترل مجتمع ایستگاهی باید امکان خرابی تجهیزات سیستم را در نظر داشت و سیستمهای کنترلی و نظارتی پشتیبان کافی قرار داد. بنابراین باید همه تجهیزات و عملیاتهای مهم از پشتیبان برخوردار باشند. یک سیستم کنترل و حفاظت پشتیبان که به عملیات سیستم کامپیوتری وابسته نباشد، باید برای انجام عملیات مناسب وجود و سیستم برای قطع ناگهانی برق آمادگی داشته باشد.

بررسی سایر موانع

در مجموع یک iscs از یک سکوی کامپیوتری پشتیبانی می‌کند تا تمام فعالیتهای یک پست برق در یک سیستم منفرد هوشمند و خودکار مجتمع شود. شرکتهای هماهنگ با این محیط رقابتی به چند فایده دست پیدا می‌کنند. صرفه‌جویی در هزینه‌های عملیات و نگهداری افزایش قابلیت اطمنیان و معماری مدولار و قابل انعطاف که در نتیجه به نیازهای مشتری سریعتر پاسخ می‌دهد و سرویسهای مشتری بهتری فراهم می‌کند.
با وجود این قبل از پیاده سازی اتوماسیون کامل پستها، مهندسان شرکت با مشکلات چندی روبرو هستند. یک بررسی که اخیراً شرکت تحقیقی نیوتن – ایوان انجام داده است این موارد را به ترتیب اهمیت و اندازه به صورت زیر فهرست می‌کند. توجیهی نبودن کامل درستی پروژه، کمبود نقدینگی، عدم اعتقاد مدیریت به فلسفه کار، کمبود مهارت مورد نیاز در شرکت، نبود تکنولوژی مناسب و اهمیت هزینه‌های تغییرات مورد نیاز سیستم برای بعضی از مدیران.
معمولاً دو مانع اول وابسته هستند،‌به این معنی که سرمایه‌گذاری موقعی انجام می‌شود که بتوان ثابت کرد نسبت سود به هزینه مثبت است. اما در شرکتهای کوچک شده امروزی پیدا کردن وقت و منابع مالی کافی برای توجیه این کار بسیار سخت است. به خصوص اگر دانش داخلی مجموعه ناکافی باشد. دراین حالت تعدادی از مشاوران فنی کار آزموده می‌توانند درطرح و توسعه یک پروژه معقول و گویا کمک کنند. همچنین برخی از سازندگان رده اول تجهیزات اتوماسیون پستها می‌توانند از نظر دانش فنی نیز به خریداران برای توجیه و نصب سیستم کمک کنند.

مطالعه وضعیت اتوماسیون پستها در چند شرکت برق

الف) شرکت «انرژی استرالیا»
این شرکتها بزرگترین شرکت خدمات انرژی در استرالیا است و یک پنجم نیاز انرژی برق استرالیا راتامین می‌کند. در حال حاضر این شرکت، شش سیستم اتوماسیون پست مبتنی بر صفحه نمایش دارد و سه پست دیگر از این نوع در دست اقدام دارد. سه شرکت سازنده این سیستم‌ها را پشتیبانی می‌کنند و اولین نمونه در سال 1993 فروخته شده است.
قبل از کامپیوتری کردن سیستم از یک تابلوی کنترل ترکیبی (CCB) استفاده می‌شد که تمام قسمتهای نمایش و کنترل بر روی آن سوار می‌شد. بعضی از این تابلوها از قسمتهای کنترلی کوچکتر تشکیل می‌شد که برای تعمیر قابل جابه‌جایی بود و برخی از آنها از تابلوهای ثابت تشکیل می‌شد. در هر دو صورت هزینه طراحی، ساخت وتعمیر و نگهداری آنها بالا بود. درانرژی استرالیا از چهار نمونه CCB استفاده شده بود.
در طرحی که از RTUهای پراکنده در سیستم استفاده می شود، اگر چه RTUهای اضافی و شبکه ارتباط به همراه آن یک هزینه اضافی است، اما اطلاعات اضافی که از سیستم به دست می‌آید نظیر عملکرد رله‌ها، خود نظارتی و ثبت خطاها جبران این هزینه اضافی را می‌کند.
در طراحی اتوماسیون پستها قوانین زیر توسط «انرژی استرالیا» به کار گرفته شده است.
سیم‌کشی برای سیستم اتوماسیون بایدحداقل ممکن باشد. یعنی به طور معمول یک RTU ساده و ارزان قیمت درداخل تابلو قرار می‌گیرد و به یک یا دو وسیله یا تابلوی دیگر وصل می شود، یا حداکثر به پنج رله هوشمند محلی متصل به bus وصل می شود.
تعداد صفحه رابط با کاربرد معمولاً دو تا نیست، اما طرح به گونه‌ای است که صفحه نمایش می‌تواند توسط هر یک از SMUها استفاده شود.
عملیات اتوماسیون برای هر کار عملیاتی مناسب با سطح همان کار انجام می‌شود.
این قوانین ثابت نیستند، اما بر اساس پارامترهای زیر به صورت قابل انعطاف اعمال می شوند:
اهمیت ایستگاه
تجهیزات و امکانات فیزیکی موجود
تکنولوژی قابل دسترسی
یکی از فواید سیستم PMI نسبت به سیستم CCB برای شرکت انرژی استرالیا این بود که هزینه آن کمتر از نصف هزینه یک سیستم مشابه CCB بود. با ترکیب برخی وسایل برای PMI یک پشتیبان قرار می‌دهند (چرا که در صورت خرابی PMI کار عملیاتی برای اپراتور روی تجهیزات کلیدزنی خطرناک خواهد بود). مثلاً از تابلوی mimic به عنوان پشتیبان استفاده می شود.
سیستمهای نمایش PMI معمولاً دوگانه نبوده بلکه منفرد است، چون قابلیت اطمینان آنها بالا است و در ضمن به طور دایم استفاده نمی‌شود و در ساعات غیرضروری خاموش هستند.
ب) شرکت «قدرت الکتریکی آمریکا»
قدرت الکتریکی آمریکا (AEP) در کلمبوواهایو تشکیل شده ودر هفت ایالت، با جمعیت حدود هفت میلیون نفر، فعالیت دارد. AEP تا سال 1997 ده سیستم اتوماسیون ایستگاهی نصب شده است.
فواید مشاهده شده در اتوماسیون پستها که شامل PMI هستند عبارتند از:
کاهش هزینه به خاطر کاهش تجهیزات و فضای ساختمانی
کمتر شدن هزینه طراحی و نگهداری
بیشتر شدن انعطاف و توان عملیات سیستم: آرایش PMI به راحتی می‌تواند به گونه‌ای انتخاب شود که داده‌های عملیاتی را در فرمتهای مختلف بیان کند یا با دیگر داده‌ها ترکیب کند.
تمرکز اطلاعات: داده‌های سیستم در یک محل قرار می‌گیرد و استفاده از آنها را برای عملیات ساده می‌کند.
در AEP می‌توان حدود 20% کاهش هزینه در سیستم کنترل و حفاظت یک پست توزیع را نشان داد. بیشترین صرفه‌جویی از حذف تابلوهای کنترل ناشی شده است. از روش مجتمع کردن اتوماسیون سیستم به طور وسیع استفاده شده است تا بسیاری از فاکتورهای هزینه‌ای مانند ساخت و نصب و نگهداری درازمدت سیستم کنترل ایستگاه کاهش داده شود. تقریباً پنج رله هوشمند (بسته به اندازه ایستگاه) نیازهای عملیاتی در یک ایستگاه توزیع را انجام می‌دهند (اندازه‌گیری، اخطارها، حفاظت، کنترل و SCADA). این رله‌ها به وسیله یک شبکه محلی و از طیق Modbus بر پایه پروتکل ارتباطی به یکدیگر وصل هستند.
ایستگاههای کامپیوتری رابطهای اولیه ای تهیه دیده‌اند تا اطلاعات در یک روش معمول وسازماندهی شده بیان شوند. نمایشگرهای رله‌ای پشتیبانی برای سیستم کنترل و نمایش ایستگاه کامپیوتری است. هر قسمت از اطلاعات در دسترس روی ایستگاه PMI در قسمت جلوی یک IED نیز دردسترس است. این روش برای پیدا کردن اطلاعات کمی سخت‌تر است و به اندازه سیستم گرافیکی مورد استقبال نیست.
IED های مورد استفاده قابل برنامه‌ریزی هستند. IED رابط کاربر AEP را به گونه‌ای طراحی کرده است که اجازه تغییر موقعیت سوئیچهای کنترل را می‌دهد. رابط کنترلی IED به سادگی استفاده از ایستگاه فرعی PMI نیست، اما AEP اعتقاد دارد که این روش می‌تواند به عنوان یک کنترل پشتیبان در صورت از دست رفتن ایستگاه فرعی PMI عمل کند.
پ) شرکت ComEd آمریکا
این شرکت چهارمین شرکت بزرگ برق در آمریکا است. طرح اتوماسیون پستها تنها روی دو پست جدید اجرا شده و برای بعضی پستها در دست انجام است. در این شرکت یک پروژه جدید به منظور جمع‌آوری داده‌های بادقت بالا (جهت حفاظت و تحلیل جریان خطا) تعریف شده است. اگرچه (به عنوان قسمتی از شبکه WAN) کارهای نظارت و کنترل از طریق مرکز کنترل انجام می‌شود اما حفاظت سیستم به پروژه اتوماسیون واگذار نشده است.
ComEd کنترلهای محلی تجهیزات را برنداشته و آنها در زمان خرابی سیستم اتوماسیون پست به عنوان پشتیبان عمل می‌کنند. رابط WAN برای ComEd کاربرد اصلی را دارد. این شبکه اجازه می‌دهد تا هر یک از محل‌های کامپیوتری بتواند اطلاعات خود را بامحل دیگر مبادله کند و در نتیجه امکان کاربرد اتوماسیون توزیع را فراهم کند. همچنین این مساله در سطوح بالاتر باعث مجتمع‌تر شدن بین اپراتور محلی و مرکزی می‌شود.
اخیراً یک آزمایشگاه کاری ایجاد شده است تا تغییرات نرم‌افزاری قبل از نصب آن روی ایستگاه کامپیوتری، آزمایش شود.

لزوم نگاهی جدید به طراحی شبکه زمین در پستهای فشار قوی

بروز اتصال کوتاه در سیستمهای قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهای موقت و گذرا و همچنین آسیب‌ دیدن برخی تجهیزات پیشامدی عادی است. بهنگام وقوع خطای فاز به زمین، ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین و بدنه تجهیزات به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد. زمین کردن موثر نقاط نوترال در سیستم قدرت باعث کاهش این اضافه ولتاژها می‌شود.
در اثر بروز خطای اتصال کوتاه فاز و یا فازها به زمین، جریان زیادی به زمین داخل می‌شود و باعث به وجود آمدن گرادیان پتانسیل سطحی بزرگی در محوطه پست می‌شودو ممکن است کارکنان را در معرض شوک ناشی از ولتاژ گام یا تماس قرار دهد.
وجود شبکه زمین با فاصله مناسب بین هادیهای آن باعث کاهش گرادیان پتانسیل سطحی خواهد شد. از مهمترین پارامترهایی که در طراحی شبکه‌های زمین‌ مدنظر است می توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبکه زمین اشاره کرد که با طراحی شبکه زمین مناسب این پارامترها تا حد مجاز پایین می‌آیند.
از سالها پیش تعیین دقیق ولتاژهای تماس و گام تحت بررسیهای محققان قرار داشته‌ است و روشهای مختلفی جهت محاسبه ارایه شده است. در حال حاضر در صنعت‌برق کشور طراحی شبکه‌های زمین عمدتاً بر اساس استانداردهای IEEE 80 انجام می‌پذیرد.
با توجه به مقالات و استانداردهای ارایه شده، بحث طراحی شبکه زمین از دو دیدگاه حالت ماندگار و رفتار شبکه زمین در حالت گذرا دارای اهمیت است که در ادامه به لزوم ارزیابی و مطالعات دقیق رفتار شبکه زمین در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته می‌شود.

طراحی شبکه زمین در حالت ماندگار

در ادامه به برخی از مشکلاتی که طراحان شبکه قدرت در بخش طراحی شبکه زمین مناسب در حالت ماندگار، با آن مواجه بوده و استانداردهای موجود قادر به پاسخگویی آن نیستند اشاره می‌شود:
1- مشخصات شبکه زمین
استانداردهای موجود، محدودیتها و فرضیات متعددی در طراحی شبکه زمین استفاده می‌کنند که این مساله، باعث می‌شود که از طرفی دقت محاسبات به اندازه کافی نباشد و از طرف دیگر دامنه کاربرد این فرمولها در طراحی شبکه‌های زمین بسیار محدود شود. استاندارد IEEE 80 برای طراحی شبکه زمین پست از روابط و فرمولهایی استفاده می‌کند که استفاده از آنها در صورت رعایت محدودیتهای زیر دارای دقت مناسبی است.
مطابق بخش (8-14) استاندارد
IEEE 80-60، محدودیتهای این استاندارد برای طراحی شبکه زمین مناسب و ایمن به قرار زیر است:
الف- 1- عمق دفن شبکه زمین (h):
الف- 2- فاصله بین هادی‌های موازی در شبکه زمین (D):
الف- 3- تعداد هادیهای موازی در طول و عرض (n):
چنانچه به ناچار یکی ازشرایط فوق نقض شود از دقت محاسبات کاسته می‌شود.
مطابق بخش (2-5-16) از استاندارد IEEE80-2000 عمق دفن شبکه زمین در محدوده ذکر شده در استاندارد IEEE80-86 کماکان جزء محدودیتها است.
به طور کلی به دلیل وجود محدودیتها و همچنین پارامترهای غیرقابل محاسبه، استانداردها و از جمله استاندارد IEEE80، با در نظر گرفتن حداکثر ملاحظات و بالاتر از حد طراحی (overdesign) روابط وضوابط خود را ارایه می‌کند.
2- میله‌های زمین
تعداد و محل نصب میله‌های زمین (Rod) برایکاهش ولتاژهای گام و تماس در محاسبه و طراحی شبکه‌های زمین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ولی استانداردهای IEEE در این مورد دارای محدودیت بوده و نه تنها تاثیر میله‌های زمین با یک ضریب تقریبی (تصحیح) در محاسبات مربوط دخالت داده می‌شود بلکه تاثیر محل نصب میله‌های زمین در این استانداردها به هیچ صورت در نظر گرفته نمی‌شود.
3- لزوم طراحی شبکه زمین با اشکال مختلف
با توجه به اشکال متفاوت و نامتقارن سطح پست، برای رسیدن به یک شبکه زمین ایمن لازم است که محاسبات شبکه زمین با ابعاد و شکلهای متفاوت و نامتقارن انجام پذیرد در حالی که استانداردهای موجود اشکال خاصی از شبکه زمین (مربع، مستطیل و L شکل (استانداردIEEE 80-2000 )را محاسبه وطراحی می‌کند.
4- لزوم تحلیل شبکه زمین در خاک دولایه
بطور کلی در عمل نمی‌توان خاک را یکنواخت (تک لایه) در نظر گرفت، بلکه حداقل باید آنرا دولایه فرض کرده و تجزیه و تحلیل رفتار شبکه زمین را در آن انجام داد. با بکارگیری ضرایب (ضرایب تصحیح) استاندارد و روش استاندارد IEEE 80 می‌توان طراحی شبکه زمین در خاک دو لایه (بخش (3-12) استاندارد IEEE 80-86 و بخش (3-14) استاندارد IEEE 80-2000) را بطور تقریبی انجام داد، ولی برای ارایه روش دقیق، باید از معادلات الکترومغناطیسی و بحث تئوری تصویر استفاده کرد.
5- پروفیل ولتاژ در سطح پست
برای دسترسی آسانتر به طرح مطلوب و ایمن سیستم زمین، محاسبه و رسم پروفیل ولتاژ (شکل) در سطح پست ضروری است که این ویژگی تنها می‌تواند با استفاده از روشهای دقیق الکترومغناطیسی بدست آید.
6- در نظر گرفتن چاه زمین بهمراه شبکه زمین
گاهی ممکن است بدلیل محدودیتهای فضای سطح پست، امکان دستیابی به طرح شبکه زمین ایمن، با افزایش میله‌های زمین (Rod) و هادیهای شبکه زمین وجود نداشته باشد. در این حالت می‌توان از وجود چاه زمین در کنار شبکه زمین برای دسترسی به سیستم زمین استفاده کرد. لازم بذکر است که استانداردهای IEEE قادر به بررسی شبکه زمین به همراه چاه زمین نیستند، در حالیکه این نوع طرح سیستم زمین می‌تواند توسط روش مبتنی بر معادلات الکترومغناطیسی (روش دقیق) پیاده‌سازی شود.
7- طراحی پستهای کوچک
با توجه به محدودیت سطوح برخی از پستها (GIS) در مناطق متراکم شهری، ابعاد شبکه زمین نمی‌تواند از یک میزان خاصی تجاوز کند لذا با توجه به بالا بودن جریان اتصال کوتاه و همچنین با توجه به اینکه افزایش تعداد میله‌های زمین (Rod) از یک تعداد بخصوصی نمی‌تواند کاهش قابل ملاحظه‌ای در ولتاژهای تماس و گام ایجاد کند، با روشهای معمول طراح پست ممکن است نتواند به شبکه زمین ایمنی دسترسی پیدا کند. استانداردهای موجود در این موارد هیچ راه و روش تحلیلی در اختیار طراحان قرار نمی‌دهند. یکی از روشهای مناسب در این حالت طراحی شبکه زمین در دو عمق متفاوت است که محاسبات در این نوع طراحی (نصب دو شبکه زمین در عمقهای متفاوت) نیاز به یک روش تحلیلی مبتنی بر معادلات الکترومغناطیسی داشته که استانداردهای ارایه شده نمی‌تواند جوابگو باشند.
8- طراحی شبکه زمین در نیروگاههای آبی
با توجه به لایه‌بندی عمودی و افقی محیط در برگیرنده شبکه زمین در نیروگاههای آبی (بتن در سد و آب در دریاچه پشت سد)، مساله طراحی شبکه زمین متفاوت با روشهایی است که توسط استانداردها ارایه شده است. در این حالت برای دسترسی به شبکه زمین باید از روشهای تحلیلی مبتنی بر معادلات الکترومغناطیسی استفاده شود در حالی که در این باره، استانداردهای موجود راه حلی را پیشنهاد نکرده‌اند.
ب- تحلیل شبکه زمین در حالت گذرا
علاوه بر مشکلات مربوط به حالت ماندگار در طراحی شبکه زمین ایمن، تجزیه و تحلیل رفتار گذرای شبکه زمین در برابر امواج گذرای جریان ناشی از برخورد صاعقه و ایجاد اتصال کوتاه به زمین از اهمیت بالایی برخوردار بوده و از مسائلی است که هیچ استانداردی در این باره ارایه نشده است.
برخورد صاعقه به یک خط انتقال سیستم قدرت و یا پستهای الکتریکی و همچنین ایجاد اتصال کوتاه تکفاز و یا دو فاز بهم و به زمین، باعث جاری شدن جریانهای بزرگی در پست و تجهیزات آن می‌شود. قبل از آنکه این جریان وارد شبکه زمین شده ودر خاک توزیع شود میدانهای الکترومغناطیسی که در اثر عبور این جریانها تولید می‌شود منجر به القاء ولتاژ و جریان بزرگی می‌شود که ممکن است به تجهیزات الکترونیکی و میکروپروسسوری حساس آسیب‌ جدی وارد کند و همچنین ممکن است باعث ایجاد خطراتی برای کارکنانی که در مجاورت تجهیزات پست کار می‌کنند، شود.
یکی از مشکلات دیگر میدانهای ناخواسته، ایجاد خطای اندازه‌گیری در تجهیزات اندازه‌گیری (پستها) است. همچنین با توجه به وجودطیف فرکانسی بالا در شکل موجهای جریان ناشی از صاعقه و اتصال کوتاه در شبکه قدرت اثرات امواج ضربه فرکانس بالا را می‌توان در دسته‌های زیر بیان کرد:

- ایمنی افراد

بدن انسان می‌تواند جریانهای الکتریکی بالاتری را در فرکانسهای بالا تحمل کند. بنابراین ولتاژهای گام و تماس مجاز وابسته به فرکانسهای بالای شکل موج جریان ضربه‌ای مربوطه بوده و می‌تواند مقادیر بالاتری داشته باشد. از طرفی حداکثر ولتاژهای گذرا (TV) و افزایش پتانسیل زمین‌ گذرا (TGPR) نیز در محوطه پست بالا بوده و در نتیجه چنانچه از سیستم زمین مناسبی استفاده نشود ایمنی افراد را به مخاطره می‌اندازد. شکل زیرنمونه‌ای از ولتاژ گذرای ایجاد شده با تزریق جریان صاعقه را نشان می‌دهد:

- سطح عایقی

جاری شدن جریان فرکانس بالای ناشی از برخورد صاعقه یا ایجاد اتصال کوتاه از طریق نقطه خنثای شبکه باعث ایجاد افزایش ولتاژ گذرای بالایی می‌شود. این مساله می‌تواند در تعیین سطح عایقی مناسب کابلها و تجهیزات الکتریکی موثر باشد و با طراحی شبکه زمین مناسب و محاسبه حداکثر افزایش ولتاژ می‌توان سطح عایقی مناسب را محاسبه کرد.

- اعوجاج در امواج ولتاژ و جریان

ایجاد حالت گذرا در شبکه قدرت باعث ظاهر شدن هارمونیکهای بالا در شکل موج ولتاژ و جریان فازهای شبکه شده و در نتیجه بر عملکرد رله‌های حفاظتی دیجیتال تاثیر منفی می‌گذارد. لذا با نصب مناسب شبکه زمین مناسب و تحلیل رفتار گذرای آن می‌توان راهکارهای مناسبی در جهت بهبود عملکرد رله‌های حفاظتی اتخاذ کرد.

- تغییر در میدانهای الکترومغناطیسی

میدانهای الکترومغناطیسی در فضای پست وابسته به فرکانس بالای جریان عبوری از شبکه زمین است. میدانهای الکترومغناطیسی نامطلوب القاء شده بوسیله جریانهای ناشی از صاعقه و اتصال کوتاه باعث ایجاد خطاهای اندازه‌گیری و یا خسارت تجهیزات الکتریکی حساس می‌شود. بنابراین سیستم زمین به ترتیبی باید طراحی شود که مقادیر میدانهای الکترومغناطیسی از حدود قابل قبول تجاوز نکند.
با توجه به مطالب ارایه شده، برای محاسبه میدانهای الکترومغناطیسی در محیط و فضای پست، باید رفتار سیستم زمین در برابر جریانهای فرکانس بالا (گذرا) تعیین شود. نیجتا با توجه به مطالب ارایه شده لزوم بررسی دقیق طراحی شبکه زمین در دو حوزه ماندگار و گذرا را می‌توان در موارد زیر بیان کرد:
- لزوم به کارگیری روشهای دقیق مبتنی بر مطالعات الکترومغناطیسی در حالت ماندگار که فارغ از محدودیتهای موجود و همچنین تقریبهای اضافی در استانداردهای IEEE-80 باشد.
- لزوم توجه به رفتار سیستمهای زمین در حالتهای گذرا و طراحی مناسب آنها به منظور جلوگیری از بروز خسارات مادی و نقض ایمنی افراد
- لزوم بررسی تاثیر‌پذیری عملکرد تجهیزات میکروپروسسوری (از جمله رله‌ها) از رفتار سیستم‌های زمین در رژیم گذرا

حفاظت تجهیزات پست به وسیله برقگیر

از وسایل حفاظتی محدود کننده ضربه برای حفاظت تجهیزات سیستمهای قدرت در برابر اضافه ولتاژها استفاده می شود یک وسیله حفاظتی محدود کننده ضربه باید اضافه ولتاژهای گزرا یا اضافه ولتاژهای که باعث تخریب تجهیزات شبکه می شوند را محدود و به زمین هدایت کنند و بتواند این کار را بدون اینکه آسیبی ببیند به دفعات تکرار کند. برقگیرها نسبت به سایر وسایل حفاظتی بهترین حفاظت را انجام می دهند و بیشترین مقدار حذف امواج گذرا را فراهم می کند. برقیگرها به صورت موازی با وسیله تحت حفاظت یا بین فاز و زمین قرار می گیرند انرژی موج اضافه ولتاژ به وسیله برقگیر به زمین منتقل می شوند.
یک برقگیر خوب باید دارای مشخصات زیر باشد:
1-در ولتاژ نامی شبکه،به منظور کاهش تلفات دارای امپدانس بینهایت باشد.2-در اضافه ولتاژ به منظور محدود سازی سطح ولتاژ دارای امپدانس کم باشد.3-توانایی دفع یا ذخیره انرژی موج اضافه ولتاژ را بدون اینکه خود صرفه ببیند داشته باشد.4-پس از حذف عبور اضافه ولتاژ بتواند به شرایط مدار (حالت کار عادی) برگردد.

انواع برق گیرها:

1-برق گیر میله ای
2-برق گیر لوله ای
3- برق گیر سیلیکون کارباید (SIC)
4- برق گیر نوع اکسید فلزی (MOV)

معایب برقگیر میله ای:

1-تداوم عبور جریان به زمین حتی پس از حذف اضافه ولتاژ
2- افت شدید ولتاژ فاز به خاطر اتصال کوتاه شدن فاز در لحظه عبور جریان از برقگیر
3-دارای تاخیر زمانی متناسب با اضافه ولتاژ
4-پراکندگی زیاد ولتاژ جرقه

پارامترهای مهم برای انتخاب برقگیر مناسب جهت حفاظت عایقی:

1-ماکزیمم ولتاژ کار دائم (MCOV)
2-ولتاژ نامی (Ur)
3-جریان تخلیه نامی (8.20µsec)
4-ماکزیمم جریان ضربه قابل تحمل (4.10µsec)
5-قابلیت تحمل جذب انرژی W

عوامل مهم در آسیب دیدگی برقگیرها:

1-نفوذ رطوبت و آلودگی
2-اضافه ولتاژهای گزرا و موقتی
3-عدم انطباق شرایط بهره برداری با مشخصه برقگیر (طرحی غلط)
4-عوامل ناشناخته

مزایای برقگیر نوع اکسید فلزی (MOV)

1-کارایی بهتر نسبت به سایر برقگیرها
2-پراکندگی کم ولتاژ پسماند همچنین دارای ولتاژ پسماند خیلی کم
3-دارای تاخیر زمانی خیلی کم
4-برگشت طبیعی به وضعیت اولیه یا مدار باز
5-دارای مشخصه ولت-جریان خطی تر از برقگیر SIC
6-دارای سطح حفاظتی خوب
منابع:
www.mohammadbarghy.blogfa.com
esig.blogfa.com
elcka-man.blogfa.com
http://www.ewa.ir
مهندس سیدمحمد شهرتاش- مهندس نبی‌ا... رمضانی
ماهنامه صنعت برق

مجتمع کردن اتوماسیون پست های برق (1)

1- انتقال انرژی الکتریکی :

1-1-1-انتقال الکتریسیته

انرژی الکتریکی را می توان بطور اقتصادی به فاصله های دور انتقال داد برق از نیروگاه تا مراکز بار به وسیله خطوط انتقال فشار قوی انتقال می یابد یکخط انتقال را می توان به یک لوله آب تشبیه کرد که هر چه فشار آب بیشتر ولوله بزرگتر باشد آب بیشتری در لوله جریان خواهد یافت . به همین طریق هر چه ولتاژ بیشتر باشد وقطر سیم بزرگتر باشد انرژی الکتریکی بیشتری از خط انتقال عبور خواهد کرد .
هر چه ولتاژبیشتر باشد تولید و انتقال ارزانترتمام می شود زیرا از رابطه p=vicosθافزایش ولتاژ موجب کاهش جریان برای مقدار معین توان می شود . هر چه جریان کمتر باشد اندازه کابل ها ,سویچ گیر های حفاظتی کوچکتر و تلفات توان خط ( P=RI ) نیز کنترل و کمتر می شود .

2-1-1-ساختمان یک خط انتقال نمونه

اکثر خطوط انتقال ، هوایی می باشند زیرا خطوط زمینی برای انتقال به فواصل زیاد بسیار گران تمام می شوند . هادیهای خطوط هوایی به وسیله برج های مشبک فولادی ( دکل ) یا پایه های چوبی ، جهت عایق نمودن هادیها از زمین در هر نوع شرایط جوی و جلوگیری از تماس اتفاقی می باشد . استفاده از پایه های بلند این امکان را می دهد تا از اسپان های بلند و در نتیجه تعداد پایه های کمتری استفاده کرد .
اندازه یا طول مقره بستگی به ولتاژ خط دارد . هرچه ولتاژ قویتر باشد بایستی طول زنجیره مقره بلندتر باشد . هادی ها معمولا از آلومینیوم رشته ای با هسته فولادی است . آلومینیوم هادی خوبی برای الکتریسیته است ، و هسته فولادی موجب مقاوم شدن هادی می شود . یک هادی مقاوم وسبک را می توان با فلش (شکم) کمتر در اسپان های بلند استفاده نمود .

3-1-1-ولتاژ خط انتقال

نیروی الکتریکی در نیروگاه ها 13800 ولت تا 24000 ولت تولید می شود . یک ایستگاه ترانسفورماتور افزاینده بعد از نیروگاه ولتاژ را تقویت می کند تا با بازده بالا انتقال یابد . ولتاژهای تولیدی در نیروگاه تا ولتاژهای معمول خط انتقال یعنی 123000 ولت ، 230000 ولت ، 400000 ولت ، 500000ولت و 765000 ولت افزایش می یابد . به عنوان یک قاعد? کلی ، اگر ولتاژ 2 برابر گردد انرژیی که میتوان انتقال داد بدون افزایش تلفات خط ، چهار برابر می شود .
در خطوط فشار قوی ( EHV ) مانند مدارهای 500 کیلو ولت از هادی های باندل که 2 ، 3 یا 4 هادی به وسیله اسپیسر دمپر به یک دیگر متصل می گردند استفاده می شود باندل نمودن هادی ها باعث جلوگیری از مشکلات ولتاژ فشار قوی می گردد . در هر صورت ظرفیت افزایش یافته هادی علاوه بر ولتاژ فشار قوی اجازه می دهد یک خط 500 کیلو ولت تک مداره تا معادل 8 مدار 230 کیلو ولت انرژی حمل نماید .

4-1-1-پست های سیستم انتقال

پایانه های خطوط انتقال در پست ها و سوئیچ ها یاردها ( محوط? کلیدها ) قرار دارند . پست های برق ، ایستگاه های تغییر ولتاژ هستند . ترانسفورماتورها میتوانند به منظور انتقال مؤثر ولتاژ فشار قوی ، ولتاژ را افزایش و یا برای توضیع نیرو در جاده ها و خیابان ها ، ولتاژ را کاهش دهند .
تجهیزات به گونه ای طراحی شده که ایستگاه بتواند در صورت خارج شدن قسمتی از مدار ، خط فوق توزیع مربوطه را تغذیه نماید .

5-1-1-سوئیچ یارد (محوطه کلید ها )

سوئیچ یاردها در پایانه های خطوط انتقال قرار دارند . یک سوئیچ یارد شامل کلید های قطع کننده ( سکسیونر ها ) ، مدار شکن ها ( دیژنگتورها ) ، رله ها و سیستم های ارتباطی برای محافظت مدار می باشد . سوئیچ یارد این مکان را ایجاد می کند که برق از مدارهای مختلف عبور کند و اطمینان حاصل شود که حتی وقتی بعضی از قسمتهای یک سیستم قدرت خراب می شود مشتریان به طور مستمر سرویس دریافت دارند .
مدار های متعددی که به داخل یک سوئیچ یارد وارد می شود به وسیله یک مدار مشترک به نام باس یا شینه به یکدیگر ارتباط می یابند . اصطلاح باس از کلمه اومنی باس به معنی مجموعه ای از اشیاء متعدد یا در این حالت یک مجموعه ای از مدار ها متعدد است . باس بایستی بتواند جریان خطی زیادی را حمل نماید بنابراین معمولا شامل هادیهای خیلی بزرگ یا لوله مسی یا آلومینیومی بزرگ و سخت می باشد . سوئیچ یارد معمولا در داخل همان محوطه محصور شدة ترانسفورماتور قرار دارد و قسمتی از پست را تشکیل می دهد .
کلیدهای فشار قوی :
1- سکسیونرها :
یکی از کلیدهای فشار قوی بوده که به دو صورت قابل قطع زیر بار و غیر قابل قطع زیر بار می باشد . که به صورت دستی کنترل شده و عمل قطع و وصل انجام می شود .
2- اتوریکلوزرها :
این کلید برای محافظت مدار و یا شبکه های فشار متوسط و قوی استفاده می شود که بصورت اتوماتیک عمل می کنند . عملکرد این کلید به این صورت است که چنانچه در شبکه ما اتصال کوتاهی رخ دهد این کلید بصورت اتوماتیک 3 یا 4 مرتبه عمل قطع و وصل را انجام می دهد و چنانچه مشکل شبکه (اتصال کوتاه) برطرف شده باشد به حالت وصل می ماند و اگر برطرف نشده باشد در قطع و وصل چهارمی دیگر وصل نمی شود .
3- دیژنگتورها :
این کلید به صورت قطع و وصل خودکار می باشد و بیشتر برای محافظت تجهیزات فشار قوی استفاده می شود .
4-سکشن آلایزرها :
این کلید عملکردش تقریبا همانند ریکلوزرها می باشد که در شبکه های شعاعی بعضاً هم حلقوی از این نوع کلید استفاده می شود ، که وظیفه آن کنترل یک قسمت مخصوص است .

6-1-1-ارتباط بین پستها

اپراتور باید وسایل اندازه گیری و آلارمها (هشداردهنده ها ) که شرایط ایستگاهها و خطوط منطقه تحت کنترل را نشان می دهد در اتاق کنترل بازبینی کند . اپراتور می تواند خارج از نیروگاه و ایستگاه ، کلید ها را به طریق کنترل از راه دور باز و بسته نماید . این کنترل عالیه سیستم بستگی به سیستمهای ارتباطی بین ایستگاهها (مرکز دیسپاچینگ ) دارد .
برای انتقال اطلاعات و علائم از ایستگاهی به ایستگاه دیگر از خطوط تلفن ، کابل نوری ،سیستمهای PLC ، سیستمهای ماکروویو یا ماهواره ای استفاده می شود . چون وجود ارتباط مداوم بسیار حیاتی می باشد ، معمولا بیش از یک سیستم ارتباطی در محل وجود دارد تا در صورت خرابی یک سیستم ، بتوان از سیستم دیگری استفاده نمود .
خطوط تلفن یک ارتباط عادی بین ایستگاه ها است . استفاده از کابل نوری در شیلدوایرا بر روی خطوط انتقال ، یک حالت ارتباطی معمول می باشد .
سیستم plc از هادیهای خط قدرت برای انتقال اطلاعات استفاده می نماییم . علائم ارتباطی به وسیله دستگاهی که شبیه به ترانسفورماتور ولتاژ است ولی در اصل یک ترانسفورماتور کوپلینگ ولتاژ خازنی ( ccvt ) می باشد ،به هادیهای قدرت ارسال یا از آن دریافت می شود . به منظور نگهداری علائم انتقالی در قسمتهای مورد نظر خط قدرت ، تله های موج نصب می گردد. تله موج که شبیه به یک سیم پیچ استوانه ای بزرگ می باشد از پیشروی علائم در خط جلوگیری می نماید .
ارتباطات ماکروویو بین ایستگاه ها نیاز به برج (دکل) همراه با آنتن در هر ایستگاه دارد . آنتن های فرستنده و گیرنده ماکروویو نیاز به یک دید مستقیم و بدون وجود هیچ مانعی در بین آنها دارد . بایستی برج های ماکروویو در صورت امکان بر روی تپه ها به فاصله 60 تا 100 کیلومتر (35 تا 60 مایل ) نصب گردند تا علائم بین برجها مخابره شود .

7-1-1-استخرهای قدرت الکتریکی

نیروگاه به وسیله خطوط انتقال در استخرهای بزرگ منطقه ای یا شبکه هایی که از مرز های شرکت های برق می گذرد به یکدیگر مرتبط می شوند . قدرت الکتریکی توسط این شبکه ها به هر جایی که نیاز باشد ارسال می گردد . بدین ترتیب این انرژی می تواند مثلا در فصل گرما برای تغذیه اوج بارهای حرارتی به شمال کشور ارسال شود .
لوازم اندازه گیری در پایانه های خطوط یا پست های تبدیل مقدار انرژی که از مرزهای سرویس دهی شرکت ها عبور می کند وهمچنین مبالغی که بایستی بابت آنها پرداخت یا به حساب منظور شود را تعیین می کنند . بعضی اوقاتیک شرکت برق فقط انرژی رااز یک همسایه تولید کننده برق به همسایه دیگر انتقال می دهد و هزینه این انتقال (ترانزیت) را دریافت می دارد .

8-1-1-خاموشی و ضعف ولت

خاموشی بزرگ در شمال شرقی ایالات متحده آمریکا و کانادا در نهم نوامبر 1965 میلادی بوجود آمد . اشکال یک عنصر در استخر قدرت (شبکه) موجب شروع یک زنجیره واکنشی شد که منجر به از دست رفتن بیشتر آن شبکه گردید . از آن زمان پیشرفت طرح های حفاظتی آغاز و نصب تجهیزات حفاظتی خوب برای جدا نمودن نقاط معیوب صورت گرفت شرکتهای برق همواره با بهبود طرح های حفاظتی ، دارای فرایندهایی هستندکه در صورتی که تقاضا (دیماند) مشترکین بیش از مقدار انرژی تولید شده سیستم باشد ، عملا ولتاژ شبکه را کاهش می دهند ویا بار را از سیستم کم می کنند .
وقتی تقاضای مشتریان از استخر قدرت بیشتر از مقدار تولید شده یا تامین شده توسط خطوط انتقال باشد ، انداختن بار آخرین مرحله تصمیم گیری خواهد بود. قبل از قطع بار ، بایستی ولتاژ شبکه را پایین آورد تا کل انرژی تحویل شده به مشترکین کاهش یابد .
ممکن است مشترکین (مشتریان برق) مشاهده کنند که روشنایی آنها قدری کم نور شده و موتورهای روشن ، گرمتر میشوند .بعضی از شرکت های برق خارج از کشور هر دو سال یکبار به وسیله کاهش ولتاژ سیستم آزمایشاتی را انجام می دهند . ضعف ولت معمولا تنها توسط مشترکینی ملاحظه می شود که تقریبا کمتر از ولتاژ نرمال در مواقع معمول دریافت می دارند .
اگر بعد از اینکه عملا ولتاژ سیستم کاهش یافت هنوز نتوان به اندازه کافی تقاضای مشترکین را تامین کرد ، بایستی ابتدا بعضی از صنایع بزرگ را از مدار خارج کرد . معمولا این صنایع قراردادی با شرکت برق دارند که اجازه میدهد بارشان در مقابل نرخ بهتر یا فروش کمتر برق ، کاهش یابد .
در زمستان سرد غیر عادی سال میلادی 1994 – 1993 ، تامین برق مورد تقاضای مشترکین در واشنگتن D.C بسیار مشکل شد و به جای اجرای خاموشی گردشی (دوره ای) ، مقدار تقاضا یا مصرف مشترکین به وسیله بستن ساختمانهای دولتی در سردترین روزها کاهش داده شد .
وقتی همه روشهای دیگر برای کاهش بار با شکست مواجه می شود بایستی بار الکتریکی عموم مردم به طور گردشی بر اساس زمان بندی واعلان قبلی کاهش یابد . کاهش بار به طور گردشی (نوبتی) باعث اعمال خاموشی در یک منطقه جغرافیایی معینی برای یک دوره زمانی مشخص معمولا 30 تا 60 دقیقه می شود .

1-2- توزیع انرژی الکتریکی :

1-1-2- اصول توزیع

سیستم انتقال ، انرژی الکتریکی را تا نزدیکی مراکز بار انتقال می دهد و سپس ولتاژ به ولتاژ فوق توزیع و یا مستقیما به ولتاژ توزیع تبدیل می شود .
سیستم توزیع شامل خطوط فوق توزیع است که پست های توزیع را تغذیه می نماید تا ولتاژ را تا سطح ولتاژ فیدر توزیع کاهش دهد . فیدرهای توزیع انرژی را به یک ترانسفورماتور (kv 4/0/ 20 )در محل مصرف عمومی و یا در مستغلات مشتری (مصرف اختصاصی) تحویل می دهد و ولتاژ را تا سطح ولتاژ مصرف تبدیل می کند .
شش قسمت اصلی یک سیستم توزیع :
1-مدارهای فوق توزیع :
مدارهای فوق توزیع ، نیرو را از پستهای بزرگ انتقال به پستهای توزیع منتقل می کنند . ولتاژهای فوق توزیع برای مثال عبارتند از kv 63 پایه ها و عایقبندی در این ولتاژها به اندازه کافی کوچک هستند که بتوان خطوط را در کنار جاده ها احداث نمود . بعضی از شرکت ها خطوط فوق توزیع را قسمتی از سیستم انتقال می دانند .
2- پست فوق توزیع :
ترانسفورماتور پست فوق توزیع ولتاژ فوق توزیع را به ولتاژ توزیع کاهش می دهد .پست شامل :
-سوئیچگیر مدار فوق توزیع
- ترانسفورماتور
- دستگاه تنظیم کننده ولتاژ (رگلاتور ولتاژ)
- باس یا شین ولتاژ توزیع
- چندین فیدر متصل به باس
- سوئیچ گیر برای فیدر توزیع
بسیاری از پست های فوق توزیع از یک اتاق کنترل مرکزی (دیسپاچینگ توزیع) از راه دور کنترل می شوند . اتاق کنترل مرکزی به داده های پست نظیر ولتاژ فیدر و مقدار بار دسترسی دارد . و می تواند سوئیچ گیر پست را قطع و وصل نماید . نظارت عالیه و تحصیل داده ها (scada ) یک فن ارتباطات است که به منظور کنترل ازراه دور یک پست استفاده می شود .
2-فیدرهای اولیه (پرایمری) :
فیدرهای اولیه (فشارمتوسط) سه فاز که از پست خارج می شوند می توانند زمینی یا هوایی باشند . یک فیدر توزیع می تواند شعاعی باشد و به صورت شاخه ای در یک خیابان یا جاده کشیده شود . فیدر توزیع می تواند به صورت شبکه رینگ (حلقوی) نیز از دو جهت تغذیه شود و معمولا از یک کلید (سکسیونر) در نقطه باز حلقه بین فیدرها استفاده می شود تا آنها را از یکدیگرمجزا کند و یا می توان بوسیله سوئیچ گیر خودکار آنرا بسته یا رینگ نمود .
3- ترانسفورماتور توزیع :
ترانسفورماتور توزیع که مشترکین را تغذیه می نماید ولتاژ فیدر اولیه (پرایمری) را به ولتاژ مصرف کاهش می دهد . این ترانسفورماتور می تواند با توجه به نوع سیستم توزیع ، بصورت هوایی بر روی یک کرسی فلزی یا سکوی بتونی یا در یک قسمت سقفدار (مانند اتاق یا کیوسک) نصب شود .
4- سیستمهای ثانویه :
یک سیستم ثانویه می تواند شامل یک سرویس تکفاز باشد که به وسیله یک ترانسفورماتور تغذیه می شود تا یک شبکه باس ثانویه که دارای چند فیدر است .
5-اتصالات مشترکین :
کابل سرویس مشترکین می تواند به صورت هوایی یا زمینی تکفاز یا سه فاز مستقیما از ترانسفورماتور یا باس ثانویه تغذیه شود .مسئولیت شرکت برق یا توزیع برای سرویس مشترکین معمولا تا کنتور مشترک است .
توضیح : منظور از سوئچ گیر ، لوازم اتصال خط مانند کلمپ خط گرم و لوازم حفاظتی و مجزاکننده مانند انواع کلیدها ، فیوزها و سکسیونرها فشار متوسط و قوی می باشد .

1-2-2-طرح های سیستم توضیع:

یک سیستم توضیع را میتوان به گونه ای طراحی کرد که درجات مختلفی از تداوم سرویس دهی را داشته باشد سیستمی که دارای درجه بالایی از تداوم سرویس دهی است گرانتر تمام می شود و معمولا در شهر ها در نقاطی که تراکم مشتریان زیاد است احداث می گردد .

1-2-3-سیستم شعاعی (رادیال):

طرح یک سیستم شعاعی بسیار شبیه به یک درخت است شاخه های تک فاز یا سه فاز یا انشعابات جانبی مشترکی را در طول مدار تغذیه می نماید هادی شا خه اصلی بیشترین بار را حمل می کند و هر چه شا خه هااز شاخه اصلی پیشتر میروند کوچکتر میگردند معمولا طول یک فیدر به وسیله ولتاژ و بار متصل شده محدود می گردد.

1-2-4-مدار اولیه (پرایمری)حلقوی :

یک مدار حلقوی یا رینگ از پست توزیع شروع و در منطقه ای که بایستی سرویس دهد یک حلقه می سازد یعنی منطقه را دور میزند و به پست بر می گردد.
این حلقه شبیه به 2 مدار شعاعی است که انتهای انها به یکدیگر بسته شده است وقتی اشکالی در خط پیش می اید مدغار اولیه حلقوی بیشتر مشترکین را به طور خود کار یا دستی تغذیه می کند مدار شکن ها در حلقه نسب میشوند تا قسمت معیوب حلقه به طور خود کار به وسیله باز شدن هر کدام از 2 مدار شکن از حلقه مجزا شود .
رله ها وضعیت اضا فه بار را حس می کنند و موجب قطع مدار شکن ها در هر طرف محل خطا می گردد و ان تکه را جدا می نمایند . انشعابات جانبی حلقه یا رینگ معمولا شعاعی هستند عموما انشعاب زمینی به صورت حلقوی است ولی یک کلید سکسیونر یا جمپر باز در حلقه وجود دارد که موجب می شود2 طرف حلقه به صورت شعاعی تغذیه می شود .

1-2-5-شبکه اولیه (پرایمری)

شبکه اولیه در مرکز شهر که دارای بار سنگینی می باشند استفاده می شود . شکل اولیه شبیه به مدار اولیه حلقوی می باشد به استثنای این که ان حلقه از یک پست و یا یک فیدر از هر پست تغذیه می شود.

1-2-6-سیستم های هوائی و زمینی

یک سیستم توزیع ،هوائی یا زمینی و یا ترکیبی از هر دو است. سیستم های زمینی بیشتر در مراکز شهری و سیستم های هوائی در روستا ها استفاده می گردد.
مزایای سیستم هوائی عبارتند از :
? هادی سوئیچ گیر و ترانسفورهای مربئطه هزینه کمتری دارد.
? عیب یابی و تعمیرات سیستم ساده و سریع تر است.
? هزینه بسیار کمتری برای ارتقاء سیستم هوائی موجود نیاز است زیرانیاز کمتری به حفاری خیابانها، فضای سبز و سنگ جدول و غیره دارد.
مزایای سیستم زمینی نیرو عبارتند از:
? در معرض طوفان ،درختان ،حوادث اتو مبیل، شکست مقره هاو آلودگی مقره ها نیست.
? از نظر زیبایی بیشتر مورد قبول مردم است.
? در مناطق حساس و پر ترافیک مانند اطراف فرودگاه ها ضرورت دارد.
? از کابل های زیردریایی برای عبور درآب ها استفاده می شود.
? مردم کمتر در معرض شوک الکتریکی قرار می گیرند.(ایمنی بیشتری دارد)
? معمولا دوام و عمر بیشتری دارد.

1-2-7-دو نوع سیستم زمینی

معمولا دو نوع سیستم زمینی سیستم کانالو سوراخ تعمیرات(سوراخ آدم رو)و دیگری سیستم دفن مستقیم وجود دارد.از سیستم کانال و سوراخ یا دریچه تعمیرات در شهر ها استفاده می گرددزیرا کندن بتون و سنگ فرش خیابان هادر مواقع حفاری به منظور تعمیر یل ارتقاءسیستم زمینی بسیار گران تمام می شود.در این سیستم کابل های زمینی در کانال های بتونی و لوازم شبکه از قبیل ترانسفورماتورها و کلیدهای قطع ووصل در پایین از سطح زمین دئر پست قرار دارد.
سیستم دفن مستقیم بیشتر در بخش های کوچک مسکونی که کابل در زیر چمن یا خاک دفن شده استفاده می گردد. معمولا از ماسه در اطراف کابل برای جلوگیری از وارد آمدن فشار بر روی آن استفاده می شود. زیرا نقاط تحت فشار اغلب منبع خرابی کابل هستند.در سیستم دفن مستقیم نیز به هنگام عبور از عرض خیابان ها و جاده ها از کانال های مناسب نیز استفاده می گرددو ترانسفورماتور و سوئیچ گیر ها اغلب بر روی سکو های بتونی یا فلزی در سطح زمین نصب می شوند.

پست چیست؟

پست محلی است که تجهیزات انتقال انرژی درآن نصب وتبدیل ولتاژ انجاممی شودوبا استفاده از کلید ها امکان انجام مانورفراهم می شود درواقع کاراصلی پست مبدل ولتاژ یاعمل سویچینگ بوده که دربسیاری از پستها ترکیب دو حالت فوق دیده می شود.
در خطوط انتقال DC چون تلفات ناشی از افت ولتاژ ندارد وتلفات توان انتقالی بسیار پایین بوده ودر پایداری شبکه قدرت نقش مهمّی دارند لزا اخیرا ُ این پستها مورد توجه قراردارند ازاین پستها بیشتردر ولتاژهای بالا (800 کیلو ولت وبالاتر) و در خطوط طولانی به علت پایین ; بودن تلفات انتقال استفاده می شود.
درشبکهای انتقال DC درصورت استفاده ازنول زمین می توان انرژی الکتریکی دا توسط یک سیم به مصرف کننده انتقال داد.

انواع پست:

پستها را می توان ازنظر نوع وظیفه,هدف,محل نصب,نوع عایقی, به انواع مختلفی تقسیم کرد.

براساس نوع وظیفه وهدف ساخت:

پستهای افزاینده , پستهای انتقال انرژی , پستهای سویچینگ و کاهنده فوق توزیع .

براساس نوع عایقی:

پستها با عایق هوا, پستها با عایق گازی که دارای مزایای زیراست:
پایین بودن مرکز ثقل تجهیزات در نتیجه مقاوم بودن در مقابله زلزله کاهش حجم, ضریب ایمنی بسیار بالا باتوجه به اینکه همهً قسمت های برق دار و کنتاکت ها در محفظهً گازSF6 امکان آتش سوزی ندارد,
پایین بودن هزینهً نگهداری باتوجه به نیاز تعمیرات کم تر, استفاده د رمناطق بسیار آلوده و مرطوب و مرتفع .

معایب پستها با عایق گازی :

گرانی سیستم و گرانی گاز SF6 , نیاز به تخصص خاص برای نصب و تعمیرات,مشکلات حمل و نقل وآب بندی سیستم.

بر اساس نوع محل نصب تجهیزات :

نصب تجهیزات در فضای باز , نصب تجهیزات در فضای سرپوشیده .
معمولاُ پستها را از 33 کیلو ولت به بالا به صورت فضای باز ساخته وپستهای عایق گازی راچون فضای کمی دارندسرپوشیده خواهند ساخت.

اجزاع تشکیل دهنده پست :

پستهای فشار قوی از تجهیزات و قسمتهای زیر تشکیل می شود :
ترانس قدرت , ترانس زمین و مصرف داخلی , سویچگر , جبران کنندهای تون راکتیو , تاً سیسات جانبی الکتریکی ، ساختمان کنترل , سایر تاًسیسات ساختمانی .

ـ ترانس زمین:

از این ترانس در جاهایی که نقطهً اتصال زمین (نوترال) در دسترس نمی باشد که برای ایجاد نقطهً نوترال از ترانس زمین استفاده می شود
نوع اتصال در این ترانس به صورت زیکزاک Zn است .
این ترانس دارای سه سیم پیچ می باشد که سیم پیچ هر فاز به دو قسمت مساوی تقسیم می شود و انتهای نصف سیم پیچ ستون اوٌل با نصف سیم پیچ ستون دوٌم در جهت عکس سری می باشد .

ـ ترانس مصرف داخلی:

از ترانس مصرف داخلی برای تغذیه مصارف داخلی پست استفاده می شود .
تغذیه ترانس مصرف داخلی شامل قسمتهای زیر است :
تغذیه موتورپمپ تپ چنجر , تغذیه بریکرهای Kv20 , تغذیه فن و سیستم خنک کننده , شارژ باتری ها , مصارف روشنایی , تهویه ها
نوع اتصال سیم پیچ ها به صورت مثلث – ستاره با ویکتورکرو)پنوع اتصال بندی DYn11 می باشد .

ـ سویچگر:

تشکیل شده از مجموعه ای از تجهیزات که فیدرهای مختلف را به باسبار و یا باسبار ها را در نقاط مختلف به یکدیگر با ولتاژ معینی ارتباط می دهند .
در پستهای مبدل ولتاژ ممکن است از دو یا سه سویچگر با ولتاژهای مختلف استفاده شود .

ـ تجهیزات سویچگر:
باسبار:

که خود تشکیل شده از مقره ها , کلمپها , اتصالات وهادیهای باسبار که به شکل سیم یا لولهًً توخالی و غیره است .
بریکر , سکسیونر , ترانسفورماتورهای اندازه گیری وحفاظتی , تجهیزات مربوت به سیستم ارتباطی , وسایل کوپلاژ مخابراتی(که شامل : موج گیر , خازن کوپلاژ , دستگاه تطبیق امپدانس است )

برقگیر:

که برای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و برخورد صاعقه به خطوط است که در انواع میله ای , لوله ای , آرماتور , جرقه ای و مقاوتهای غیرخطی است .

ـ جبران کنندههای توان راکتیو:

جبران کننده ها شامل خازن وراکتورهای موازی می باشندکه به صورت اتصال ستاره در مدار قرار دارند و نیاز به فیدر جهت اتصال به باسبار می باشند که گاهی اوقات راکتورها در انتهای خطوط انتقال نیز نصب می شوند .

ـــ انواع راکتور ازنظر شکل عایقی :

راکتور با عایق بندی هوا , راکتور با عایق بندی روغنی .

ـــ انواع نصب راکتور سری :

راکتورسری با ژنراتور, راکتورسری باباسبار, راکتورسری با فیدرهای خروجی, راکتورسری بافیدرهای خروجی به صورت گروهی.

ـ ساختمان کنترل:

کلیهً ستگاه های اندازه گیری پارامترها, وسایل حفاظت وکنترل تجهیزات ازطریق کابلها از محوطهً بیرونی پست به داخل ساختمان کنترل ارتباط می یابد همچنین سیستمهای تغذیه جریان متناوب ومستقیم (AC,DC) درداخل ساختمان کنترل قراردارند,این ساختمان اداری تاًسیسات مورد نیازجهت کار اپراتور می باشد که قسمت های زیر را دارا می باشد :
اتاق فرمان , فیدر خانه , باطری خانه , اتاق سیستم های توضیع برق (AC,DC) , اتاق ارتباطات , دفتر , انبار و ...

ـ باطری خانه:

جهت تامین برقDC برای مصارف تغذیه رله های حفاظتی, موتورهای شارژ فنر و... مکانیزم های فرمان و روشنایی اضطراری و... نیاز به باطری خانه دارند که در اطاقکی تعدادی باطری با هم سری می شوند و دردو مجموعه معمولاً 48 و110ولتی قرارمی گیرد وهرمجموعه با یک دستگاه باطری شارژ کوپل می شوند .
ادامه دارد ....

مجتمع کردن اتوماسیون پست های برق (2)

اصول کار ترانس فورماتور :

1-تعریف ترانس فورماتور:

ترانس فورماتور از دو قسمت اصلی هسته و دو یا چند قسمت سیم پیچ که روی هسته پیچیده می شود تشکیل می شود , ترانس فورماتور یک دستگاه الکتریکی است که در اثرالقای مغناطیسی بین سیم پیچ ها انرژی الکتریکی را ازمدارسیم پیچ اولیه به ثانویه انتقال می دهد بطوری که در نوع انرژی و مقدار آن تغییر حاصل نمی شود ولی ولتاژ و جریان تغییر می کند بنابراین باصرف نظراز تلفات ترانس داریم :
P1=P2 --- V1 I1 = V2 I2= V1/V2 = I2/I1 = N1/N2
که اصول کار ترانس فورماتور براساس القای متقابل سیم پیچ ها است .

2- اجزاع ترانس فورماتور:

هسته , سیم پیچ ها , مخزن روغن , رادیاتور , بوشینگ های فشار قوی وضعیف , تپ چنجرو تابلوی مکانیزم آن , تابلوی فرمان , وسایل اندازه گیری و حفاظتی , شیرها و لوله های ارتباطی , وسایل خنک کننده ترانس جریان , شاسی و چرخ , ...

3- انواع اتصّال سیم پیچ :

اتصال سیم پیچ های اولیه و ثانویه در ترانس معمولاً به صورت ستاره مثلث , زیکزاک است .

4- ترانس فورماتورولتاژ(PT,VT):

چون ولتاژهای بالاتر از 600 V را نمی توان به صورت مستقیم بوسیله دستگاه های اندازه گیری اندازه گرفت , بنابراین لازم است که ولتاژ را کاهش دهیم تا بتوان ولتاژ را اندازه گیری نمود و یا اینکه در رله های
حفاظتی استفاده کرد ترانس فورماتور ولتاژبه این منظوراستفاده می شودکه ترانس فورماتور ولتاژ از نوع مغناطیسی دارای دو نوع سیم پیچ اولیه و ثانویه می باشد که برای ولتاژهای بین 600 V تا 132 KV استفاده می شود .

5-ترانس فورماتورجریان(CT):

جهت اندازه گیری و همچنین سیستم های حفاظتی لازم است که از مقدار جریان عبوری از خط اطلاع پیدا کرده و نظر به اینکه مستقیماً نمی شود از کل جریان خط دراین نوع دستگاه ها استفاده کرد و در فشار ضعیف و فشار قوی علاوه بر کمییت , موضوع مهم ایزوله کردن وسایل اندازه گیری و حفاظتی از اولیه است لزا بایستی به طریقی جریان را کاهش داده و از این جریان برای دستگاه های فوق استفاده کنیم واین کار توسط ترانس جریان انجام می شود .
ـــ پارامترهای اساسی یک CT :
نقطه اشباع , کلاس ودقت CT , ظرفیتCT , نسبت تبدیل CT .

6- نسبت تبدیل ترانس جریان:

جریان اولیه Ct طبق IEC 185 مطابق اعداد زیرمی باشد که اصولاً باید در انتخواب جریان اولیه یکی از اعداد زیر انتخواب شود:
10-15-20-25-30-40-50-60-75-100-125-150 Amp
درصورتیکه نیاز به جریان اولیه بیشتر باشد باید ضریبی از اعداد بالا انتخواب شود . جریان ثاویه Ct هم طبق IEC 185 مطابق اعداد زیرمی باشد : 1-2-5
برای انتخواب نسبت تبدیل Ct باید جریان اولیه را متناسب با جریان دستگاه های حفاظت شونده و یا دستگاه هایی که لازم است بار آنها اندازه گیری شود انتخواب کرد .
در موردCt تستهای مختلفی انجام می شودکه رایج ترین آنهاعبارت اند:
تست نطقه اشباع , تست نسبت تبدیل , تست عایقی اولیه و ثانویه .

7- حفاظتهای ترانس:

الف : حفا ظتهای دا خلی :
1-اتصال کوتاه :
A دستگاه حفاظت روغن (رله بوخهلتز, رله توی ب) , B دستگاه حفاظت درمقابل جریان زیاد( فیوز, رله جریان زیادی زمانی ) , C رله دیفرانسیل
2- اتصال زمین :
A مراقبت روغن با رله بوخهلتز, B رله دیفرانسیل, C سنجش جریان زمین
3-افزایش فلوی هسته :
A اورفلاکس
ب : حفا ظتهای خارجی :
1-اتصالی در شبکه :
A فیوز, B رله جریان زیاد زمانی , C رله دیستانس
2-اضافه بار :
A ترمومتر روغن و سیم پیچ , B رله جریان زیاد تاخیری , C رله توی ب , D منعکس کننده حرارتی ,
3-اضافه ولتاژ در اثر موج سیار :
A توسط انواع برق گیر
ج : خفا ظتهای غیر الکتریکی :
1- کمبود روغن : رله بوخهلتز ,
2-قطع دستگاه خنک کن
4-نقص در تپ چنجر : رله تخله فشار یا گاز

انواع زمین کردن :

1- زمین کردن حفاظتی:
زمین کردن حفاظتی عبارت است از زمین کردن کلیه قطعات فلزی تاًسیسات الکتریکی که در ارتباط مستقیم ( فلزبه فلز ) با مدار الکتریکی قرار ندارد .
این زمین کردن بخصوص برای حفاظت اشخاص درمقابل اختلاف سطح تماس زیاد به کار گرفته می شود .
2-زمین کردن الکتریکی:
زمین کردن الکتریکی یعنی زمین کردن نقطه ای از دستگاه های الکتریکی و ادوات برقی که جزئی ازمدارالکتریکی می باشد.
مثل زمین کردن مرکز ستارهً سیم پیچ ترانسفورماتور یا ژنراتور .
که این زمین کردن بخاطرکارصحیح دستگاه و جلوگیری از ازدیاد فشار الکتریکی فازهای سالم نسبت به زمین در موقع تماس یکی از فازهای دیگر با زمین .
3- روشهای زمین کردن:
ـــ روش مستقیم :
مثل وصل مستقیم نقطه صفر ترانس یا نقطه ای از سیم رابط بین ژنراتور جریان دائم به زمین .
ـــ روش غیر مستقیم :
مثل وصل نقطه صفر ژنراتور توسط یک مقاومت بزرگ به زمین یا اتصال نقطه صفر ستاره ترانس توسط سلف پترزن (پیچک محدود کننده جریان زمین(
ـ زمین کردن بار:
باید نقطه صفریااصولاً هرنقطه از شبکه که پتانسیل نسبت به زمین دارد توسط یک فیوز فشارقوی (الکترود جرقه گیر) به زمین وصل می شود.
ولتاژهای کمکی :
1ـ ولتاژکمکی (DC 110):
این ولتاژ درپستها یکی از پر اهمیت ترین ولتاژهای مورد نیاز تجهیزات است . کلیه فرامین قطع و وصل بریکر وتغذیه اکثر رله های موجود در هر پست ازهمین منبع تامین می شود .
این ولتاژ توسط یک دستگاه شارژر سه فاز و یک مجموعه 10 ستی باطری12 ولتی به آمپراژ 165 آمپر ساعت , یک تغذیه حفاظتی مطمئن را به وجود میآورد.
ولتاژ 110 ولتی مستقیم وارد تابلوی توضیع DC به مشخصه (+SB) شده واز آنجا جهت مصارف گوناگون از جمله کلیه فرامین قطع و وصل, تغذیه موتور شارژ فنر بریکرهای KV 63 , تغذیه سیستم اضطراری روشنایی توضیع می شود ضمناً هر خط تغذیه مجهز به فیوزهای مجزامی باشد .
2ـ ولتاژکمکی (AC):
ولتاژ کمکی متناوبV 380/220 , توسط ترانس های کمکی هریک به قدرت KVA 100تامین می گردد که سمت اولیه KV 20 توسط فیوزــ های10A/20KV حفاظت می شود .
مراحل ورود ولتاژ کمکی به تابلوی توزیع به این ترتیب است که ولتاژ وارد باکس (AL – T– QS – Q ) داخل محوطه می شود که خود باکس شامل کلید پاپیونی , فیوزهای کتابی و بریکر V400 می باشد .
سپس توسط کابل وارد تابلوی توزیع +SA شده و از طریق کلیدهای پاپیونی که به طور مکانیکی با هم اینترلاک شده اند وارد باسبار توزیع می شود , ولتاژ متناوب V380/220 جهت تغذیه سیستم های روشنایی وگرمایی وموتورهای شارژ بریکرهای KV20,موتورتپ چنجرترانس و شارژها و ... استفاده می شود.

اندازه گیری :

دستگاهای اندازه گیری روی تابلو کنترل برای قسمتهای مختلف شامل:
ـــ فیدر ورودیKV63 شامل آمپرمتر با سلکتورسویچ ( تعیین بالانس بودن یا نبودن فازها ) , ولتمتر با سلکتورسویچ .
ـــ فیدر ورودی KV20 شامل آمپرمتر با سلکتور , ولتمتر با سلکتور مگاوات متر و مگاوار متر .
ـــ فیدر خروجی KV20 شامل آمپرمتر با سلکتورسویچ فازها .
ـــ فیدرورودی KV20 درداخل فیدر خانه شامل آمپرمتربا سلکتورسویچ , ولتمتر با سلکتورسویچ .

اینترلاکها :

اینترلاکها به دو دسته الکتریکی و مکانیکی تقسیم می شوند و جهت جلوگیری از عملکردهای ناصحیح تعبیه شده اند .
ـــ اینترلاکهای یک بی خط KV63 : اینترلاک الکتریکی بین سکسیونرزمین خط و ترانس ولتاژ تعبیه شده و تازمانیکه ترانس ولتاژ تحت ولتاژ شبکه باشد , اجازه بستن به سکسیونر زمین خط داده نمی شود .
اینترلاک الکتریکی بین دو سکسیونر طرفین بریکر یک بی خط kv63 تا زمانیکه بریکر در حالت قطع قرار نگیرد اجازه باز یا بسته شدن به سکسیونرطرفین داده نمی شود .
ـــ اینترلاکهای یک KV63 ترانس فورماتور : اینترلاک الکتریکی بین بریکر KV63 وسکسیونر بی ترانس تا موقعی که بریکر در خالت قطع نباشد اجازه باز یا بسته شدن به سکسیونر داده نمی شود .
ـــ اینترلاکهای یک KV20 ترانس فورماتور: اینترلاک مکانیکی بریکر کشویی ورودی KV20 تاهنگامی که بریکر در حالت وصل باشد , پین انترلاک که در قسمت زیر بریکربین دو چرخ عقب بریکر کشویی قرار دارد , اجازهداخل یا خارج شدن از فیدر را نمی دهد . هنگامی که بریکردر مدار وصل است پین مربوطه پشت نبشی که در قسمت کف فیدر پیچ است قراردارد واجازه خارج شدن بریکررانمی دهد .
اینترلاک الکتریکی بین سکسیونر ارت سرکابل ورودی KV20 از ترانسفورماتور و بریکرهای KV20 و KV63همان ترانس به این ترتیب است که تا موقعی که دو بریکر یاد شده درحالت قطع نباشد , اجازه بستن به سکسیونر زمین سرکابل KV20 داده نمی شود .
ضمناً تازمانیکه سرکابل ورودی KV20 زمین باشد بریکرهای KV20 و KV63 فرمان وصل قبول نمی کند .
ـــ انترلاک باس شکن KV63: اینترلاک الکتریکی بین چهار بریکر 63 کیلو ولت قطع نباشند , اجازه بستن ویا باز کردن سکسیونر باس سکشن داده نمیشود .
همچنین در صورتی که هرچهار بریکر 63 کیلو ولت قطع باشد , اجازه باز و بسته شدن به سکسیونر باس شکن داده میشود .
ـــ اینترلاک سکسیونر زمین باسبار 20 کیلو ولت : در صورتی به سکسیونر زمین باسبار 20 کیلو ولت اجازه بسته شدن داده می شود که کلیه بریکرها همان باس (خروجی ها ,ورودی ها و باس کوپلر ) قطع باشند و سوکت بریکرهای انها نیز وصل باشد.
ـــ اینترلاک کلیدهای 400 ولت AC :
اینترلاک الکتریکی بین دو بریکر 400 ولت ترانسهای کمکی: بدین ترتیب که همیشه فقط یک بریکر میتواند در حالت وصل باشد.
اینترلاک مکانیکی بین دو کلید پاپیونی روی تابو توزیع SA + طوری است که فقط یک کلید حالت وصل باشد.

حفاظت:

یک سیستم حفاظتی کامل شامل :
-1 ترانسهای جریان و ولتاژ
-2 رله های حفاظتی (تصمیم گیرنده وصدور فرمان)
-3 کلید های قدرت
ـــ حفاظت های یک پست 63 کیلو ولت ASEA شامل:
1ـ حفاظت های خط 63 کیلو ولت : دیستانس بعنوان حفاظت اصلی و اورکارنت پشتیبان
2ـ حفاظت های یک 63 کیلو ولت ترانس : اورکانت و REF )حفاظت های خارجی (
3ـ حفاظت های یک 20 کیلوولت ورودی ترانس : دایر کشنال اورکانت – ارت فالت – REF و اندرولتاژ
4ـ حفاظت های داخلی ترانس قدرت : رله بوخلس – شاخص سطح روغن – شاخص حرارت روغن – شاخص حرارت سیم پیچ – دریچه تنفسی – فشار زیاد داخل تپ چنجر که ناشی از ازدیاد گازها در اثر اتصالی بوجود میایند.
5ـ حفاظت های یک 20کیلوولت خروجی: اورکانت – ارت فالت
6ـ حفاظت باس کوپلر 20 کیلوولت:اورکانت-ارت فالت – دایرکشنال
7ـ حفاظت های ترانس کمکی: شاخص حرارت روغن ورله بوخهلتز
8ـ حفاظت های بریکر400 ولت AC : جریان زیاد ـــ رلهً حرارتی
9ـ رله سوپرویژن جهت کنترل و مراقبت مدارات قطع بریکرهای 63 ورودی و ترانس وهمچنین ورودی KV20 ترانس قدرت .
رله های 63kv , 20kv REF در صورت به هم خوردن تعادل جریانی فازهای سیم پیچ واختلاف زاویهً 120 درجه بین فازها و در
نتیجه جریان دار شدن نقطه صفر سیم پیچ , عملکرد رله REF را بدنبال خواهد داشت .

عملکرد رلهً بوخهلتز:

در صورت بروز اتصال در داخل ترانس و متصاعد شدن گاز و همچنین حرکت سریع روغن , منجر به عملکرد رلهً بوخهلتز خواهد شد, که با توجه به شدت اتصال مدارات آلارم وتریپ به ترتیب بسته می شوند .
پیش از برق دارکردن باید حرارتهای سیم پیچ و روغن کنترل شود .

سیستم آلارم:

بطور کلی هدف از کاربرد سیستم آلارم و سیگنال در پستهای فشارقوی آشکارساختن خطاها ومعایب بوده و در صورتیکه بهره بردار هنگام کار و مانور دچارخطا شود سیستم آلارم بهره بردار را مطلع وکمک می کند تا سریع تر خطا و عیب مشخص و قسمت معیوب در صورت نیاز مجزا واقدامات لازم انجام گردد .
خطا یا فالت با آلارم (بوق) شروع و همزمان سیگنال چشمکزن مربوطه در پانل آلارم ظاهر می گردد .
وظیفه بهره بردار در این مواقع به این ترتیب است که , ابتدا بوق را با دکمه پوش باتون(ALARM,STOP) قطع می نماید سپس کلیه سیگنال های ظاهر شده را کامل یادداشت نموده , بعد از آن دکمه (ACCEPT)
را جهت پذیرفتن یا ثابت نمودن سیگنال فشار می دهیم .
اگر فالت گذرا باشد , که سیگنال ریست شده و در صورتیکه فالت پایدار باشد , سیگنال ثابت میگردد .
مرحلهً بعدی پیگیری وبرسی جهت برطرف نمودن خطا می باشد .

تشریح سیگنالهای پست kv63 :

-1 آ لارم وسیگنالهای نمونه ـــ یک بی خط KV63 .
-2 آلارم وسیگنالهای نمونه ـــ یک ترانسفورماتور 63/20 KV .
- 3آلارم وسیگنالهای نمونه ـــ قسمت 20 KV .
-4 آلارم وسیگنالهای نمونه ـــ یک ترانسفورماتور کمکی ویک ترانسفورماتورارتینگ .
- 5 آلارم وسیگنالهای عمومی .

مراحل مانور:

-1 مراحل بی برق نمودن یک بی خط KV63 ونحوهً زمین :
قطع بریکر خط , آرزمایش توسط سلکتور سویچ آمپرمتر , باز نمودن سکسیونرهای طرفین بریکر , آ زمایش خط توسط فازمتر , سلکتور ولتمتر خط , بستن سکسیونر زمین , نصب تابلوهای ایمنی روی تابلوی فرمان وکشیدن نوار حفاظتی در محدوده کار گروه .
2- مراحل بی برق نمودن یک خط KV 20 و نحوه زمین :
قطع بریکر خط , آرزمایش توسط سلکتور سویچ آمپرمتر, بیرون آوردن بریکر کشویی از داخل فیدر, آزمایش سر کابل خط توسط فازمتر, بستن کابل ارت به قسمت زمین فیدروتخلیه فازها با استفاده ازفازوسط , نصب تابلو ایمنی وهشدار دهنده روی فیدر وتابلوی فرمان بغل کلید مربوطه .
3ـ مراحل بی برق نمودن
یک ترانس قدرت :
ـــ جابجایی تغذیه ولتاژ V400 کمکی در صورت نیاز .
ـــ جابجایی تپ چنجرترانس ها
ـــ کنترل مقدار بار ترانس ها و امکان مانور بدون خاموشی .
ـــ قطع بریکر KV20 , قطع بریکر KV63 , خارج نمودن بریکر کشویی ورودی KV20 , بازنمودن سکسیونر KV63 ترانس یاد شده
قطع کلید پاپییونیV400 بیرونی, زمین نمودن سرکابلKV20 ازطریق اتصال زمین سرکابل ورودی,بستن کابل ارت سمتKV63ترانس قدرت و جدا نمودن قسمتهای برق دار از قسمتهای بی برق با علائم ایمنی .
4ـ مراحل بی برق نمودن باس بار KV20 جهت کارگروه :
قطع کلید بریکر و فیوز تغذیه بریکر , ثبت بار وثبت زمان قطع بریکر

مجتمع کردن اتوماسیون پستهای برق ISCS

ارسال شده در چهارشنبه 15 اسفند ماه 1386 توسط whiteapple
با تمام این مزایا ISCS در آمریکای شمالی پیشرفت چشمگیری نداشته و یکی از دلایل عمده آن این است که رابطهای سخت‌افزاری و پروتکلها برای IED ها استاندارد نشده‌اند. البته زمان زیادی برای وضع استانداردها برای IEDها صرف شده است اما علیرغم فوری بودن این مساله هنوز توسط صنایع، استاندارد مشخصی پذیرفته نشده است. برخی استانداردها در این زمینه عبارتند از (UCA2.0)، Profibus (از IEC) و (DNP 3.0).
به جای استفاده از یک سخت‌افزار جانبی و یک پروتکل برای هر IED، می‌توان از gateway استفاده کرد. gateway به عنوان یک مبدل پروتکل عمل می‌کند. با استفاده از gateway می‌توان IEDهای شرکتهای مختلف را به هم مربوط کرد. مثلاً رله‌های حفاظتی از یک شرکت، سیستم مونیتورینگ از شرکت دیگری و سیستمهای PLC از شرکت دیگری باشد.
موضوع مهمی که در مجتمع کردن IED در یک سیستم کنترل دستگاهی باید مورد توجه قرار گیرد این است که بسیاری از IEDها تنها دارای یک پورت ارتباطی هستند و موقع ارسال فرمان توسط کاربر یا عامل به IED، داده‌های دیگر برای IED قابل دسترس نیستند. این وضعیت برای حالتی که این داده‌ها برای عملیات زمان حاضر لازم باشند، یک وضعیت بحرانی است. سیستم باید بتواند این شرایط را تشخیص داده و به دیگر عاملان سیستم اعلام کند. درحال حاضر بسیاری از سازندگان IED محصولات خود را با دو پورت (ورودی – خروجی) تولید می‌کنند تا ازاین مشکل جلوگیری شود.
در ISCS نیاز به یک شبکه ارتباطی داریم و شبکه محلی (LAN) توپولوژی مناسبی است. در یک شبکه محلی سرعت مسیر ارتباطی باید بالا باشد. برای حفاظت ایستگاه، زمان انتقال باید 2تا 4 میلی‌ثانیه باشد و باید زمان انتقال بدترین حالت، محدود و قابل پیش‌بینی باشد. (دقت در حد میلی ثانیه بندرت در پروتکلهای LAN سطح بالا رعایت می‌شود). LAN باید قابلیت سنکرون کردن را داشته باشد. این یک قابلیت حیاتی برای سیستمهای امروزی است تا بتوانند حوادث گذشته را تحلیل کنند و ترتیب اتفاقات (متوالی) در یک سیستم را مشخص کنند.
رابطه انسان و ماشین شاید مهمترین قسمت در کل ISCS باشد. اطلاعات باید به صورت واضح و با یک روش مناسب، بدون هیچ خطا و ابهامی برای کاربر بیان شود. در حال حاضر PC برای این کار انتخاب شده است.
آنچه سرمایه‌گذاری برای ISCS را توجیه می‌کند این است که بتواند از نرم‌افزارهای نگهداری و بهره‌برداری به خوبی استفاده کند. نرم‌افزارهای در دسترس یا در حال توسعه تحت این عناوین طبقه‌بندی می‌شوند:
برای افزایش بازدهی نظیر کاهش VAR متعادل کردن بار فیدر و بار انتقالی
برای قابلیت اطمینان نظیر تشخیص خطا، مدیریت بار و کلید‌زنی خازنها و بار انتقالی
برای کاهش نگهداری سیستم نظیر ثبت دیجیتالی خطاها و ضبط ترتیب حوادث و وقایع
پیش‌بینی قانونمند نگهداری سیستم که این مورد هنوز یک فن‌آوری نوظهور است.
در ISCS به دلیل قابلیت اطمینان باید سیستم تغذیه مجهز به UPS باشد و وسایل و تجهیزات حیاتی از پشتیبان همزمان و موازی برخوردار باشند. (Redundancy)
سیستمهای کامپیوتری اتوماسیون پستها حداقل ازپنج سال پیش، نصب شده‌اند. برای پاسخگویی به برخی مسائل نظیر ایمنی کارکنان که باطیف وسیعی از تجهیزات برقی سروکار دارند. افزایش بازده کاری و صرفه‌جویی در سرمایه باعث شده تا بسیاری از شرکتها به سیستمهایی با رابط تصویری (CRT) برای کاربران رو بیاورند.
(Person Machine Interface) PMI برای کاربران به عنوان یک جایگاه عملیاتی است تا هم شرایط پستها را نظارت کنند و هم از طریق آن عملیات معمول یا اضطراری مربوط به کلیدها را انجام دهند.
در حقیقت PMI تنها قسمتی از یک سیستم کنترل مجتمع اتوماسیون یک پست برق است و سایر قسمتها عبارتند از:
وسایل الکترونیکی هوشمند IED، شبکه‌های ارتباطی، سایتهای کامپیوتر و سیستمهای عامل.
در این مقاله مزایا و معایب واقعی و پیشنهادی PMI بررسی و چگونگی به کارگیری ومجتمع‌ کردن تکنولوژی‌های قسمتهای مختلف و روش رفع موانع آن در یک سیستم کنترل پست برق تحلیل می‌شود.

حرکت به سمت استفاده بدون خطر از تجهیزات

به خاطر اینکه هر وسیله، مشخصات فنی خاص خود را دراد و صنعت‌برق در بسیاری از جاها با طیف وسیعی از تجهیزات برقی مربوط به سالهای مختلف روبروست و به لحاظ ایمنی کارکنان عملیاتی سیستم، به خصوص در محدوده پستها، این کارکنان تنها روی چند وسیله محدود کار می‌کنند (تا خوب به آن مسلط باشند). این مساله باعث می‌شود که قابلیت انعطاف سیستم اداری کارکنان کم شود، یعنی شرایط استخدام مشکلو هزینه آموزش و تربیت نیروی ماهر زیاد می‌شود. پیش‌بینی می‌شودکه پیشرفت شغلی آن دسته از کارکنانی که آموزشهای اضافی (و به روز) می‌بینند، محدود شده و این باعث افزایش خطرپذیری آنها در کارهای عملیاتی شود.
برخی شرکتهای برق برای انجام عملیات در محوطه پست ها، یک PMI در اختیار کارکنان قرار می دهند تا کارکنان بتوانند از طریق آن به قطع‌کننده‌ها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات فرمان قطع و وصل بدند. PMI اپراتور را از حرکت در اطراف پست بی‌نیاز می‌کند و در نتیجه خطراتی که متوجه افراد است ر ا کاهش می‌دهد.

مزایای واقعی

به خاطر هزینه زیاد تجهیزات و (معمولاً) رشد کم تقاضای (مصرف) سیستم، کمتر اتفاق می‌افتد که تجهیزات دو پست کاملاً یکسان باشد. بنابراین اگرتجهزات از سازندگان مختلفی تهیه شوند که تکنولوژی، رابطها و پیکربندی وسایل آنها با یکدیگر اختلاف داشته باشد، امری عادی است. حتی برای تجهیزات یکسان، تنظیم‌های عملیاتی (مانند محدودکننده‌های بار و تنظیم‌های حفاظت) برای هر وسیله به صورت اختصاصی تنظیم می شود. در نتیجه به خاطر ایمنی کارکنان عملیاتی سیستم، به خصوص در محدوده پستها، آنها تنها روی جند وسیله محدود کار می‌کنند (تا خوب به آن مسلط باشند). PMI اپراتور را از حرکت در اطراف تجهیزات بی‌نیاز می‌کند و در نتیجه خطرات را کاهش می‌دهد این بحث در سالهای آینده یکی از مباحث مهم ایمنی و سلامت شغلی است. به خصوص در پستهای قدیمی که قطع‌کننده‌های مدار برای فرونشاندن قوس ناشی از قطع‌کننده‌ها،‌ امکانات کافی ندارند.
با بالا رفتن سرعت و صحت عمل کارکنان، شرکتها می‌توانند از کارکنان خبره در قسمتهای دیگر سیستم نیز استفاده کنند و بازده کاری افراد بالا می‌رود.
تابلوهای mimic که فن‌آوری قبلی مورد استفاده در پستها بود، دو اشکال اساسی دارند. یکی اینکه آنها از تعداد زیادی اجزای جداگانه تشکیل شده است که نیاز به نگهداری زیادی دارد. دیگر اینکه اضافه کردن یک نمایشگر یا کنترل‌کننده به سیستم خیلی پرهزینه است.
PMI این معایب را ندارد، میزان خرابی نرم‌افزار و سخت‌افزار مربوط به آن (پس از نصب و آزمایش) خیلی کم است. تنها قسمتی که احتمال بیشترین خرابی را دارد صفحه نمایش است. اما چون در مواقعی که استفاده نمی‌شود معمولاً خاموش است. در مقایسه با صفحات نمایش با کاربردهای معمول، عمر بیشتری دارد. همچنین در مقایسه با روش تابلو mimic از نظر فضا صرفه‌جویی زیادی دارد و اگر برای اتوماسیون یک پست جدید از این روش استفاده کنیم. از نظر کار ساختمانی نیز صرفه‌جویی اساسی می‌شود. با واگذاری عملیاتهایی نظیر تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور و مدیریت بار به نرم‌افزار، کاهش بیشتری در تعداد تجهیزات امکان‌پذیر می‌شود. کمتر شدن تجهیزات نظارت و کنترل به معنی کاهش هزینه‌های نگهداری است.
اتوماسیون پستهای مبتنی بر نرم‌افزار، می‌تواند فرصت خود چک کردن و تشخیص خطای قابل ملاحظه‌ای را فراهم کند. مثلاً اشکالات ولتاژ را تشخیص دهد و به سایر اپراتورهای محلی یا دورتر اعلام کند. از دیگر امکانات PMI بیان راحت و ساده امکانات تصویری مانند طرح و صفحه تصویر رنگها، قلمها، نشانه‌های تجهیزات و متحرک‌سازی (برخی فرایندهای سیستم) است.
اپراتورهای پستهای امروزی، ممکن است فردا اپراتورهای مرکز کنترل باشند، لذا کار روزمره با PMI حداقل فایده‌ای که برای شرکت و خود او دارد، آمادگی بیشتر برای آموزشهای آینده است. اپراتورهای پستهای امروزی، ممکن است فردا اپراتورهای مرکز کنترل باشند. لذا کار روزمره با PMI حداقل فایده ای که برای شرکت و خود او دارد. آمادگی بیشتر برای آموزشهای آینده است. اپراتورهای پست های امروزی، ممکن است فردا اپراتورهای مرکز کنترل باشند. لذا کار روزمره با PMI حداقل فایده ای که برای شرکت و خود او دارد آمادگی بیشتر برای آموزشهای آینده است.
در بعضی از سیستمها، می‌توان در یک زمان اطلاعات سیستم را هم به سیستم محلی و هم به ایستگاه مرکزی ارسال کرد. در این حالت ایمنی ذاتی سیستم به خاطر اینکه دو اپراتور به اطلاعات یکسانی از سیستم دسترسی دارند بیشتر می‌شود. البته دو اپراتوری بودن سیستم همه‌جا مناسب نیست. پارامترهایی مانند مباحث کاری، ظرفیت و انعطاف‌پذیری ایستگاه اصلی و نرم‌افزار ایستگاه فرعی، پروتکل ارتباط و محدودیتهای باند فرکانسی مهمترین مباحثی هستند که در هر وضعیت و حالتی باید موردتوجه قرار گیرد.

معایب

با گسترش ایستگاههای کامپیوتری، شرکت‌ها مجبورند افرادی را که توانایی نگهداری و ایجاد سیستم (یا حداقل توانایی تغییر پیکربندی سیستم) PMI را دارند به کار گیرند. افرادی با این مهارت‌ها طبیعتاً خیلی ماندگار نیستند و این در درازمدت ممکن است به یک مشکل تبدیل شود و شرکت‌ها مجبور شوند از افراد یکدیگر به صورت نوبت کار استفاده کنند.
PMI برخی هزینه‌های کوچک به سیستم تحمیل می‌کند نظیر هزینه‌های سخت‌افزار PC، هزینه طراحی اولیه و هزینه نگهداری بعدی از سیستم PMI، اما این هزینه‌ها با مزایای آن جبران می‌شود. ضمن اینکه افزایش سرعت عملیاتی، ایمنی و قابلیت اطمینان که به خاطر استفاده از PMI حاصل می‌شود، ممکن است فواید پنهان دیگری نیز در برداشته باشد، مانند: کاهش اضطراب کارکنان عملیاتی و افزایش رضایت مشتری.
ادامه دارد ......

بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورها (1)

روش‎‎های کاهش مصرف انرژی الکتریکی موتورها

موتورها مصرف‎‎کننده‎‎های عمده برق در اغلب کارخانه‎‎ها هستند. وظیفه یک موتورالکتریکی تبدیل انرژی الکتریسیته به‎ انرژی مکانیکی است. در یک موتور سه‎‎فاز AC جریان از سیم‎‎پیچ‎‎های موتور عبور کرده و باعث ایجاد میدان مغناطیسی دواری می‎شود که این میدان مغناطیسی محور موتور را می‎‎چرخاند. موتورها به‎‎‎گونه‎‎ای طراحی شده‎‎اند که این وظیفه را به‎‎‎خوبی انجام دهند. مهم‎‎ترین و ابتدایی‎‎ترین گزینه صرفه‎‎جویی در موتورها مربوط‎‎به‎ انتخاب آنها و استفاده از آنها می‎‎باشد.

1-هرزگردی موتورها

بیشترین صرفه‎‎جویی مستقیم برق را می‎‎توان با خاموش کردن موتورهای بی‎‎بار و درنتیجه حذف تلفات بی‎‎باری به‎‎‎دست آورد. روش ساده آن درعمل نظارت دایم یا کنترل اتوماتیک است. اغلب به‎ مصرف برق در بی‎‎باری اهمیت چندانی داده نمی‎‎شود درحالی‎‎که غالباً جریان در بی‎‎باری حدود جریان در بار کامل است.
مثالی از این نوع تلفات را می‎‎توان در واحدهای بافندگی یافت، جایی‎‎که ماشین‎‎های دوزندگی معمولاً برای دوره‎‎های کوتاهی کار می‎‎کنند. اگرچه موتورهای این ماشین‎‎ها نسبتاً کوچک هستند (1.3 اسب بخار) ولی چون تعداد آنها زیاد است (معمولاً تعداد آنها در یک کارخانه به‎ صدها عدد می‎‎رسد) اندازه این تلفات قابل‎‎ملاحظه است. اگر فرض کنیم 200 موتور 1.3 اسب‎‎بخار در 90درصد زمان هرزگرد بوده و باری معادل 80درصد بار کامل بکشند، هزینه کار بیهوده موتورها با درنظر گرفتن 120ریال بهای واحد انرژی الکتریکی ، به‎‎‎شکل زیر محاسبه می‎شود:
هزینه بی‎‎باری = 200موتور×3/1 اسب‎‎بخار × 80% بار × 6000ساعت در سال × 90% بی‎‎باری ×120ریال= 25میلیون ریال
با اتصال یک سوئیچ به‎ پدال چرخ‎‎ها می‎‎توان آنها را به‎‎‎طور اتوماتیک خاموش کرد.

2-کاهش بازده در کم‎‎باری

وقتی از موتوری استفاده شود که مشخصات نامی بالاتر از مقدار مورد نیاز را داشته باشد، موتور در بارکامل کار نمی‎‎کند و در این‎‎حالت بازده موتور کاهش می‎‎یابد.
استفاده از موتورهای بزرگتر از اندازه موردنیاز معمولاً به‎ دلایل زیر است :
- ممکن است پرسنل مقدار بار واقعی را ندانند و بنابه احتیاط موتوری بزرگتر از اندازه موردنیاز انتخاب شود
- طراح یا سازنده برای اطمینان از اینکه موتور توان کافی را داشته باشد، موتوری بسیار بزرگتر از اندازه واقعی موردنیاز پیشنهاد ‎‎کند و بار حداکثر درعمل به‎‎‎ندرت اتفاق ‎‎افتد. به‎‎‎علاوه اغلب موتورها می‎‎توانند برای دوره‎‎های کوتاه در باری بیشتر از بار کامل نامی کار کنند.
درصورت تعدد این وسایل اهمیت مسئله بیشتر می‎شود)
- وقتی موتور با مشخصات نامی موردنظر در دسترس نیست یک موتور بزرگتر نصب می‎شود و حتی وقتی موتوری با اندازه نامی موردنظر پیدا می‎شود جایگزین نشده و موتور بزرگ همچنان به‎ کار خود ادامه می‎‎دهد.
- به‎‎‎خاطر افزایش غیرمنتظره در بار که ممکن است هیچگاه هم رخ ندهد یک موتور بزرگتر انتخاب می‎شود.
- نیازهای فرآیند تولیدی کاهش یافته است
در برخی بارها گشتاور راه‎‎انداز بسیار بیشتر از گشتاور دورنامی است و باعث می‎شود موتور بزرگتر به‎‎‎کار گرفته شوند.
باید مطمئن شد هیچ کدام از این موارد موجب استفاده از موتورهایی بزرگتر از اندازه و درنتیجه کاهش بازده نشده باشند.
جایگزینی موتورهای کم‎‎بار با موتورهای کوچکتر باعث می‎شود که موتور کوچکتر با بار کامل دارای بازده بیشتری باشد. این جایگزینی معمولاً برای موتورهای بزرگتر وقتی در 3/1 تا نصف ظرفیت‎‎شان (بسته به‎ اندازه‎‎شان) کار می‎‎کنند اقتصادی است.
برای تشخیص موتورهای بزرگتر از ظرفیت مورد نیاز به‎ اندازه‎گیری‎‎ الکتریکی احتیاج است. وات‎‎متر مناسب‎‎ترین وسیله‎‎است.
روش دیگر، اندازه‎گیری سرعت واقعی و مقایسه آن با سرعت نامی است. بار جزئی به‎‎‎عنوان درصدی از بار کامل نامی را می‎‎توان از تقسیم شیب(سرعت) عملیات بر شیب بار کامل به‎‎‎دست آورد. رابطه بین بار و شیب تقریباً خطی است. معمولاً در این موارد می‎‎توان برای جلوگیری از سرمایه‎‎گذاری جدید اینگونه موتورها را با دیگر موتورهای موجود در کارخانه جایگزین نمود که تنها هزینه آن اتصالات و صفحه‎‎های تنظیم‎‎کننده هستند. اگر این تغییرات را بتوان همزمان با تعمیرات برنامه‎‎ریزی‎‎شده در کارخانه انجام داد بازهم هزینه‎‎ها کاهش می‎‎یابد.

3-موتورهای پربازده

بازگشت سرمایه قیمت اضافی پرداختی جهت خرید موتورهای پربازده، معمولاً کمتراز دو سال کارکرد موتور به‎‎‎ازای 4000 ساعت کارکرد سالانه و در 75درصد بار می‎باشد. (بازگشت سرمایه نسبت به‎ موتورهای قدیمی و غیر استاندارد به‎ کمتر از شش ماه نیز می‎‎رسد) درمواردی که بار موتور سبک یا ساعت کارکرد آن کم است یا بارهای تناوبی استثنائاتی وجود دارد. بیشترین صرفه‎‎جویی در رنج موتورهای 1 تا 20 اسب‎‎بخار به‎‎‎دست می‎‎آید. در توان بیشتر از 20 اسب‎‎بخار افزایش بازده کاهش می‎‎یابد و موتورهای موجود بیش از 200 اسب‎‎بخار تقریباً دارای بازده کافی هستند.
سازندگان معمولاً موتورهای با طراحی استاندارد و قیمت تمام‎‎شده کم‎‎تر را عرضه می‎‎کنند. به‎‎‎خاطر رقابت شدید این نوع موتورها بازده کمی دارند. آنها ضریب قدرت پایین‎‎تری دارند، قابل تعمیر نبوده و نمی‎‎توان به‎‎‎راحتی سیم‎‎پیچ آنها را مجدداً پیچید.
در موتورهای پربازده با استفاده از ورقه‎‎های استیل نازکتر در استاتور و روتور، استفاده از استیل با خواص الکترومغناطیسی بهتر، استفاده از فن‎‎های کوچکتر با بازده بیشتر و بهبود طراحی شکاف روتور بازده افزایش یافته است. تمام این روش‎‎ها باعث افزایش مصرف مواد اولیه و درنتیجه افزایش هزینه‎‎ مواد یا هزینه‎‎های ساخت می‎شود و بنابراین قیمت تمام شده موتور زیاد می‎شود. بااین وجود 30-20 درصد اضافه هزینه اولیه با کاهش هزینه‎‎های عملیاتی جبران می‎شود. از دیگر مزایای موتورهای پربازده اثر کم بر عملکرد موتور به‎‎‎هنگام نوسانات ولتاژ و بار جزئی است.
محاسبه بازگشت هزینه این موتورها به‎‎‎خاطر متغیرهای درگیر پیچیده است. برای تعیین هزینه عملیاتی موتور باید توان مصرفی توسط موتور در ساعات کار آن و قیمت انرژی الکتریکی ضرب شود. هریک از این فاکتورها متغیرهای مخصوص به‎‎‎خود را دارند که شامل تغییر در برنامه زمانبندی تولید، تغییر در بار موتور و جریمه‎‎های دیماند می‎‎باشند. پرداختن به‎ برخی از این عوامل مشکل است.
حتی وقتی میزان صرفه‎‎جویی محاسبه می‎شود از آنجاکه بازده واقعی یک موتور معمولاً ناشناخته است ممکن است این محاسبات دچار خطا شوند. چون همه سازنده‎‎ها از تکنیک‎‎‎‎های یکسانی برای اندازه‎گیری بازده موتورها استفاده نمی‎‎کنند ، بنابراین مشخصات نامی درج‎‎شده بروی پلاک را نمی‎‎‎توان با هم مقایسه کرد. به‎عنوان نمونه در آمریکا منظور بیشتر سازنده‎‎ها‎‎ از بازده نامی رنجی از بازده‎‎ها است که بازده موتور در آن قرار می‎‎گیرد. از تکنیک‎‎های آماری مختلفی برای تعیین حداقل بازده یک موتور با هر بازده نامی استفاده می‎شود. به‎‎‎عنوان مثال یک موتور با بازده نامی 90.2 % دارای حداقل بازده نامی 88.5 % است.
عده زیادی موتورهای پربازده را بدون اینکه درصدد توجیه برگشت هزینه آن باشند ، استفاده می‎کنند ، مگر درمورد موتورهای بزرگتر. معمولاً مدت بازگشت هزینه تقریباً یک سال است.
بازده موتورها از مشخصات نامی آنها متفاوت است(به‎‎‎دست نمی‎‎آید). مثلاً یک موتور 100-hp.1800-rpm سرپوشیده با فن خنک‎‎ساز از یک سازنده دارای یک حداقل بازده تضمین‎‎شده معادل 90.2درصد در بار کامل در مدل استاندارد و 94.3درصد در مدل بازده بالا است. موتور هم‎‎اندازه آن از یک سازنده دیگر دارای همان بازده 90.2درصد در مدل استاندارد و حداقل بازده 91درصد در مدل بازده بالا است. برای تعیین بازده واقعی یک موتور خاص باید از تجهیزات تست پیچیده‎‎ای استفاده کرد.
به‎‎‎خاطر این اختلاف‎‎ها، به‎‎‎هنگام ارزیابی میزان صرفه‎‎جویی، استفاده از حداقل بازده تضمین‎‎شده قابل اطمینان‎‎تر است چون همه موتورها باید برابر یا بزرگتر از این اندازه باشند.

4-درایوهای تنظیم سرعت

وقتی تجهیزات بتوانند در سرعت کاهش‎‎یافته کار کنند چند گزینه قابل انتخاب است.
مثال‎‎های ذیل نمونه‎‎هایی برای همه صنایع هستند

4-1 موتورهای AC فرکانس متغیر (با تنظیم فرکانس)

وقتی پمپ‎‎های گریز از مرکز، فن‎‎ها و دمنده‎‎ها در سرعت ثابت کار می‎‎کنند و خروجی با استفاده از والوها و مسدود‎‎کننده‎‎ها کنترل می‎شود موتور صرفنظر از مقدار خروجی در نزدیکی بار کامل کار می‎‎کند که باعث می‎شود انرژی زیادی توسط این مسدودکننده‎‎ها و والوها تلف شود. اگر این تجهیزات بتوانند همواره در سرعت مورد نیاز کار کنند مقدار زیادی انرژی صرفه‎‎جویی می‎شود. درایوهای تنظیم سرعت باعث می‎شوند تجهیزات باتوجه به نیاز سیستم در حالت بهینه عمل کنند.
کنترلرهای AC تنظیم فرکانس (فرکانس متغییر) وسایل پیچیده‎‎ای بوده و گرانقیمت هستند. بااین‎‎حال می‎‎توانند به‎‎‎راحتی به‎ موتورهای القایی AC استاندارد اضافه شوند. با هزینه تجهیزات کمتر و هزینه‎‎های الکتریکی بیشتر (با کاهش هزینه تجهیزات و افزایش هزینه‎‎های الکتریکی) کاربرد این وسایل در اغلب موارد اقتصادی می‎شود. بسیاری از انواع پمپ‎‎ها، فن‎‎ها، میکسچرها، نقاله‎‎ها، خشک‎‎کننده‎‎ها، خردکننده‎‎ها (سنگ‎‎شکن‎‎ها) آسیاب‎‎ها، صافی‎‎ها و برخی انواع کمپرسورها، دمنده‎‎ها و همزن‎‎ها در سرعت‎‎های مختلف با وسایل تنظیم سرعت کار می‎‎کنند.
تجهیزات مجهز به‎ تنظیم سرعت کمتراز نصف تجهیزات مجهز به‎ مسدودکننده انرژی مصرف می‎‎کنند.
در عمل باید برای محاسبه دقیق صرفه‎‎جویی حاصل براساس کیلووات بازده موتور هم درنظر گرفته شود. بازده موتور تا زیر50درصد ظرفیت نامی افت می‎‎کند.

4-2-درایوهای DC حالت جامد (نیمه‎‎هادی)

می‎‎توان با تنظیم سرعت با استفاده از درایوهای DC صرفه‎‎جویی‎‎های مشابهی را انجام داد. هزینه اولیه نسبت‎‎به‎ درایوهای AC تنظیم فرکانس بیشتر است به‎‎‎خصوص وقتی مستقیماً بتوان از کنترلرهای الکتریکی در موتور ACاستفاده کرد. تعمیر و نگهداری کموتاتور و زغال نیز هزینه زیادی در درایوهای DC دربردارد. همچنین سیستم‎‎های DC نسبت‎‎به‎ هوای خورنده و کثیف (مملو ازذرات) که در یک محیط صنعتی معمول است حساس‎‎ترند.
بنابراین درایوهای AC معمولاً ترجیح داده می‎شوند مگر در مواردی که شرایط عملیاتی برخی از مشخصه‎‎های سیستم‎‎های DC از قبیل تنظیم سرعت خیلی دقیق، معکوس کردن سریع جهت، یا گشتاور ثابت در رنج سرعت نامی مورد نیاز باشد.از این درایوها در ماشین‎‎های حدیدهdrawing machins، پوشش‎‎دهنده‎‎ها (لعاب‎‎دهنده‎‎ها coaters) ماشین‎‎های تورق (laminators)، دستگاه‎‎های سیم‎‎پیچی (winders) و سایر تجهیزات استفاده می‎شود.
سایر تکنیک‎‎های تغییر سرعت موتور عبارت است از درایوهای لغزش (slip) الکترومکانیکی، درایوهای سیال. و موتورهای القایی (موتورهای با روتور سیم‎‎پیچی‎‎شده). این درایوها با تغییر درجه لغزش بین درایو و عنصر درحال حرکت سرعت را کنترل می‎‎کنند. چون قسمتی از انرژی مکانیکی که تبدیل به‎ بار نمی‎‎شود به‎ حرارت تبدیل می‎گردد این درایوها دارای بازده کمی بوده و معمولاً به‎‎‎خاطر مشخصه‎‎های خود در کاربردهای خاصی به‎‎‎کار برده می‎‎شوند. مثلاً ممکن است از درایوهای سیال در سنگ‎‎شکن‎‎ها (خردکننده‎‎ها) استفاده شوند چون دارای ظرفیت توان بالا، انتقال گشتاور آسان، توانایی مقاومت دربرابر بارهای شوک، قابلیت مقاومت در سیکل‎‎های سکون (ازکارافتادگی)، ماهیت ایمنی آن و قابلیت تحمل هوای ساینده را دارند.
چون درایوهای AC وDC سرعت چرخنده اصلی را تغییر می‎‎دهند برای صرفه‎‎جویی در انرژی ترجیح داده می‎‎شوند.

4-3-درایوهای مکانیکی

درایوهای تنظیم سرعت مکانیکی ساده‎‎ترین و ارزانترین وسایل تغییر سرعت هستند. این نوع چرخ‎‎های قابل تنظیم می‎‎توانند در امتداد محور باز و بسته شوند و درنتیجه میزان تماس چرخ را با تسمه تنظیم کنند.
مزیت عمده درایوهای مکانیکی سادگی آنها ، سهولت تعمیر و نگهداری و هزینه پایین آنها است. یک سرویس تعمیر و نگهداری درحد متوسط و کنترل سرعت با دقت کم (معمولاً 5درصد) از خصوصیات این درایوها است.
درایوهای تسمه‎‎ای برای گشتاورهای کم تا متوسط (100اسب‎‎بخار) در دسترس هستند. بازده درایوهای تسمه‎‎ای 95 درصد است و نسبت کاهش سرعت تا 10به‎ 1 می‎‎رسد.
از درایوهای زنجیری فلزی در گشتاور زیاد استفاده می‎شود. این درایوها مشابه درایوهای تسمه‎‎ای هستند فقط به‎‎‎جای تسمه‎‎های لاستیکی از تسمه‎‎های فلزی استفاده شده است.

4-4-کاهش یک سرعته

وقتی فقط با یک کاهش سرعت به‎ نتیجه رضایت‎‎بخش برسیم گزینه ارزانتری را می‎‎توانیم انتخاب کنیم. اگرچه سرعت‎‎های متغییر این مزیت را دارند که در وضعیت‎‎های مختلف می‎‎توان سرعت بهینه را به‎‎‎کار برد، در مواقعی که رنج تغییر سرعت محدود است و زمانی که موتور باید در سرعت پایین‎‎تری کار کند نسبت ‎‎به‎ زمان کل کار موتور کم است احتمالاً یک کاهنده تک‎‎سرعته ازنظر هزینه و اثربخشی به‎‎‎صرفه‎‎تر است.
درایوهای تسمه‎‎ای: در این درایوها یک (یک‎‎بار) کاهش سرعت با کمترین هزینه همراه است چون به‎‎‎راحتی می‎‎توان چرخ‎‎ها را عوض کرد. ازآنجاکه با نصب دوباره چرخ‎‎های قدیمی براحتی می‎‎توان تغییرات را بازگرداند از این روش وقتی استفاده می‎شود که کاهش خروجی برای یک دوره معین موردنیاز است. مثلاً وقتی سطح تولید برای یک زمان نامشخص کاهش یافته ولی ممکن است در آینده نیاز باشد که به‎ ظرفیت اولیه برگردیم.
کاهش دور توسط چرخ‎‎دنده: حالت‎‎های مشابه‎‎ای را توسط تغییر چرخ‎‎دنده می‎‎توان به‎‎‎کار برد.
تعویض موتور: درمواردی که یک بار کاهش سرعت موردنیاز است یک موتور با سرعت کم‎‎تر را نیز می‎‎توان جایگزین‎‎نمود.

4-5موتورهای دوسرعته

موتور دوسرعته یک راه‎‎حل اقتصادی میانه درمقایسه با استفاده از‎ درایوهای چندسرعته و سرعت ثابت است.
همانطورکه در مثال‎‎های قبلی بیان شد چون توان مصرفی با مکعب (توان سوم) سرعت متناسب است، صرفه‎‎جویی در انرژی اهمیت زیادی دارد. درعمل یک افزایش جزئی به‎‎‎خاطر تلفات اصطکاک رخ می‎‎دهد. از این روش و استفاده از روش‎‎های کنترلی دیگر می‎‎توان خروجی را در یک رنج محدود کنترل کرد.
دوسرعت را می‎‎توان از یک سیم‎‎پیچ به‎‎‎دست آورد ولی سرعت پایینی باید نصف سرعت بالایی باشد. مثلاً سرعت‎‎های موتور به‎ این شکل است 900/1800 ، 600/1200 ، 1800/3600
وقتی به نسبت‎‎های دیگری از سرعت نیاز است استفاده از یک استاتور دو سیم‎‎پیچه ضروری است. از موتورهای قفسی چندسرعته (multispeed squirrel cage motors) نیز که دارای سه یا چهار سرعت همزمان هستند می‎‎توان استفاده نمود.
قیمت موتورهای دوسرعته تقریباً دو برابر موتورهای تک‎‎سرعته است. اگر یک موتور بتواند در دوره‎‎های زمانی محسوسی با سرعت کم‎‎تر کار کند صرفه‎‎جویی حاصله سرمایه‎‎گذاری اضافی را توجیه می‎‎کند. در موتورهای چندسرعته استارترهای گرانقیمتی موردنیاز است چون اندازه محافظ‎‎های اضافه‎‎بار در سرعت‎‎های مختلف متفاوت است.

5-کاهش بار

مسلماً کاهش بار موتور یکی از بهترین روش‎‎های کاهش هزینه‎‎های الکتریکی است. تعمیر و نگهداری مناسب تجهیزات نیز می‎‎تواند با ازبین بردن تلفات ناشی از اصطکاک در تجهیزات نامیزان (غیر هم‎‎محور)، یاتاقان‎‎های سخت‎‎شده و نقاله‎‎ها، بار موتور را کاهش دهد. روغن‎‎کاری مناسب قسمت‎‎های متحرک مانند یاتاقان‎‎ها و زنجیرها تلفات ناشی از اصطکاک را به‎ حداقل می‎‎رساند. جایگزینی یاتاقان‎‎های غلطکی و بلبرینگ‎‎ها با یاتاقان‎‎های تخت به‎‎‎خصوص در شافت‎‎های انتقال نیز روش مؤثری است.

6-گشتاور راه‎‎اندازی زیاد

در بارهایی که گشتاور استارت بزرگی نیاز دارند باید از یک موتورB -NEMA (رایج‎‎ترین موتور مورد استفاده در صنعت) یا موتورA -NEMA استفاده کرد. درجایی‎‎که بارهای با اینرسی زیاد وجود دارد می‎‎توان از موتورهای کوچکتری که به‎‎‎گونه‎‎ای طراحی شده‎‎اند که قابلیت گشتاور زیاد را دارند استفاده کرد. یک موتور NEMA-B می‎‎تواند ازعهده بار زیاد استارت برآید ولی وقتی بار به‎ سرعت نهایی رسید موتور در کمتراز ظرفیت نامی کار می‎‎کند. ولی انتخاب یک موتور کوجکتر از از نوع C-NEMA یا NEMA-D ضمن اینکه همان گشتاور راه‎‎انداز را تولید کرده ، در شرایط معمول عملیاتی نیز نزدیک بار کامل نامی کار می‎‎کند.

7- موتورهایی که مجدداً پیچیده می‎‎شوند (موتورهای سوخته‎‎ای که سیم‎‎پیچی آنها عوض می‎شود)

بازده موتورهایی که برای بار دوم پیچیده می‎‎شوند کاهش می‎‎یابد که البته مقدار این کاهش بستگی به‎ کارگاهی دارد که موتور در آن پیچیده شده‎‎است، چون کارگاه‎‎های سیم‎‎پیچی لزوماً از بهترین روشی که عملکرد اولیه موتور را حفظ کند استفاده نمی‎‎کنند. در برخی موارد به‎‎‎دلیل بازده کم به‎‎‎خصوص در موتورهای کوچک پیچیدن دوباره موتور توجیه‎‎پذیر نیست.
درحالت ایده‎‎آل باید بازده موتور قبل و بعد از پیچیدن آن با هم مقایسه شود. یک روش تقریباً ساده برای ارزیابی کیفیت موتور پیچیده‎‎شده مقایسه جریان بی‎‎باری موتور است، این مقدار در موتورهایی که به‎‎‎خوبی پیچیده نشده باشند افزایش می‎‎یابد، بررسی روشی که درکارگاه سیم‎‎پیچی استفاده می‎شود، نیز می‎‎تواند کیفیت کار را مشخص کند. در زیر برخی نکاتی که باید موردتوجه قرارگیرد آمده است :
-وقتی موتوری را برای پیچیدن مجدد باز می‎‎کنند، عایق بین ورقه‎‎ها خراب شده و باعث افزایش تلفات جریان گردابی می‎‎گردد مگر اینکه بازکردن (سوزاندن) عایق در کوره‎‎ای با دمای قابل تنظیم انجام شده و ورقه‎‎های عایق غیرآلی جایگزین گردد.
-گداختن و سوزاندن سیم‎‎پیچ کهنه (خراب‎‎شده) در دمای کنترل نشده یا استفاده از یک مشعل دستی برای نرم‎‎کردن و خردکردن لاک بین سیم‎‎ها به‎‎‎منظور بازکردن آسان‎‎تر سیم‎‎پیچ به‎ این معنی است که کار در این کارگاه به‎‎‎خوبی انجام نمی‎‎شود و باید به‎ کارگاه دیگری برای پیچیدن موتور مراجعه کرد.
-اگر در نتیجه بازکردن و سوزاندن نامناسب تلفات هسته افزایش یابد، موتور در دمای بیشتری کار می‎‎کند و زودتر از موعد خراب می‎شود.
-اگر تعداد دورهای سیم‎‎پیچ در استاتور کاهش یابد تلفات هسته استاتور افزایش می‎‎یابد این تلفات درنتیجه جریان نشتی (هارمونیک) القا شده توسط جریان بار به‎‎‎وجود می‎‎آید و اندازه آن برابر با توان دوم جریان بار است.
-در پیچیدن موتور اگر از سیم‎‎های با قطر کوچکتر استفاده شود، مقاومت و درنتیجه تلفات افزایش می‎‎یابد.
روش‎‎های پیچیدن موتور در کارگاه‎‎های مختلف تعمیراتی متفاوت است بنابراین قبل‎‎از تصمیم‎ به‎ پیچیدن دوباره موتور باید کارگاه‎‎ها کاملاً بررسی و بهترین کارگاه انتخاب شود.
شرکت Wanlass یک روش پیچیدن موتور ارائه کرده که مدعی است بازده را تا ده درصد افزایش می‎‎دهد این روش برمبنای جایگزینی سیم‎‎پیچ موجود با دو سیم‎‎پیچ است که به‎گونه‎‎ای طراحی شده‎‎اند که سرعت موتور را متناسب‎‎با بار تغییر دهد. درمورد ادعای بهبود بازده بحث‎‎های زیادی صورت گرفته و درحالی‎‎که از عرضه موتورهای Wanlass بیش‎‎از یک دهه می‎‎گذرد استفاده کننده‎‎های عمده معتقدند این نوع طراحی بهبودی را که می‎‎توان ازطریق تکنیک‎‎های متعارف طراحی موتور و سیم‎‎پیچ به‎‎‎دست آورد در صنعت موتور ارائه نکرده است.

8-ژنراتور موتورها

یکسوکننده‎‎های نیمه‎‎هادی یک منبع مناسب جریان مستقیم DC برای موتورهای DC یا دیگر استفاده‎‎های از جریان DC هستند، ژنراتور موتورهایی که معمولاً برای جریان مستقیم به‎‎‎کار می‎‎روند قطعاً نسبت‎‎به‎ یکسوکننده‎‎های نیمه‎‎هادی بازده کمتری دارند بازده موتور ژنراتور در بار کامل حدود 70 درصد است در حالیکه بازده یکسوکننده‎‎های نیمه‎‎هادی تقریباً 96 دصد در بار کامل است. وقتی ژنراتور موتوری در کمتراز بار نامی کار کند بازده آن به‎‎‎طور قابل‎‎ملاحظه‎‎ای کاهش می‎‎یابد چون بازده آن برابر با حاصل‎‎ضرب بازده ژنراتور و موتور است.

9-تسمه‎‎ها (Belts)

بازده درایوهای V-belt تأثیر زیادی در بازده موتور دارد. عوامل تأثیرگذار در بازده V-belt عبارتنداز:
1- Overbelting:
تسمه‎‎های با مشخصات نامی بالاتر باعث افزایش کارایی می‎شوند
2-تنش (فشار)
فشار نامناسب باعث کاهش بازده تا 10 درصد می‎شود. بهترین فشار برای یک V-belt کمترین فشاری است که در آن تسمه در بار کامل نلغزد.
3- اصطکاک:
تلفات اصطکاک اضافی درنتیجه نامیزان بودن(غیرهم‎‎محوری)، فرسودگی چرخ‎‎ها تهویه نامطلوب یا مالیده شدن تسمه‎‎ها به‎ چیزی به‎‎‎وجود می‎‎آیند.
4-قطر چرخ:
هرچه قطر چرخ بزرگتر باشد بازده افزایش می‎یابد.
جایگزینی V-beltهای شیاردار با V-beltهای متعارف صرفه‎‎جویی زیادی دربردارد. یک V-belt درمعرض تنش فشاری بزرگی متناسب با قطر چرخ قراردارد. ازآنجاکه در V-beltهای شیاردار در قسمت تحت‎‎فشار از ماده کمتری استفاده شده تغییر شکل لاستیک و تنش‎‎های فشاری به‎ حداقل می‎‎رسد بنابراین بازده عملیاتی در V-beltهای شیاردار بیشتر می‎شود.
اگر هزینه عملیاتی سالانه یک موتور 60 اسب‎‎بخار (برای 6000ساعت) 18000 دلار باشد حتی یک درصد بهبود در بازده موتور باعث 180 دلار صرفه‎‎جویی در سال می‎شود. هزینه اضافی برای 6 تسمه با اندازه 128 تقریباً 7 دلار است.
بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورهای صنعتی با استفاده از کنترل کننده های دور موتور
امروزه صرفه جوئی انرژی الکتریکی تنها از دیدگاه اقتصادی آن مورد توجه قرار نمی گیرد، بلکه آثار زیست محیطی آن نیز روز بروز اهمیت بیشتری پیدا میکند. از این رو صرفه جوئی انرژی به معنی حفاظت از محیط زیست است.
بیش از 65% انرژی الکتریکی، در صنایع، در موتورهای الکتریکی مصرف میشود.فنها، پمپ ها، و کمپرسورها، بارهای اصلی موتورهای الکتریکی هستند.
میتوان اقدامات مختلفی برای صرفه جوئی انرژی الکتریکی در الکتروموتورهای صنعتی بعمل آورد. در حالت کلی این اقدامات به دو دسته تقسیم میشود:
1- اقدامات مربوط به طراحی موتور
2- اقدامات مربوط به بهره برداری از موتورها
تولید کنندگان موتور اینک موفقیتهای خوبی در زمینه طراحی و ساخت موتورهای با راندمان بالا بدست آورده اند. هر چند که قیمت این موتورها بالاتر است، ولی محاسبات ساده ای نشان می دهد که استفاده از این موتورها بسیار اقتصادی تر از انواع قدیمی ترشان است.
اقدامات مربوط به بهره برداری از موتورها را نیز میتوان به دو دسته تقسیم نمود:
1- اقدامات روی موتور، نظیر تهویه، روغنکاری، و بارگذاری
2- استفاده از درایو
در کنار ماموریت اصلی درایوها که همان تنظیم دور موتور است، مزایای بیشمار دیگری نیز عاید میگردد. که صرفه جوئی انرژی یکی از این مزایا است.استفاده از کنترل کننده های دور موتور هم در بهبود بهره وری تولید و هم در صرفه جویی مصرف انرژی - توانایی بازیافت انرژی تلفاتی در ترمزهای مکانیکی ویا انرژی تلف شده در مقاومت ترمز درایوهای معمولی به شبکه - در کاربردهای صنعتی ، علاوه بر پیامدهای اقتصادی آن ، کاهش آلاینده های محیطی را نیز بدنبال خواهد داشت.
قوانین افینیتی در کاربردهای فن و پمپ پایه نظری صرفه جوئی انرژی، با استفاده از درایو هستند. بر طبق این قوانین تنها باکاهش ده درصد از دور موتور 27% در مصرف انرژی الکتریکی صرفه جوئی خواهد شد. همچنین اگر دور موتور را 20% کاهش دهیم، باید انتظار 49% صرفه جوئی انرژی داشته باشیم.
باید توجه کرد که فنها و پمپ ها عمده ترین بارهای موتورهای الکتریکی هستند. اینها از ادواتی نظیر دمپرها و یا شیرهای خفه کن برای تنظیم دبی استفاده میکنند. اما این روشها انرژی را تلف میکنند.
عملکرد این تجهیزات را میتوان به راننده اتومبیلی تشبیه نمود که برای کاهش سرعت، در حالی که پدال گاز را تا آخر فشرده است، از پدال ترمز استفاده میکند. نمونه های عملی متعددی از کاربرد درایو در صرفه جوئی انرژی الکتریکی وجود دارد. برای مثال شرکت اطلس کوپکو با استفاده از درایو موفق شده است، مصرف انرژی کمپرسورهای تولیدی خود را به میزان 35% کاهش دهد.
در کنار این دستاورد مهم اطلس کوپکو توانسته است، با استفاده از درایو، فشار کمپرسور را با انعطاف و پایداری بیشتری کنترل نماید- جریان راه اندازی را به کمتر از 10% جریان نامی موتور کاهش دهد- و ضریب قدرت را به بیش از 95% برساند. و بدین ترتیب کمپرسورهای اطلس کوپکو نیازی به خازن اصلاح ضریب قدرت ندارند.
از سال 1994 ببعد که شرکت اطلس کوپکو این کمپرسورها را معرفی کرده است توانسته است بازار کمپرسورهای دنیا را تسخیر کند.
در کاربردهایی نظیر پمپ و فن استفاده از درایوها تا 50% در کاهش مصرف انرژی موثر است.
پتانسیل قابل توجهی برای صرفه جوئی انرژی در نیروگاهها وجود دارد. مصرف داخلی نیروگاهها میتواند بین 5 تا 14 درصد برق تولیدی نیروگاه باشد. این میزان انرژی عمدتا" در ID فن، FD فن، فید پمپ، فنهای کولینگ تاور، و پمپ های سیرکولاسیون و خنک کن مصرف میشود.
یک مطالعه موردی از صرفه جوئی مصرف انرژی در نیروگاههای هند نشان میدهد، که از مجموع 22 واحد نیروگاهی 210 مگاواتی، با بکارگیری درایو در فنهای ID و یا پمپ های BFP ، سالانه بالغ بر 158 میلیون کیلووات ساعت انرژی، به ارزش 11.3 میلیون دلار صرفه جوئی حاصل میگردد. این درحالی است که ارزش سرمایه گذاری اولیه 25.7 میلیون دلار بوده است. و بدین ترتیب میتوان انتظار داشت که در کمتر از 2.3 سال سرمایه گذاری اولیه مستهلک شده و عواید سرشاری نصیب نیروگاهها گردد.
پتانسیل صرفه جوئی انرژی در صنایع سیمان از نیروگاهها نیز بالاتر است. در ایران حدود 9% انرژی الکتریکی در کارخانجات سیمان مصرف میشود. در یک مطالعه نشان داده شد که میزان شدت انرژی الکتریکی در کارخانجات منتخب سیمان در ایران، در مقایسه با استانداردهای جهانی آن ، خیلی بالاتر است.
برآوردها نشان میدهد که در کارخانجات منتخب سالانه بالغ بر 138 میلیون کیلووات ساعت امکان صرفه جوئی انرژی وجود دارد.
محاسبات ساده ای نشان خواهد داد که در هر خط تولید سیمان بطور متوسط سالانه تا 1.5 میلیون دلار و در کل خطوط تولید سیمان در ایران، که بالغ بر 65 خط تولید میشود، سالانه پتانسیل 90 میلیون دلار صرفه جوئی انرژی وجود دارد.
ادامه دارد ......

بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورها (4)

14- مثال از محاسبات صرفه جوئی انرژی در فن

برای روشن شدن تاثیر استفاده از درایو در کاربرد فن به مثال زیر توجه میکنیم. نخست اشاره میکنیم به قوانین حاکم بر فن که موسوم به قوانین افینیتی (Affinity Laws ) میباشد:
Eq. 1: (N1 / N2) = Q1 / Q2
Eq. 2: (N1 / N2)2 = P1 / P2
Eq. 3: (N1 / N2)2 = T1 / T2
Eq. 4: (N1 / N2)3 = HP1 / HP2
در معادلات فوق N معرف سرعت، Q معرف میزان جریان سیال، T معرف گشتاور، HP معرف توان مصرفی و P معرف فشار است.
حال فرض میکنیم یک فن با موتور 250hp با راندمان 95% موجود است. و سیکل کار آن را در هر هفته بصورت زیر در نظر میگیریم:

بدون استفاده از درایومیزان انرژی مصرفی در هر هفته برابر است با:

با استفاده از درایومیزان انرژی مصرفی در هر هفته برابر است با:

میزان صرفه جوئی انرژی در سال برابر است با:

و اگر ارزش هر کیلووات ساعت انرژی را 4 سنت در نظر بگیریم ارزش انرژی صرفه جوئی شده برابر خواهد بود با:

15- یک مطالعه موردی در ایران:

گزارشی از وضعیت فعلی فنهای پیش گرمکن خط 2 سیمان آبیک و بررسی امکان صرفه جوئی انرژی در آنها
گزارش زیر توسط مرکز تحقیقات سیمان آبیک آماده شده است:
فنها در صنعت سیمان کاربرد گسترده ای دارند. و برای انتقال گازهای ناشی از فرایند تولید سیمان و یا انتقال مواد از آنها استفاده میشود. از آنجائی که شرائط فرایندی با توجه به تغییرات پارامترهای آن ثابت نمی باشد. در نتیجه میزان تولید گازهای فرایندی با توجه به تغییرات پارامترهای آن ثابت نمی باشد. در نتیجه میزان تولید گازهای فرایندی نیز متغیر بوده و لازم ست این امر با تغییر هوادهی فنها تحت کنترل باشد. از متداول ترین روشهای کنترلی که برای فلوی گاز در فن ها تا بحال مورد استفاده قرار گرفته است، کنترل فلو توسط دریچه در ورودی فن میباشد. اگر چه این روش، طریقه ای موثر در کنترل فلو بوده اما در مصرف انرژی تاثیر قابل ملاحظه ای نداشته است. در صورتی که کنترل فلوی گاز با استفاده از کنترل دور فن، علاوه بر کارائی بهتر بمیزان زیادی در مصرف انرژی الکتریکی فن صرفه جوئی انرژی ایجاد خواهد کرد.
بعنوان مطالعه موردی فن های پیش گرمکن واحد 2 سیمان آبیک مورد بررسی قرار میگیرد. بمنظور آنکه بتوان میزان بالقوه انرژی قابل صرفه جوئی در این فن ها بدست اید از دو روش:
1- محاسبه توان با استفاده از پارامترهای بدست آمده از فرایند
2- اندازه گیری توان موتور درایو
استفاده کرده و یک بررسی مقایسه ای بین ایندو بعمل می آ وریم. برای محاسبه توان از رابطه معمول آن:

استفاده کرده ایم. پارامترهای مورد نیاز برای محاسبه نیز در فرایند و در شرائط نرمال بهره وری اندازه گیری شد.
Q = 327,000 m3/h فلوی گاز
P1= -560 mm WG فشار هوا قبل از دریچه(شرائط فرایند)
Pl1= -1100 mm WG فشار هوا بعد از دریچه و قبل از فن
P2 = - 10 mm WG فشار هوا بعد از دریچه(شرائط فرایند)
وضعیت دریچه 22% و دور موتور برابر با دور نامی 990RPM ، و توان نامی موتور فن 1300KW با راندمان 0.8 بود. در این شرائط میزان توان مصرفی فن با استفاده از P فرایند :?پارامترهای بهره برداری و با توجه به

P فن، یعنی تفاوت فشار ورودی و?و با استفاده از خروجی فن، توان مصرفی عبارت است از :

و مقدار خوانده شده توسط دستگاه واتمتر برای هر دو فن شماره 35 و 36 (فن های پیش گرمکن ) بصورت زیر بود:
P35 = 1260 KW
P36 = 1210 KW
مقایسه دو مقدار توان فن( محاسبه شده و اندازه گیری شده) حداقل دو مسئله را روشن میکند:
1- صحت محاسبات انجام شده( عدد 1213 در مقابل 1260 و یا 1210 )
P فن شده و این امر باعث افزایش توان مصرفی?2- استفاده از دریچه باعث افزایش فن شده است.
مورد فوق بخوبی نشان میدهد که حذف دریچه ورودی و استفاده از کنترل دور میتواند شرائط کار فن را به شرائط فرایند نزدیکتر کرده و در آنصورت در مصرف انرژی فن کاهش قابل ملاحظه ای مشاهده خواهد شد. نهایتا بر روی فن شماره 36 کنترل دور نصب شد و در حالیکه دور فن روی 680RPM تنظیم شده بود شرائط فرایندی مشابه با حالت بدون کنترل دور فراهم شده و تولید نیز به حالت نرمال رسید.
در این حالت شرائط دریچه 100% باز و مقدار توان مصرفی موتور 560KW قرائت گردید. همانگونه که انتظار داشتیم با استفاده از کنترل دور توانستیم توان فن را به شرائط بهره برداری قبل رسانده و توان مصرفی را بمیزان زیاد کاهش دهیم. انتظار میرود با توجه به میزان سرمایه گذاری انجام شده جهت تهیه کنترل دور مورد نیاز، زمان بازگشت سرمایه 3 سال باشد.

16- سیستم های تهویه مطبوع

موضوع صرفه جوئی انرژی در دنیای رقابتی امروز حتی آثار خود را در سیستمهای تهویه مطبوع هتلها نیز خود را مطرح کرده است. در این مکانها امکان صرفه جوئی انرژی تا مرز 50 درصد روی سیستمهای HVAC یا سیستمهای حرارتی و هواسازی و تهویه مطبوع ، وجود دارد. و سرمایه گذاری اولیه در مدت دو سال از محل صرفه جوئی انرژی قابل بازیابی میباشد.

17- ماشین تزریق پلاستیک

در یک ماشین تزریق پلاستیک استفاده از کنترل کننده دور موتور میتواند تا 50 در صد صرفه جوئی در مصرف انرژی بدنبال داشته باشد[2]. برای روشن شدن این مطلب به دیاگرام زیر توجه میکنیم:

شکل (16) مصرف انرژی در یک سیکل کاری ماشین تزریق پلاستیک- بدون استفاده از درایو
در دیاگرام فوق مصرف انرژی در یک سیکل کاری نشان داده شده است. این حالت نرمال کار ماشین بوده و در این وضعیت از درایو استفاده نشده است. با استفاده از کنترل کننده دور موتور میتوان توان تلفاتی ماشین را بمیزان قابل توجهی کاهش داد. مضافا اینکه در این صورت ماشین خیلی نرمتر کار کرده و از شوکهای مکانیکی اجتناب خواهد شد. خود این امر منجر به کاهش هزینه های تعمیر و نگهداشت ماشین میشود . در دیاگرام زیر توان مصرفی ماشین در حالت کار با کنترل کننده دور موتور نمایش داده شده است:

شکل (17) مصرف انرژی در یک سیکل کاری ماشین تزریق پلاستیک- با استفاده از درایو
با مقایسه دو دیاگرام مشاهده میشود که مصرف انرژی از 42 کیلوات ساعت به 27 کیلووات ساعت تقلیل پیدا کرده است.

18-صرفه جوئی انرژی در تاسیسات آب و فاضلاب

شرکت Vacon سازنده درایوهای AC گزارش کرده است [12] که درسیستم تصفیه فاضلاب شهر گرومز سوئد با استفاده از درایو 40.5% صرفه جوئی انرژی بدست آوده است. این درحالی است که در سیستم فوق و با استفاده از درایو مصرف مواد شیمیائی نیز 53% کاهش پیدا کرده است. اینک شرکت Vacon را ه حلهای جامعی در تاسیسات آب و فاضلاب ارائه میدهد. این راه حلها شامل طراحی این تاسیسات، انتخاب درایو، و محاسبات صرفه جوئی انرژی میشود [13]. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه با شرکت پرتوصنعت تماس بگیرید.

19-کمپرسورها

شرکت اطلس کوپکو موفق شده است با استفاده از درایو مصرف انرژی کمپروسورهای تولیدی خود را بمیزان 35% کاهش دهد. در کنار این دستاورد مهم اطلس کوپکو توانسته است با استفاده از درایو فشار کمپروسور را با دقت و پایداری بیشتری کنترل کند، جریان راه اندازی را محدود نماید و ضریب قدرت را به بیش از 95% برساند. و بدین ترتیب این کمپروسورها نیازی با خازنهای اصلاح ضریب قدرت ندارند. از سال 1994 ببعد که اطلس کوپکو این کمپروسورها را معرفی کرده است توانسته است بازار کمپروسورهای دنیا را تسخیر کند. این رویکرد سیستمی در طراحی و ارائه محصول با کیفیت، نمونه خوبی از افزایش مزیت رقابتی یک بنگاه اقتصادی میباشد.

20-نیروگاهها

در نیروگاهها پتانسیل قابل توجهی برای صرفه جوئی انرژی وجود دارد. مصرف داخلی نیروگاههای بخاری میتواند بین 5 تا 14 درصد انرژی تولید شده توسط نیروگاه باشد. این میزان انرژی عمدتا در ID فن، FD فن، فید پمپ، فنهای کولینگ تاورف پمپهای سیرکولاسیون و خنک کن مصرف میشود. یک مطالعه موردی از نیروگاههای هند نشان میدهد[14] که از مجموع 22 واحد نیروگاهی 210 مگاواتی، با بکارگیری درایو در فنهای ID و یا پمپهای BFP ، سالانه بالغ بر 158 میلیون کیلووات ساعت انرژی، به ارزش 11.3 میلیون دلار صرفه جوئی انرژی حاصل میگردد. این در حالی است که ارزش سرمایه گذاری ولیه 7/25 میلیون دلار بوده است. و بدین ترتیب میتوان انتضار داشت که در کمتر از 3/2 سال سرمایه گذاری اولیه مستهلک شده و عواید سرشاری نصیب نیروگاهها گردد. در جدول(4) خلاصه ای از این بررسی را مشاهده میکنید.

جدول(4): بررسی نتایج استفاده از درایو در برخی از کاربردهای با مصرف انرژی بالا بمنظور کاهش مصرف داخلی نیروگاهها در کشور هند

21-سیمان

در ایران حدود 9% انرژی الکتریکی صنعتی در صنایع سیمان مصرف میشود. مطالعاتی که در سال 2002 توسط آقای علیرضا شیرازی در صنایع سیمان انجام گرفت نشان داد[12] که میزان مصرف انرژی در این صنایع نسبت به استانداردهای جهانی آن خیلی بالا است. در شکل(18) شدت انرژی الکتریکی مورد نیاز در صنایع سیمان ایران برای تولید هر تن سیمان با بهترین حالت جهانی آن نشان داده شده است. و در جدول ( 5) خلاصه ای از این مطالعه نشان داده شده است.

شکل(18): پتانسیل صرفه جوئی در مصرف انرژی الکتریکی در صنایع سیمان ایران در مقایسه با بهترین حالت جهانی آن (Kwh/Ton)

جدول (5ب) پتانسیل صرفه جوئی سالانه انرژی الکتریکی در صنایع منتخب سیمان ایران در مقایسه با استاندارد جهانی
اطلاعات فوق نشان می‌دهد که در هر کارخانه سیمان می توان حدود 1.5 میلیون دلار در هر سال در مصرف انرژی الکتریکی صرفه‌جوئی نمود و اگر تعداد خطوط تولید سیمان را در حال حاضر 60 خط تولید در نظر بگیریم میزان مصرف انرژی الکتریکی در صنایع سیمان سالانه بالغ بر 90 میلیون دلار خواهد بود . برای بدست آوردن این نتایج ارزش هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی 6 سنت در نظر گرفته شده است. هر جند که این مقدار صرفه جوئی انرژی تنها با استفاده از درایو بدست نمی آید ولی استفاده از درایو سهم عمده ای در این صرفه جوئی خواهد داشت.

22- قابلیتهای کنترل کننده های دور موتور مدرن

درایوهای مدرن امروزی بر اساس تکنولوژی مدولار ساخته میشوند. این امر هم در قسمتهای سخت افزاری و هم در قسمتهای نرم افزاری درایو رعایت میشود. ساختار مدولار قابلیت بر آورده سازی بسیاری از نیازهای مشتری را دارد. اغلب این درایوها از تکنولوژی کنترل برداری بهره میگیرند. این روش کنترل امکان کنترل موتور را با دقت و دینامیک زیاد فراهم میاورد. بطوریکه این درایوها اینک قادرند درست نظیر درایوهای DC رفتار نمایند. آنها را میتوان در کاربردهای کنترل سرعت و یا کنترل گشتاور بسهولت مورد استفاده قرارداد. بطوریکه سادگی و استحکام موتورهای القائی درکنار این درایوها مجموعه ای مطمئن و کارا از آنها میسازد . هر چند که این درایوها از تکنولوژی الکترونیک قدرت پیچیده استفاده میکنند اما بدلیل استاتیک بودنشان هزینه های نگهداشت زیادی به صنعت تحمیل نمی کنند.
درایوهای مدرن قادرند بطور اتوماتیک فلو ی مغناطیسی در موتور را در سطح بهینه ان نگهدارند. این ویژگی در جاهائی که بار موتور کم است منجر به صرفه جوئی انرژی خواهد شد.
درایوهای مدرن امروزه در کاربردهای فیدبک و سرو نیز بسهولت بکار گرفته میشوند. ساختار مدولار آنها بگونه ای است که میتوان متناسب با کاربرد از کارتهای اختیاری استفاده نمود. این کارتها امکان تطبیق درایو با کاربرد مشتری را فراهم می آورند. در کنار این مقدورات سخت افزاری باید به برنامه های نرم افزاری متعددی نیز اشاره نمود، که معمولات توسط سازندگان درایو برای نیازهای مختلف صنعتی ارائه میشود. استفاده از این برنامه های کاربردی بسیار ساده بوده و کاربر میتواند برنامه دلخواه خود را انتخاب و در داخل درایو قراردهد. درایوهای امروزی میتوانند بسیاری از فیلد باسهای موجود را پشتیبانی کنند. امروزه پروفی باس به عنوان یک فیلدباس باز( Open ) ، در بسیاری از کاربردهای صنعتی متداول شده است. سازندگان درایو با استفاده از پروفایل Profi Drive بسهولت سازگاری خود را با پروفی باس برقرار می سازند.
درایوها علاوه بر ماموریتهای اصلی خود قابلیتهای بیشمار دیگری نیز دارند که از جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- حفاظت کامل الکتروموتور در مقابل اضافه جریان و نوسانات ولتاژ
- انعطاف پذیری در کنترل پروسه
- سازگاری با نیازهای کاربردی موتور
سیستم نرم افزاری درایوهای ساخت شرکت Vacon از دو لایه تشکیل شده است. لایه اول نرم افزار سیستم و لایه دوم جهت توسعه نرم افزارهای کاربردی کاربر اختصاص یافته است. با کمک این لایه کاربر میتواند با کمک ابزار گرافیکی و با استفاده از زبانهای رایج برنامه نویسی برنامه های کاربردی خود را توسعه دهد. وکن تنها به همین اکتفا نکرده و با آماده نمودن صدها برنامه کاربردی به کاربر کمک میکند بسهولت برنامه کاربردی مورد نظر را در درایو نصب نموده و از آنها استفاده نماید. بعنوان نمونه میتوان به نرم افزارهای کاربردی زیر اشاره نمود:

1-22نرم افزار کاربردی کنترل پمپ و فن

همانطور که از نام آن پیداست، این برنامه کاربردی جهت کنترل یک یا چند فن یا پمپ بکار میرود. این نرم افزار بطور اتوماتیک متناسب با فلوی مورد نظر یک یا چند پمپ را روشن کرده و فلو را کنترل میکند. برنامه بطور اتوماتیک تمام پمپ ها را در پریود زمانی مشخص بکار میگیرد.

2-22نرم افزار کاربردی کنترل سطح پیشرفته

این نرم افزار کاربردی جهت کنترل دقیق سطح سیال در مخازن بکار میرود. این نرم افزار نیز بطور اتوماتیک تعدادی پمپ را مدیریت میکند.

3-22نرم افزار کنترلی Master Follower

این برنامه قادر است تورک مورد نیاز بار را در تعدادی موتور تسهیم نماید. این موتورها متفقا یک بار را درایو میکنند. و این برنامه ناظر به هماهنگی دقیق آنها در تامین گشتاور مورد نیاز بار است

23-درایوهای دور متغیر VACON مصداقی از درایوهای مدرن

کنترل کننده های دور موتور ساخت شرکت وکن نمونه کاملی از درایوهای مدرن امروزی است[3]. درایوهای وکن دارای ساختاری کاملا مدولار بوده و به کاربر اجازه میدهد با استفاده از نرم افزار قدرتمند داخلی، که بر اساس استاندارد IEC 611131-3کار میکند، برنامه های خود را توسعه دهد. بدین ترتیب این درایو قادر است در کاربردهای زیادی نقش یک PLC را نیز بازی کرده و به کاربر اجازه میدهد بسهولت برای کاربردهای خود راه حل ارائه دهد. علاوه بر این قابلیت، شرکت وکن در اقدامی بی سابقه با طراحی و توسعه صدها برنامه کاربردی مختلف برای کاربردهای صنعتی، بهره برداری ار درایوهای خود را کاملا منعطف نموده است. اینها بخشی از ویژگیهای منحصر بفردی است که درایوهای وکن را تبدیل به نمادی از درایو حرفه ای برای هزاره جدید نموده است. توصیه میکنیم برای آشنائی بیشتر با این درایوهای قدرتمند با شرکت پرتو صنعت تماس بگیرید.

24- مسائلی که درایوهای دور متغیر بوجود میاورند.

هر چند که درایوها مزایای زیادی دراند ولی در انتخاب و بکارگیری آنها باید دقت کافی به عمل آید. خصوصا اگر درایوهای مورد بحث توانهای بالائی داشته و تولید کارخانه به عملکرد آنها کاملا مرتبط باشد. در واقع تحقیقات نشان داده است که نگرانی از ضریب اطمینان درایو بعنوان یکی از موانع اصلی در عدم رغبت صنایع به استفاده از آنها در صرفه جوئی انرژی میباشد[10[ .
درایوهای ولتاژ متوسط (Medium Voltage Drives) از تکنولوژی ساخت پیچیده ای برخوردارند. اینها معمولا ترکیبی از الکترونیک قدرت، کنترل، میکروکامپیوترها، ترانسفورماتورها و فیلترها میباشند. پر واضح است که ارزیابی این اجزا و انتخاب درایو نهائی امری دشوار و نیازمند زمان و بسیج کارشناسان متخصص خواهد بود. با این حال چهارچوب ساده زیر میتواند خریداران درایو را در ارزیابی و انتخاب درایو مورد نظرشان یاری دهد. در این چهارچوب پیچیدگیهای داخلی درایو مورد توجه قرار نمیگیرد. بلکه سعی میشود از آثار جانبی درایو عملکرد آن مورد ارزیابی قرارگیرد. بر این اساس مطابق شکل(19) مسائل جانبی درایو را طبقه بندی نموده و ملاکهائی برای ارزیابی آنها تعیین میکنیم.

شکل(19): چهارچوب پیشنهادی برای ارزیابی درایوهای ولتاژ متوسط با توجه به آثار جانبی آنها
ملاک اول تضمین میکند که شبکه برق کارخانه تحت تاثیر عملکرد درایو قرار نگیرد. این موضوع وقتی اهمیت بیشتر پیدا میکند که توان درایوهای مورد بحث زیاد بالا باشد. اعوجاجهای ناشی از عملکرد درایو روی شبکه میتواند عملکرد سایر دستگاههای حساس کنترلی را مختل سازد، تداخل در خطوط مخابراتی کارخانه ایجاد نماید، و یا توان راکتیو از شبکه کشیده شود. و واکنش سازمانهای برق منطقه ای را بدنبال داشته باشد. خلاصه ای از روشهای مختلف جهت کاهش هارمونیکهای ناشی از عملکرد بارهای غیر خطی و از جمله درایو در جدول 6آمده است.

جدول(6): روشهای کاهش هارمونیکهای ناشی از عملکرد کنترل کننده های دور موتور
توصیه می شود استانداردهای IEEE519 در درایوهای ولتاژ متوسط یا Medium Voltage Drives رعایت شود. بطور خلاصه این استاندارد ملزم میکند که توتال هارمونیک ولتاژ در شبکه کمتر از 5% و توتال هارمونیک جریان کمتر از 3% باشد. همچنین لازم است ضریب قدرت درایو در تمام رنج تغییرات دور بالای 95% باشد.
ملاک دوم تضمین میکند که برق خروجی از درایو تنشهای ولتاژ و جریان اضافی به موتور تحمیل نخواهد کرد. تنشهای ولتاژ میتواند عایق موتور را تحت فشار قراردهد. از سوی دیگر جریانهای هارمونیکی میتوانند باعث نوسانات گشتاور در موتور و بار بشوند. اعوجاج در ولتاژ و جریان موتور میتواند باعث القای جریانهای مخرب در بیرینگهای موتور شده و فرسایش سریع آن را بدنبال داشته باشد. مضافا اینکه جریانهای هارمونیکی در موتور منجر به ایجاد حرارت اضافی در موتور خواهد شد. در شکل(20) شکل موجهای ولتاژ خروجی یک درایو نمونه را میتوانید مشاهده کنید. در شکل موج بالا ولتاژ خروجی در ترمینالهای درایو، و شکل موج پائین ولتاژ ورودی در ترمینالهای موتور را مشاهده میکنید. دامنه اسپایکهای ولتاژ حدود 1500 ولت است. این اسپایکها میتوانند عایق موتور را تحت فشار قرار دهند.

شکل(20): شکل موج خروجی از یک درایو و اسپایکهای ناشی از عملکرد سوئیچهای قدرت و خازنهای پراکندگی سیستم:
شکل موج بالا شکل موج خروجی درایو. شکل موج پائین شکل موج ورودی موتور
یک معیار خوب برای کیفیت توان خروجی درایو را میتوان محدودیت طول کابل موتور به درایو قرار داد. اغلب سازندگان درایو محدودیت های زیادی در طول کابل درایو به موتور اعمال میکنند. آنها میگویند اگر طول کابل مثلا از 100 متر بیشتر باشد لازم است از فیلتر برای سازگاری درایو به موتور استفاده گردد. از این رو برای حصول اطمینان از کیفیت توان خروجی درایو به سه معیار زیر توجه میکنیم:
- طول کابل خروجی از درایو به موتور نباید از سوی سازنده درایو محدود گردد.
- حتی الامکان در خروجی درایو ضرورتی برای استفاده از فیلتر نباشد.
- درایو باید سازگار با هر نوع موتور استاندارد موجود بوده و نیازی به کار مهندسی جهت تطبیق درایو به موتور نباشد.
ملاک سوم تضمین میکند که درایو حداقل تاثیر را روی بار و کوپلینگها داشته باشد. نوسانات گشتاور باعث استهلاک سریعتر بار و کوپلینگها میشود. اینها آستانه تحریک سیستم را نیز پائین میاورند. ضمنا درایو باید بتواند گشتاور مورد نیاز بار را در تمام سرعتها تامین نماید. توصیه میشود میزان نوسانات گشتاور یا Torque Pulsation در خروجی درایو کمتر از 0.5% در رنج تغییرات دور باشد.
ملاک چهارم تضمین میکند که درایو با هزینه کمتر کار خود را انجام بدهد و خود عاملی برای وقفه در تولید نگردد. همچنین درایو فانکشنهای ساده ای داشته و بسهولت قابل سرویس باشد. و از پشتیبانی فنی مطمئن و سریع برخوردار باشد.
ملاک پنجم میتواند از این لحاظ مورد توجه قرار گیرد که احتمال آن را بدهیم که مشتریان دیگری که از درایو مشابه استفاده میکنند، در انتخاب و بکار گیری درایوهایشان بررسی های کافی کرده اند.

25- درایوهای ولتاژ متوسط Perfect Harmony

در سال 1994 شرکت ASIRobicon با معرفی درایوهای ولتاژ متوسط Perfect Harmony مشکلات بر شمرده در بالا را حل نمود. با معرفی درایوهای Perfect Harmony نگرانیهای صنایع از مسائل این نوع درایوها، نظیر هارمونیکها، ضریب اطمینان و کیفیت توان بتدریج بر طرف شد. بطوریکه اینک بیش از 3000 دستگاه از این نوع درایوها در صنایع و کاربردهای کلیدی بکار گرفته شده است. در جدول (7) خلاصه ای از ویژگیهای منحصر بفرد این درایوها آمده است.

جدول(7): برخی از مشخصات پیشرفته درایوهای Perfect Harmony

توصیه ها

1-در بهینه سازی مصرف انرژی بجای یک یا چند موتور کل سیستم را در نظر بگیرید. در این نوع بررسی ها لازم است تاثیر اقدامات مورد نظر روی سایر سیستمها از جمله بهره برداری و تعمیر ونگهداشت بدقت مورد توجه قرار گیرد.
2-در هنگام تصمیم گیری در خرید موتور کل هزینه های چرخه عمر سیستم مورد نظر را مورد توجه قرار دهید. بیاد داشته باشید که معمولا هزینه اولیه خرید یک موتور، نسبت به هزینه های انرژی و تعمیر و نگهداشت آن در طول عمر مفید سیستم ناچیز است.
3-موتور را متناسب با بار انتخاب کنید. بعبارت دیگر از انتخاب موتور بزرگتر از نیاز بار اجتناب کنید.
4-هنگام خرید موتور، موتورهای با راندمان بالا(Energy Efficient Motors) را انتخاب کنید. و اگر سفارش ساخت ماشینی را به ماشین ساز میدهید از او بخواهید از موتورهای با راندمان بالا استفاده کند.
5-در جاهائی که نیاز به تغییر دور است از کنترل کننده دور موتور(Frequency Converter) استفاده کنید.
6-در کنترل فلو/حجم در پمپ/فن از کنترل کننده دور موتور استفاده کنید.
7-معمولا جایگزینی یک موتور با راندمان بالا بجای یک موتور سوخته با توجه به هزینه های چرخه عمر آن اقتصادی است. بنابراین توصیه میشود با بررسیهای سیستماتیک حتی المقدور بجای سیم پیچی مجدد موتور سوخته آنرا با موتور با راندمان بالا جایگزین کنید.
8-شبکه توزیع برق کارخانه را همواره چک کنید.
9-ولتاژ اعمالی به موتور باید ثابت و برابر با ولتاژ نامی موتور باشد.
10-موتورها را بموقع روغنکاری کنید.
11-سیستم تهویه موتور را همواره کارآمد نگهدارید. و دمای موتور را کنترل کنید.
12-از عدم تقارن ولتاژ برق کارخانه جلوگیری کنید.
13- از ترانسفورماتور متناسب با بار استفاده کنید.
در انتخاب درایو های ولتاژ متوسط(Medium Voltage AC Drive) دقت بیشتری بعمل آورید.( توصیه میشود از چهارچوب پیشنهادی در این مقاله کمک بگیرید)
14-شرکت پرتو صنعت همواره حاضر است بازگشت سرمایه ناشی از صرفه جوئی انرژی الکتریکی با استفاده از درایو را تضمین نماید. حتی در مواردی خود حاضر به سرمایه گذاری در تاسیسات شما خواهد بود. بنابراین در ممیزی انرژی تا آنجا که مسئله مربوط به استفاده از درایو میشود میتوانید با این شرکت مشاوره کنید.

خلاصه

در این مقاله بطور خلاصه به اهمیت صرفه جوئی انرژی در بخشهای صنعت اشاره کردیم. و خاطر نشان کردیم که این موضوع از دوجنبه اقتصادی و زیست محیطی اهمیت دارد. باید اضافه نمود که بهینه سازی مصرف انرژی بخشی از سیاستهای دولتی هر کشور پیشرفته ای نیز میباشد. در ایران نیز دولت بتدریج به این موضوع علاقه مند شده و اقداماتی نیز در حال انجام میباشد. اشاره شد که در ارتباط با صرفه جوئی انرژی ، موتورهای الکتریکی میتواند یک هدف بسیار مهم باشد. برتریهای فنی موتورهای با راندمان بالا نسبت به سایر موتورها موجب شده است که کشورهای پیشرفته تولید موتورهای معمولی را طبق یک جدول زمانی متوقف سازند . توصیه شد که کارخانجات میتوانند با بکارگیری اقدامات ساده و بسیار کم هزینه میتوانند صرفه جوئی قابل توجهی در مصرف انرژی بدست آورند. در ادامه مقاله از کنترل کننده های دور موتور بعنوان دستگاههای فوق العاده مؤثر در کاهش انرژی مصرفی بسیاری از تجهیزات کارخانجات یاد کردیم. و نشان دادیم که در کاربردهائی نظیر فن و پمپ استفاده از درایوها میتواند تا 50 درصد در کاهش مصرف انرژی مؤثر باشند. ضمنا به یک نمونه عملی با نتایج عالی در صنایع کشورمان اشاره کردیم. و در خاتمه توصیه های مفید و عملی برای بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع مطرح شد.
به امید روزی که کارخانجات کشورمان با رعایت این نکات مسئولیت اجتماعی خود را در قبال محیط زیست ایفا کنند، و با بکارگیری این اصول نسبت به رقبای خود برتری اقتصادی بدست آورند.
منابع:
دکتر هاشم اورعی،"بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورهای صنعتی" مرکز تحقیقات نیرو، 1373.
کاظم دولت آبادی، "ارزیابی و انتخاب درایو Medium Voltage"، شرکت پرتوصنعت، 1382.
-اطلاعات‌ در دسترس‌ وخصوصی‌تعدادی‌ از تولید کنندگان‌ داخلی‌موتورهای‌ الکتریکی‌
-کاتالوگ‌ محصولات‌ شرکتهای‌ الکتروموتورسازی‌
ماهنامه صنعت برق
1- http://www.greenbusiness.com
2- http://www.magnumllc.com
3- http://www.vacon.com
4- Howard W. Penrose, ”A novel approach to industrial assessments for improved energy, waste stream, process and reliability”, Kennedy-Western University, 1999.
5- Shawn McNulty, Bill Howe, “Power Quality Problems and Renewable Energy Solutions”, 2002.
6- “Optimizing your motor-driven systems”,motor.doe.org.
7- “Reducing power factor cost”,motor.doe.org.
8- Determining Electric Motor Load and Efficiency”, motor.doe.org.
9- Dipl.Ing.(FH) Hugo Stadler ,“Energy Savings by means of Electrical Drives”, Loher GmbH.
10-Anibal T. De Almeida, Paula Fonseca, & others,“Improving the penetration of Energy-Efficient Motors and Drives”, University of Coimbra, Department of Electrical Engineering.
11-A.Shirazi, “ Potential Fro Implementation Of Energy Saving Measures In Selected Cement Factories In Iran “, Flensbusg University , Germany , March , 2002.
12-"Lower energy and chemicals costs at swedish sewage treatment plant", http://www.vacon.com/
13-http://www.water.vacon.com/
14-"Environmentally sound energy efficient strategies: a case study of the power sector in India ", http://www.uccee.org/
15-"Variable Speed Driven Pumps: Best Guide Practice", http://www.bpma.org.uk/Latest.asp
16-Kevin Wright,"Energy Solutions,"Rockwell Automation, July 2002.
17-Bimal K. Bose,"Energy, Environment, and Advances in Power Electronics," IEEE Trans. Power Electronics, VOL. 15, No. 4, July 2000
18-H. Stadler , Energy Savings byMeans of Electrical Drives ,3th.Energy Efficieney in MotorDriven Systems , Italy 2002
19-D . Vanson ,"Cast Copper RotorsRotors - Efficency Test Reslts" CDASpring- Meeting , June 2000
20-J.G. Cowie et al, "Materials to Die-Cast the Copper Conductors of theInduction Motor", Die CastingEndgineet , 2001
21- S. Lie et al , "Copper Die- CasRotor Efficiency Imprvement andEconomic Consideration" IEEETrans. Energy Convers., VOL .10,NO, 3, 1995
22- M . Poloujadoff et at , " SomeEconmical Comparisons BetweenAluminum and Copper SquirrelCages " , IEEE Trans. Ebergy.,Convers vol . 10 , No . 3-1995
23- 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
, 2002 Hot Dies for
24-EURODRIVE CompanyCatalouy Catalouge , " EnergySaving Motors by sew-Euodrive :Effl, Eff2, among otgers", 2002
25- D.T Peters et al , " ImprovedMotor Efficiency and performanceThrough the Die- Cast CopperRotors" , Int. Conf
. Electrical Machines
, Belgium , 2002
26- " Energy Efficent Motors -DTE/DVE " , Sew EurodriveCatalog 11226226 ,2003
27-Baldor , Brook Crompton ,EmersonMotors , Leroy Somer,A.O. Smith
28-www.partosanat.com
29- bselectron.mihanblog.com

بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورها (2)

کاربرد کنترل کننده های دور موتور در صرفه جویی انرژی

بحت انرژی از دو دیدگاه اقتصادی و زیست محیطی حائز اهمیت است . بهینه سازی مصرف انرژی به این معنی است که بتوان با استفاده از تجهیزات و یا مدیریت بهتر همان کار را ولی با مصرف انرژی کمتر انجام بدهیم .
صرفه جوئی انرژی می تواند با استفاده از تجهیزات بهتر نظیر : عایق بندی مطلوب ، افزایش راندمان سیسمتهای حرارتی، و بازیابی تلفات حرارتی بدست آید از طرف دیگر اعمال مدیریت انرژی، بمنظور درک سیستمهای موجود و طریقه استفاده از آنها، میتواند در کاهش مصرف انرژی نقش مهمی داشته باشد. در سیاست گذاری انرژی باید سازمانها رویکرد سیستمی داشته باشند. برای مثال در بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی هدف تنها کاهش هزینه های انرژی یک یا چند الکتروموتور مشخص نیست، بلکه باید آثار اقدامات مورد نظر روی سایر سیستمها نیز بدقت مورد توجه قرار گیرد. در یک بنگاه اقتصادی صرفه جوئی انرژی میتواند موجب برتری رقابتی بنگاه گردد.
در اغلب بخش های صنعتی انرژی الکتریکی مهمترین منبع انرژی صنعت بشمار می رود . از آنجا که موتورهای الکتریکی، مصرف کننده اصلی انرژی الکتریکی در کارخانجات صنعتی میباشند. لذا بهینه سازی مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی که موضوع مقاله است از اهمیت ویژه ای برخوردار خواهد بود . برای درک اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی به این مورد اشاره می کنیم که اگر راندمان موتورهای الکتریکی القائی موجود در اروپا تنها به میزان 1% افزایش یابد، هزینه مصرف انرژی الکتریکی به میزان 6/1 میلیارد دلار در سال کاهش خواهد یافت
آمار منتشر شده از سوی وزارت نیرو نشان می دهد در سال 1373 ، 5/38% از کل انرژی الکتریکی مصرف شده در ایران توسط موتورهای الکتریکی بوده است. البته این میزان در کشورهای صنعتی تا 65% می رسد و شاخص خوبی برای نشان دادن سطح صنعتی شدن یک کشور می باشد . اهداف بهینه سازی مصرف انرژیرا میتوان بصورت زیر بیان نمود:
1) استفاده منطقی از انرژی
2) حفظ منابع انرژی
3) اصلاح میزان مصرف انرژی در بخشهای مصرف کننده انرژی
4) کاهش گازهای گلخانه ای و آلودگی هوا
5) اصلاح وضعیت موجود
6) کسب برتری رقابتی در بنگاههای اقتصادی
می توان اقدامات مختلفی برای صرفه جوئی انرژی الکتریکی در الکتروموتورهای صنعتی بعمل آورد. در حالت کلی این اقدامات به دو دسته تقسیم میشود:
1- اقدامات مربوط به طراحی موتور
2- اقدامات مربوط به بهره برداری از موتورها
اقدامات مربوط به بهره برداری از موتورها را نیز میتوان به دو دسته تقسیم نمود:
1- اقدامات روی موتور، نظیر تهویه، روغنکاری، و بارگذاری
2- استفاده از درایو یا کنترل کننده دور موتور
در ادامه نخست روشهای بهینه سازی مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی را مورد بحث قرار می دهیم سپس کاربرد درایوها در کنترل موتورهای الکتریکی و تاثیری که آنها می تواند در صرفه جوئی مصرف انرژی بگذارند مورد بررسی قرار خواهد گرفت .

1- مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی

در سالهای اخیر بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع بدلایل اقتصادی و زیست محیطی اهمیت بیشتری یافته و موجب شده است که اقدامات عملی گسترده ای در این زمینه بعمل آید. علی رغم اینکه یکی از بزرگترین مصرف کنندگان انرژی الکتریکی در بخش صنعت موتورهای الکتریکی می باشند ، لیکن در زمینه افزایش بازدهی مبدلهای انرژی الکتریکی به مکانیکی مستقر در صنایع اقدامات عملی چندانی بعمل نیامده است. بدیهی است که افزایش بازدهی محرک های صنعتی نه تنها از نظر اقتصادی مورد توجه استفاده کنندگان می باشد بلکه در برنامه‌ریزی انرژی در سطح ملی نیز حائز اهمیت است .
مطالعات انجام شده در صنایع ایران حکایت از وضعیت نابسامان انتخاب و بهره برداری از موتورهای الکتریکی دارد . بر اساس این تحقیقات اغلب موتورها بزرگتر از میزان نیاز انتخاب شده و در شرائط بدی نگهداشت میشوند. استفاده از موتورهای با راندمان بالا در ایران رایج نبوده و گزارش موثری از استفاده از درایو جهت صرفه جوئی انرژی در دست نیست. کاربردهای صنعتی بسیاری می تو.ان یافت که موتورها در بازدهی بسیار پایین تر از مقدار حداکثر قرار دارند . بعنوان مثال در یکی از کارخانجات صنعتی کشورمان در یک مورد ، متوسط توان مصرفی در یک موتور القائی سه فاز صنعتی تنها 28% توان نامی اندازه گیری شده است . بدیهی است پایین بودن توان خروجی، تا این حد تاثیرات منفی قابل توجهی بر بازدهی و ضریب توان موتور خواهد داشت .
از سوی دیگر دولت نیز نتوانسته است در ترویج فرهنگ استفاده بهینه از انرژی الکتریکی توفیقات خوبی داشته باشد. بعنوان مثال وزارت نیرو و سازمانهای وابسته به آن که مشخصا در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی در سطح کلان عمل میکند هنوز در ارتباط با کاهش مصرف داخلی نیروگاهها اقدام موثری بعمل نیاورده است. در حالیکه پتانسیل صرفه جوئی انرژی الکتریکی زیادی در نیروگاهها وجود دارد.

2- موانع در سیاست گذاری انرژی

در ایران موانعی که سر راه بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی وجود دارد را میتوان بصورت زیر دسته بندی نمود:
- سیاست دولت در پرداخت سوبسید به صنایع
- عدم آگاهی مدیران صنایع از روشهای صرفه جوئی انرژی الکتریکی
- ضعف دانش فنی مهندسین مرتبط با بهینه سازی مصرف انرژی
- نگرانی از ضریب اطمینان درایو و آثار منفی آن روی شبکه و موتور
- نداشتن یک رویکرد سیستمی در استفاده از موتورهای با راندمان بالا

3- انتخاب موتور مناسب

موتورهای القائی سه فاز و یک فاز به دلیل تنوع مصرف در کاربردهای زیادی مورد استفاده قرار می گیرند. مشخصه های بارمکانیکی ناشی از کاربرد و مورد مصرف می باشد. بدیهی است موتور در صورتی می تواند بار مکانیکی متصل به آن را تامین کند که مشخصه عملکردی موتور منطبق بر مشخصه بار مکانیکی باشد .

3-1- تطابق موتور و بار

همانطور که در بالا اشاره شد موتور و بار دارای مشخصه های خاص خود می باشند . منظور از تطابق بین موتور و بار انطباق بین مشخصه های موتور و مشخصه های بار متصل به محور موتور میباشد .
مشکل اصلی در صنایع کشور آن است که در اغلب موارد تطابق مطلوبی بین مشخصه های بار و موتور وجود ندارد. توان اغلب موتورها بیش از بار متصل به محور شان می باشد و با توجه به اینکه قیمت تمام شده موتور متناسب با توان آن می‌باشد، لذا بدیهی است انتخاب موتور با توان بیش از نیاز بار، علاوه بر افزایش هزینه اولیه موتور موجب افزایش سایر هزینه ها از قبیل کابل کشی و نصب و راه اندازی و تعمیر خواهد شد .
از طرف دیگر در صورتیکه موتور انتخاب شده بزرگتر از حد لازم باشد در این صورت موتور در حالت بار کامل و یا نزدیک به بار کامل کار نکرده و لذا بازدهی آن پایین تر از مقدار حداکثر آن خواهد بود . و خود این امر اشکالات جدی در بهینه سازی مصرف انرژی ایجاد خواهد کرد .
در موتورهای القائی سه فاز در صورت کاهش میزان بازدهی موتور ، به ویژه به میزان کمتر از 80% بار کامل ، شاهد کاهش قابل توجه در بازدهی موتور خواهیم بود . متاسفانه در اکثر موارد به این نکته توجه نشده و تنها تاثیر نامطلوب انتخاب موتور بزرگتر از حد لازم بر هزینه اولیه مورد توجه قرار می گیرد . در صورتیکه محاسبات انجام شده حاکی از آن است که تاثیر انتخاب نامناسب موتور بر هزینه های متغیر (هزینه اتلاف انرژی اضافی) قابل توجه و بمراتب بیش از افزایش هزینه ثابت اولیه می باشد .
یک مثال این موضوع را روشن خواهد کرد :
مثال : فرض می کنیم برای انجام یک کار مکانیکی ، موتور القائی سه فاز با توان خروجی 110 کیلو وات مناسب باشد و بجای آن موتور با توان 132 کیلو وات انتخاب شود . اطلاعات زیر را مورد توجه قرار می دهیم :
01. بازدهی موتور در بار کامل = 2/94%
02. بازدهی موتور در 3/83% بار کامل = 5/92%
03. طول عمر مفید موتور = 15 سال
04. ضریب کارکرد = 8/0
با انجام کمی محاسبات می توان نتیجه گرفت که مصرف انرژی در طول 15 سال بمقدار 600/937 کیلو وات ساعت افزایش پیدا خواهد کرد. مطالب فوق این واقعیت را بیان می کند که انتخاب موتور مناسب به لحاظ اقتصادی حائز اهیمت فراوان بوده و لذا تطابق بین بار و موتور از اهمیت ویژه ای برخوردار است . انتخاب موتور بزرگتر از حداقل مورد نیاز به دلایل زیر غیر اقتصادی می باشد :
1- با افزایش توان موتور قیمت آن یعنی هزینه اولیه افزایش می یابد .
2- با افزایش توان موتور هزینه های نگهداری و تعمیرات آن افزایش می یابد .
3- با افزایش توان موتور بدلیل پایین آمدن ضریب بار ، بازدهی موتور کاهش یافته و بدین ترتیب انرژی تلف شده افزایش می یاید .

3-2- موتورهای با راندمان بالا (Energy Efficient Motors)

گرچه قیمت موتورهای با راندمان بالا بیشتر از موتورهای استاندارد است، ولی در اغلب کاربردها استفاده از آنها کاملا اقتصادی است. مخصوصا در کاربردهائی که:
- مدت زمان روشن بودن موتور بیش از زمان خاموش بودن ان باشد
- مدت زمان روشن بودن موتور بیش از 2000 ساعت در سال باشد
- گشتاور بار نسبتا ثابت بوده و موتور بدرستی به بار تطبیق شده باشد.
استفاده از موتورهای با راندمان بالا توصیه میشود. بارهائی چون میکسرها، نقاله ها و فیدرها از این نوع هستند. اهمیت موضوع وقتی آشکار میشود که توجه کنیم که هزینه انرژی مصرفی یک الکتروموتور در طول عمر مفید آن 10 تا 20 برابر قیمت موتور است. موتورهای با راندمان بالا علاوه بر صرفه جوئی انرژی معمولا مزیتهای دیگری نیز دارند. برای مثال آنها جریان های بیشتری را در هنگام راه اندازی تحمل میکنند و حرارت و نویزکمتری تولید میکنند. هر چند که موتورهای با راندمان بالا تنها 2 تا 3 درصد راندمان را بهبود میدهند، اما اگر در انتخاب و بکارگیری آنها بجای یک موتور کل سیستم در نظر گرفته شود، اثر بخشی کار بالا خواهد رفت. با رویکرد سیستمی به موضوع و در نظر گرفتن عوامل دیگر نظیر هزینه های تعمیر و نگهداشت و بهره برداری میتوان به کارائی این موتورها بیشتر پی برد. میزان صرفه جوئی انرژی در صورت استفاده از موتور با راندمان بالا، به جای موتورهای استاندارد از رابطه زیر قابل محاسبه است:

در رابطه فوق hp توان موتور بر حسب اسب بخار، l ضریب بار( در صد از بار کامل تقسیم بر 100)، hr ساعات کار در طول سال، c متوسط قیمت انرژی ee راندمان?std راندمان موتور استاندارد (%)، و ?(قیمت هر کیلووات ساعت انرژی)، موتور با راندمان بالا (%) است.
توصیه میشود هنگام خرید موتور و یا سفارش ساخت ماشین به سازندگان ماشین از موتورهای با راندمان بالا استفاده گردد. همچنین معمولا اقتصادی است که بجای سیم پیچی کردن موتورهای سوخته و استفاده مجدد از آنها، از موتورهای با راندمان بالا استفاده گردد. زمان بازگشت سرمایه(به سال) در خرید این نوع موتورها، بطور ساده عبارت خواهد بود از:

4- اقدامات مورد نیاز برای بهبود عملکرد سیستمهای مرتبط با الکتروموتورها

یک موتور معمولا با اجزا و سیستمهای دیگر در ارتباط است. برای بهبود عملکرد الکتروموتورها لازم است سیستمهای مرتبط با موتور نیز در نظر گرفته شود. این سیستمها شامل شبکه برق، کنترل کننده های موتور، الکتروموتور و سیستم انتقال نیرو میگردد.

4-1- کیفیت توان Power Quality

مسائل کیفیت توان شبکه شامل کلیه اختلالات شبکه برق مثل عدم تقارن در ولتاژ، افت ولتاژ، چشمک زدن، اسپایک، سیستم ارت بد ، هارمونیکها و نظایر آن میشود. از آنجا که کیفیت توان تاثیر زیادی در اتلاف انرژی دارد، لازم است یک مهندس مجرب وضعیت شبکه برق تاسیسات را زیر نظر داشته باشد.

4-2- تثبیت ولتاژ شبکه

تا آنجا که ممکن است باید ولتاژ اعمالی به موتور نزدیک به ولتاژ کار موتور باشد. گرچه تغییرات 10% در ولتاژ موتور مجاز است اما از نقطه نظر اتلاف انرژی میزان انحراف از ولتاژ نامی موتور باید کمتر از 5% باشد. تغییر ولتاژ موتور موجب افت ضریب قدرت، عمر مفید موتور و راندمان میگردد. شکل(1)

شکل(1): بررسی تائیر تغییرات ولتاژ اعمالی به موتور روی تورک، جریان راه اندازی، جریان بار کامل، راندمان و ضریب قدرت
اگر ولتاژ موتور بیش از 5% کاهش پیدا کند، راندمان بین 2 تا 4 درصد افت پیدا کرده و دمای موتور حدود 15 درجه افزایش می یابد و این افزایش دما عمر عایق موتور را کاهش خواهد داد. در شکل(2) عمر موتور در دماهای کار مختلف و با کلاسهای عایقی مختلف نشان داده شده است.

شکل (2): بررسی تاثیر دمای کلافهای موتور روی عمر مفید آن برای موتورهای با کلاس عایقی مختلف

4-3- عدم تقارن فاز

عدم تقارن فاز باید کمتر از 1% باشد. عدم تقارن فاز بصورت زیر توسط NEMA تعریف شده است:

برای مثال اگر ولتاژهای فاز بترتیب 462 و 463 و 455 ولت باشد. متوسط ولتاژ سه فاز برابر با 460 ولت میشود و در صد عدم تقارن بصورت زیر محاسبه خواهد شد:

ضریب قدرت

ضریب قدرت پائین موجب افزایش جریان کابلها و ترانسقورماتورها و افت ولتاژ شده و بدین ترتیب باعث کاهش ظرفیت سیستم تغذیه میشود. ضریب قدرت پائین ناشی از بار کم در شفت موتور است. در شکل (3) منحنیهای ضریب قدرت برای بارهای مختلف و رنجهای توانی متفاوت موتورها آمده است . بوضوح مشاهده میشود با کاهش بار موتور ضریب قدرت تغییرات قابل توجهی میکند.

5- روش های عملی برای افزایش بازدهی موتور

اشاره شد که بالا بردن بازدهی متوسط موتورهای القائی به لحاظ اقتصادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است . بدیهی است نحوه عمل و دستیابی به نتایج مطلوب وابسته به نوع و اندازه موتور ، شرایط بارگذاری ، نحوه نگهداری و غیره بوده و لذا نمی توان دستور العمل کلی برای ارتقاء بازدهی کلیه موتورهای القائی ارائه داد. بطور کلی اقدامات لازم برای بالا بردن بازدهی موتورهای القائی را می توان به دو دسته تقسیم نمود . دسته اول تمهیداتی است که در زمان طراحی و ساخت موتور باید بکار گرفت . دسته دوم شامل مجموعه اقدامات عملی جهت بالا بردن بازدهی موتورهای القائی در حال کار در صنایع می شود .
اقدامات عملی ساده ای منجر به افزایش راندمان کار می گردد به عنوان مثال مقدار معمول جریان بی باری در موتورهای القائی سه فاز در محدوده 3 تا 5 درصد جریان نامی موتور است . ولی در بررسی های بعمل آمده مشاهده شده است که در اکثر موراد جریان بی باری موتور بیشتر از این مقدار بوده و در برخی موارد تا 12% جریان نامی افزایش یافته است . این افزایش در جریان بی باری موتور بعلت عدم نگهداری صحیح از موتور است . در اکثر موارد این شرائط نامطلوب در حالات بارگذاری نیز مشاهده می شود. به این معنی که با اعمال بار مکانیکی غیر مفید به محور موتور ، بصورت اصطکاکهای مکانیکی ناشی از عدم نگهداری صحیح، موجب میشود که موتور بار اعمال شده را در جریان الکتریکی بیشتری تامین می کند . و در واقع بخشی از توان الکتریکی ورودی صرف تامین بار و قسمت دیگر آن برای غلبه بر اصطکاک مکانیکی مصرف می شود .
بدین ترتیب موارد زیر را در ارتباط با تلفات اهمی موتور میتوان بیان کرد :
1- تلفات اهمی موتور متغیر بوده و تابعی از میزان و نحوه بارگذاری موتور می باشد .
2- در بسیاری از موارد عدم نگهداری صحیح از قسمتهای چرخان موتور به ویژه بلبرینگ محور موتور ، موجب ایجاد بار مجازی ناشی از افزایش اصطکاک مکانیکی شده و لذا جریان ورودی موتور در حالت بی باری و بار از حد مطلوب و اعلام شده توسط سازنده بیشتر خواهد شود
3- افزایش جریان ورودی موتور موجب بالا رفتن تلفات اهمی و حرارت ایجاد شده در سیم پیچ شده و لذا درجه حرارت اطراف سیم پیچ افزایش خواهد یافت .
از مشخصات بارز تلفات مکانیکی موتور دشواری محاسبه میزان و تعیین منابع آن است . بخش عمده تلفات مکانیکی در قسمت های چرخان موتور بوده و ناشی از اصطکاک و بار می باشد و لذا میزان تلفات مکانیکی تا حد زیادی وابسته به شرایط نگهداری موتور دارد . با روغن کاری مناسب و بموقع بلبرینگ و نظافت قسمتهای چرخان موتور و همچنین اطمینان از بالانس بودن محور ، میتوان تلفات مکانیکی موتور را به حداقل رساند بدین ترتیب در ارتباط با تلفات مکانیکی موتور میتوان موارد زیر را اظهار داشت :
1- میزان تلفات مکانیکی تابعی از شرایط نگهداری موتور می باشد .
2- با انجام اقدامات مناسب در نگهداری موتور می توان تلفات مکانیکی را بسادگی در مقدار حداقل خود نگه داشت.
3- تلفات مکانیکی نیز منجر به افزایش درجه حرارت بویژه در قسمتهای چرخان موتور می شود .
انواع تلفات موتور بدون توجه به نوع آن منجر به ایجاد حرارت می شود بدین ترتیب خنک کاری موتور بویژه در شرائطی که موتور زیر بار است از اهمیت ویژه ای برخوردار است . بالا رفتن درجه حرارت موتور باعث کاهش عمر مفید آن می‌شود .
در موارد زیادی مشاهده شده است که بدلیل عدم رعایت نکات ساده و مهم در نگهداری موتور باعث کاهش بازدهی سیستم خنک کن شده و درجه حرارت موتور در حالت بار نامی افزایش پیدا کند . در این گونه موارد گاهی اوقات بجای رفع اشکال نگهداری، اقدام به جایگزین کردن موتور با توان بیشتر می شود که این امر خود منجر به کاهش بازدهی سیستم و اتلاف انرژی خواهد شد .
بر اساس تجارب شرکت پرتو صنعت نوع دیگری از اشکالات مربوط به سیم پیچی موتورهای معیوب توسط افراد غیر متخصص می شود. مشاهدات ما نشان می دهد که در برخی از موارد موتور بدفعات مورد سیم پیچی قرار می گیرد . عدم رعایت نکات فنی در عایق بندی موتور سیم پیچی شده و همچنین استفاده از ابزار و آلات غیر اصولی در درآوردن سیم پیچی سوخته شده موتور نتایج بدی بدنبال دارد .
بعنوان یک اصل تجربی موتورهائی که به این شیوه سیم پیچی مجدد می شوند برای کار با اینورتر یا کنترل کننده دور موتور مناسب نیستند. اغلب این موتورها بدلیل آسیب هائی که به مدار مغناطیسی آنها در حین سیم پیچی وارد می شود از جریان بی باری بالاتر از حد معمول برخوردار بوده و عایق بندی آنها برای کار با اینورتر مناسب نمی باشد . این نوع موتورها حرارت بیشتری نسبت به موتورهای سالم دارند و تلفات انرژی زیادی ایجاد می کنند . ضمناً این موتورها بمراتب آسیب پذیرتر از موتورهای فابریک می باشند . توصیه می شود در سیم پیچی موتورهای آسیب دیده از تکنیسین های مجرب و ابزارآلات مناسب استفاده شود . ضمناً تا زمانیکه اطمینان از فرآیند کار حاصل نشده باشد از استفاده از این نوع موتورها همراه با کنترل کننده دور موتور اجتناب گردد .
توصیه می شوداگر قصد تعویض این نوع موتورها را دارید و یا میخواهید موتورهای جدیدی تهیه کنید، موتورهائی تهیه کنید که راندمان بالاتری داشته باشند.

6- دستور العملهای لازم برای بهبود عملکرد موتورهای الکتریکی

اشاره شد که عوامل موثر در بازدهی موتورهای الکتریکی را می توان بصورت زیر بیان نمود :
- عوامل موثر در مراحل طراحی و ساخت
- عوامل موثر در بهره برداری
بررسی عوامل موثر فوق خارج از حوصله این مقاله است. یک مطالعه خوب از عوامل فوق توسط آقای دکتر اوروعی در سال 1373 انجام گرفته است . در اینجا بطور خلاصه به عوامل موثر در بهره برداری از موتور که به افزایش بازدهی آنها منجر خواهد شد اشاره میشود.در جدول(1) خلاصه ای از عوامل موثر در بازدهی موتورهای الکتریکی آمده است .

جدول (1) عوامل موثر در بازدهی موتورهای الکتریکی
همان طور که مشاهده می شود مجموعه اقدامات ساده فوق خصوصاً اقداماتی که به عوامل وابسته به شرایط نگهداری موتور می شود می تواند منجر به صرفه جوئی اقتصادی قابل توجهی شود .
برای اطمینان یافتن از اینکه بازدهی موتورهای مستقر در صنایع و سایر کاربردها در حد مطلوب قرار دارد می توان نسبت به تدوین شناسنامه صنعتی برای هر موتور ( و بویژه موتورهای بزرگ) اقدام نموده و با ثبت اطلاعات مورد نظر از جمله موارد زیر بازدهی این موتور ها را مورد بررسی قرار داد :
- میزان بار (درصد از بار کامل)
- میزان تغییرات بار ( درصد از بار کامل)
- میزان تغییرات سرعت (درصد از سرعت سنکرون)
- میزان تغییرات ولتاژ شبکه (درصد از ولتاژ نامی)
توصیه میشود کارخانجاتی که در آنها تعداد موتور مورد استفاده زیاد می باشد نسبت به جمع آوری اطلاعات فوق و اقدامات اصلاحی اقدام نمایند.
ادامه دارد ....

بهینه سازی مصرف انرژی در الکتروموتورها (3)

7- دسته بندی اقدامات لازم برای بهینه سازی مصرف انرژی

برای روشن شدن تاثیر اقدامات مختلف برای افزایش بازدهی موتورهای الکتریکی در جدول(2) نتایج قابل انتظار این اقدامات برای دسته ای از موتورهای القائی با توان خروجی 2/2 تا 30 کیلو وات نمایش داده شده است .

جدول (2) : اقدامات محتلف برای افزایش بازدهی موتورهای الکتریکی با توان 2/2 تا 30 کیلو وات .

8- تکنولوژی الکترونیک قدرت و درایوهای AC

تکنولوژی الکترونیک قدرت(Power Electronics)، بهره وری و کیفیت فرایندهای صنعتی مدرن را بی وقفه بهبود میبخشد. امروزه با کمک همین تکنولوژی امکان استفاده از منابع انرژی غیرآلاینده بازیافتی(Renewable Energy)، نظیر باد و فتو ولتائیک فراهم شده است. تخمین زده میشود که با استفاده از الکترونیک قدرت، حدود 15 تا 20 درصد امکان صرفه جوئی انرژی الکتریکی وجود دارد[17]. در واقع با کاهش بیوقفه قیمت ها در عرصه الکترونیک قدرت زمینه برای حضور آنها در کاربردهای صنعتی، حمل ونقل و حتی خانگی فراهم میگردد.
نیروی محرک بیشتر پمپها و فن ها موتورهای القائی هستند که در دور ثابت کار میکنند. لیکن در سالهای اخیر با پیشرفتهای انجام گرفته در زمینه تکنولوژی الکترونیک قدرت ، استفاده از موتورهای القائی قفس سنجابی همراه با کنترل کننده دور موتور (AC DRIVE یا اینورتر یا بطور ساده درایو) رو به گسترش است . درایوها دستگاههائی هستند که توان ورودی با ولتاژ و فرکانس ثابت را به توان خروجی با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل میکنند. باید توجه کرد که دور یک موتور تابعی از فرکانس منبع تغذیه آن است. برای این منظور یک درایو نخست برق شبکه را به ولتاژ DC تبدیل کرده و سپس آنرا با استفاده از یک اینورتر مجددا به ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ متغیر تبدیل میکند. در شکل(4) قسمتهای اصلی یک درایو ولتاژ پائین نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میکنید قسمت اینورتر متشکل از سوئیچهای قدرتی است که در سالهای اخیر تغییرات تکنولوژیک زیادی پیدا کرده اند. در واقع با معرفی سوئیچهای قدرتی چون IGBT با قیمتهای رو به کاهش، زمینه برای عرضه درایوهای با قیمت مناسب فراهم شد. در هر حال خاطر نشان میکنیم که شکل موج خروجی درایو ترکیبی از پالسهای DC با دامنه ثابت است. این موضوع موجب میشود که خود درایو منشا اختلالاتی در کار موتور شود. برای مثال کیفیت شکل موج خروجی درایو میتواند سبب اتلاف حرارتی اضافی ناشی از مولفه های هارمونیکی فرکانس بالا در موتور شده و یا موجب نوسانات گشتاور Torque Pulsation در موتور گردد. با این حال درایوهای امروزی بدلیل استفاده از سوئیچهای قدرت سریع این نوع مشکلات را عملا حذف کرده اند.

شکل(4): ساختمان یک کنترل کننده دور موتور ( فقط قسمتهای قدرت نشان داده شده است).
کنترل کننده های دور موتورهای الکتریکی هر چند که ادوات پیچیده ای هستند ولی چون در ساختمان آنها از مدارات الکترونیک قدرت استاتیک استفاده می شود و فاقد قطعات متحرک می باشند، از عمر مفید بالائی برخوردار هستند . مزیت دیگر کنترل کننده های دور موتور توانائی آنها در عودت دادن انرژی مصرفی در ترمزهای مکانیکی و یا مقاومت های الکتریکی به شبکه می باشد . در چنین شرائطی با استفاده از کنترل کننده های دور مدرن می توان از اتلاف این نوع انرژی جلوگیری نمود . بطوریکه در برخی کاربردها قیمت انرژی بازیافت شده از این طریق ، در کمتر از یکسال معادل هزینه سرمایه گذاری سیستم بازیافت انرژی می شود .

9- کنترل کننده های دور موتور

تا اینجا درمورد مجموعه اقداماتی که برای بهینه سازی مصرف انرژی میتوانستیم روی موتورهای الکتریکی اعمال کنیم بحث شد. اشاره شد که در کشور ایران در سال 73 بیش از 35 درصد مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی بخش صنعت بوده است . البته این مقدار در کشورهای صنعتی تا 65 در صد نیز میرسد. این امر اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی را نشان میدهد. در این قسمت از مقاله در مورد تاثیر استفاده از کنترل کننده های دور موتور در کاهش مصرف انرژی صحبت خواهیم کرد. سعی میکنیم با استفاده از تعدادی مثال اهمیت
موضوع را نشان دهیم . بطور خلاصه در کاربردهای صنعتی زیادی، صرفه جوئی که با استفاده از کنترل کننده دور موتور در مصرف انرژی حاصل میشود بمراتب بیشتر از اقدامات برشمرده در قسمتهای قبلی مقاله است.
استفاده از موتورهای مجهز به کنترل کننده دور موتور ، امکان اعمال تغییرات لازم در سرعت موتور فن و یا پمپ را بطور دائم فراهم آورده و بدین ترتیب می توان با توجه به فرآیند مورد نظر از اتلاف انرژی ایجاد شده در تنظیم کننده های مکانیکی جلوگیری نمود . با استفاده از درایو موتور به بار تطبیق داده شده ، و هر گونه نیاز به خاموش و روشن کردن موتور و یا ادوات تنظیم کننده نظیر شیر یا دمپر حذف می گردد . همچنین کنترل سرعت دقیق و متعاقب آن توان خروجی قابل دسترسی بوده و با توجه به استفاده از مدارات الکترونیکی ، استهلاک قسمتهای کنترل کننده در حد بسیار پایین خواهد بود . تصمیم گیری در مورد استفاده از موتور با کنترل کننده دور متغییر بستگی به نوع کاربرد مورد نظر دارد . از آنجا که هزینه اولیه این سیستمها (کنترل کننده دور موتور) بیش از سایر روشها می باشد و با توجه به اینکه صرفه جوئی ناشی از بالا بودن بازدهی تنها بصورت کاهش هزینه راهبری نمایان می شود، لذا استفاده از موتورهای مجهز به کنترل کننده دور در طول زمان منجر به صرفه جوئی اقتصادی می شود . معمولاً بسته به نوع کاربرد زمان بازگشت سرمایه گذاری بین یک تا سه سال متغیر خواهد بود .
متاسفانه در اکثر موارد مهمترین عامل در انتخاب محرک قیمت اولیه است. بدین معنی که سیستم بر مبنای کمینه سازی هزینه اولیه انتخاب می شود. در حالیکه در طول عمر مفید آن هزینه قابل توجهی صرف انرژی تلف شده و یا تعمیر و نگهداری می شود .
در شکل(5) میزان استفاده از کنترلرهای دور متغیر نشان داده شده است.

کنترل کننده های دور موتور انواع مختلفی دارند. آنها قادرند انواع موتورهای AC و DC را کنترل کنند. قیمت کنترلرها وابسته به نوع تکنولوژی بکار رفته در ساختمان آنها میباشد. ساده ترین روش کنترل موتورهای AC روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس(یا کنترل V/F ثابت) میباشد. اینک این روش، بطور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. این نوع کنترلرها از نوع اسکالر بوده و بصورت حلقه باز با پایداری خوب عمل میکنند. مزیت این روش سادگی سیستمهای کنترلی آن است. در مقابل این نوع کنترلرها برای کاربردهای با پاسخ سریع مناسب نمیباشند.
روبوتها و ماشینهای ابزار نمونه هائی از کاربردهای با دینامیک بالا هستند. در این کاربردها روشهای کنترلی برداری استفاده میشود. در روشهای کنترلی برداری با تفکیک مولفه های جریان استاتور به دو مولفه تورک ساز و فلو ساز، و کنترل آنها با استفاده از رگولاتورهای PI ترتیبی داده میشود که موتور AC نظیر موتور DC کنترل شود. و بدین ترتیب تمام مزایای موتور DC از جمله پاسخ گشتاور سریع آنها در موتورهای AC نیز در دسترس خواهد بود. برای مثال پاسخ گشتاور در روشهای برداری حدود 10 – 20ms و در روشهای کنترل مستقیم گشتاور(Direct Torque Control) این زمان حدود 5ms است. اینک روشهای کنترل برداری متعددی پیاده سازی شده است که بررسی آنها خارج از حوصله این مقاله است. در هر حال نوع کنترلر مطلوب، متناسب با کاربرد انتخاب میگردد. در شکل(6) خلاصه ای از انواع روشهای کنترل موتورهای AC نمایش داده شده است.

شکل(6): خلاصه ای از انواع روشهای کنترل موتورهای AC

10- مزایای استفاده از کنترل کننده های دور موتور

مزایای استفاده از کنترل کننده های دور موتور هم در بهبود بهره وری تولید و هم در صرفه جوئی مصرف انرژی در کاربردهائی نظیر فنها ، پمپها، کمپروسورها و دیگر محرکه های کارخانجات ، در سالهای اخیر کاملا مستند سازی شده است. کنترل کننده های دور موتور قادرند مشخصه های بار را به مشخصه های موتور تطبیق دهند. این اسباب توان راکتیو ناچیزی از شبکه میکشند و لذا نیازی به تابلوهای اصلاح ضریب بار ندارند. در زیر به مزایای استفاده از کنترل دور موتور اشاره میشود:
? 1- در صورت استفاده از کنترل کننده های دور موتور بجای کنترلرهای مکانیکی، در کنترل جریان سیالات، بطور مؤثری در مصرف انرژی صرفه جوئی حاصل میشود. این صرفه جوئی علاوه بر پیامدهای اقتصادی آن موجب کاهش آلاینده های محیطی نیز میشود.
? 2- ویژگی اینکه کنترل کننده های دور موتور قادرند موتور را نرم راه اندازی کنند موجب میشود علاوه بر کاهش تنشهای الکتریکی روی شبکه ، از شوکهای مکانیکی به بار نیز جلو گیری شود. این شوکهای مکانیکی میتوانند باعث استهلاک سریع قسمتهای مکانیکی ، بیرینگها و کوپلینگها، گیربکس و نهایتا قسمتهائی از بار شوند. راه اندازی نرم هزینه های نگهداری را کاهش داده و به افزایش عمر مفید محرکه ها و قسمتهای دوار منجر خواهد شد.
? 3- جریان کشیده شده از شبکه در هنگام راه اندازی موتور با استفاده از درایو کمتر از 10% جریان اسمی موتور است.
? 4- کنترل کننده های دور موتور نیاز به تابلوهای اصلاح ضریب قدرت ندارند.
? 5- در صورتی که نیاز بار ایجاب کند با استفاده از کنترل کننده دور ، موتور میتواند در سرعتهای پائین کار کند . کار در سرعتهای کم منجر به کاهش هزینه های تعمیر و نگهداشت ادواتی نظیر بیرینگها، شیرهای تنظیم کننده و دمپرها خواهد شد.
? 6- یک کنترل کننده دور قادر است رنج تغییرات دور را ، نسبت به سایر روشهای مکانیکی تغییر دور، بمیزان قابل توجهی افزایش دهد. علاوه بر آن از مسائلی چون لرزش و تنشهای مکانیکی نیز جلو گیری خواهد شد.
? 7- کنترل کننده های دور مدرن امروزی با مقدورات نرم افزاری قوی خود قادرند راه حلهای متناسبی برای کاربردهای مختلف صنعتی ارائه دهند.

11- مدیریت بهینه سازی مصرف انرژی و نقش کنترل کننده های دور موتور

امروزه در کشورهای صنعتی الزامات زیست محیطی از یکسو و رقابت بنگاههای اقتصادی از سوی دیگر ، مدیریت بهینه سازی انرژی را در بصورت یک امر غیر قابل اجتناب در آورده است. مجموعه اقداماتی که برای صرفه جوئی انرژی در کارخانجات صورت میگیرد شامل مواردی چون جایگزینی موتورهای الکتریکی با انواع موتورهای با بازدهی بالا، استفاده از کنترل کننده های دور موتور در کاربردهائی که اتلاف انرژی در آنها زیاد است، بازیافت انرژی از پروسه های حرارتی و نظایر انها میشود. نتایج اعمال چنین اقداماتی نشان میدهد در موارد زیادی ، و بخصوص در جاهائی که از فنها ، پمپها، و کمپروسورها در فرایند تولید استفاده میشود، بکارگیری کنترل کننده های دور موتور علاوه بر انعطاف پذیر نمودن کنترل فرایند، تاثیر قابل توجهی در کاهش مصرف انرژی داشته است. در بسیاری از موارد زمان بازگشت سرمایه بین یک تا سه سال میباشد.
کمتر از 10% موتورها مجهز به درایو هستند. در حالیکه در بیش از 25% آنها استفاده از درایو توجیه اقتصادی دارد[16].
بر اساس مطالعات انجام گرفته توسط اتحادیه اروپا [10] تا سال 2005 میلادی پتانسیل صرفه جوئی انرژی بالغ بر 63.5 TWh در صنایع کشورهای عضو اتحادیه اروپا وجود دارد. که از این میزان بیش از 44.7 TWh آن توجیه اقتصادی دارد. این میزان صرفه جوئی انرژی تنها در سایه استفاده از موتورهای با راندمان بالا و درایو بدست میاید. که سهم درایو در صرفه جوئی دارای توجیه اقتصادی حدود 63% است. نتایج چنین مطالعاتی را بطور خلاصه در جدول(3) مشاهده میکنید.

جدول(3): پتانسیل فنی و اقتصادی صرفه جوئی انرژی با استفاده از موتورهای با راندمان بالا(EEM) و کنترل دور(VSD) در کشورهای عضو اتحادیه اروپا تا سال 2005.
مطالعه فوق با تفکیک بار پتانسیل اقتصادی صرفه جوئی انرژی را نیز در اتحادیه اروپا مشخص نموده است. که نتایج آنرا در شکل(7) مشاهده میکنید.

شکل(7): پتانسیل صرفه جوئی اقتصادی درکشورهای عضو اتحادیه اروپا به تفکیک نوع بار

12- پمپ ها و فن ها

چیزی حدود 40 درصد انرژی مصرفی در بخش صنعت در پمپها و فنها مصرف میشود. برای مثال در انگلستان ترکیب مصرف کنندگان انرژی در موتورها و در کاربردهای صنعتی بصورت زیر است[15].

شکل(8): میزان انرژی مصرفی توسط بارهای مختلف در انگلستان
اغلب این سیستمها از موتورهای القائی با روتور قفس سنجابی استفاده میکنند. و خروجی توسط ادواتی چون شیرهای تنظیم کننده و دمپرها کنترل میشوند. متاسفانه مقادیر قابل توجهی انرژی توسط این فنها و پمپها تلف میشوند. موتورهای بکار رفته در اغلب این ادوات از مقدار مورد نیاز بزرگتر بوده و سیستمهای مکانیکی تنظیم کننده جریان سیالات در آنها بسیار تلفاتی میباشند. به این عوامل باید هزینه های قابل توجه تعمیر و نگهداشت نیز اضافه شود. با توجه به اینکه هزینه های خرید پمپ معمولا کمتر از 5 درصد هزینه های بهره برداری آن در طول عمر سیستم پمپ است، کیفیت بهره برداری عامل مهمتری در تصمیم گیری برای انتخاب سیستمهای پمپ بشمار میرود.

شکل(9): مقایسه انرژی مصرفی کنترل فلو با شیر و درایو
انتخاب پمپ ها معمولا بر اساس حداکثر دبی مورد انتظار صورت میگیرد. در حالیکه اغلب اوقات هرگز فلوی ماکزیمم مورد استفاده قرار نمیگیرد. این امر منجر به بزرگ شدن پمپ ها شده و بدین ترتیب مقدمات کار برای اتلاف انرژی و استهلاک هر چه سریعتر سیستم های پمپ فراهم میشود. اگر یک پمپ در دور نامی خود کار کند و دبی خروجی پمپ به مصرف برسد سیستم در راندمان مطلوب خود کار خواهد کرد. اما اگر تنها 50 درصد دبی حداکثر مورد نیاز باشد چه اتفاقی خواهد افتاد؟ بدیهی است که در این حالت نیز موتور در دور نامی خود کار خواهد کرد و توان مصرفی اضافی توسط موتور تلف خواهد شد. از سوی دیگر برای کنترل دبی خروجی لازم خواهد بود از ادوات مقاومتی نظیر شیر خفه کن استفاده گردد. با استفاده از کنترل کننده های دور موتور میتوان جریان سیالات در پمپ ها را با اعمال تغییر دور موتور ، کنترل نمود. امروزه این روش بدلیل انعطاف پذیری و صرفه جوئی اقتصادی قابل توجه جایگزین روشهای سنتی متکی بر تنظیم جریان سیال با استفاده از شیرهای تنظیم کننده مکانیکی و دمپرها میشود. در شکل(9) تفاوت دو روش در میزان مصرف انرژی نشان داده شده است.

13- قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن

قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن های سانتریفوژ پایه نظری صرفه جوئی انرژی با استفاده از درایو هستند. بر طبق این قوانین و در یک پمپ یا فن سانتریفوژ، روابط زیر حاکم است :
Q ~ N
فلو یا حجم : Q , سرعت : N
H ~ N2
هد یا فشار : H
P ~ N3
توان ورودی : P
با توجه به شکل(10) فلو/ ولوم بصورت خطی با دور پمپ/فن تغییر میکند. برای مثال اگر دور موتور نصف شود فلو نیز نصف خواهد شد. از طرف دیگر با توجه به منحنی وسط فشار یا هد متناسب با مربع دور تغییر میکند. در این حالت اگر دور موتور نصف شود، فشار یا هد چهار برابر کاهش پیدا کرده و به 25% خواهد رسید. منحنی سمت راست نشان میدهد که اگر دور موتور نصف شود مصرف توان 8 برابر کاهش پیدا کرده و به 12.5% خواهد رسید

شکل(10): نمایش تصویری قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن سانتریفوژ
به خاطر میسپاریم با استفاده از کنترل کننده های دور موتور و کاهش تنها 15 درصد دور میتوان به میزان 40 درصد در مصرف انرژی صرفه جوئی کرد. حال اجازه بدهید کمی دقیقتر به رفتار یک پمپ توجه کنیم. شکل(11) مشخصات یک سیستم پمپ را نشان میدهد. هد استاتیک عبارتست از اختلاف ارتفاع پمپ و تانک مقصد. بدیهی است که اگر یک پمپ نتواند به این ارتفاع غلبه کند دبی خروجی صفر خواهد بود. مولفه دوم هد اصطکاکی است . که در واقع بیانگر توان مورد نیاز جهت غلبه بر تلفات ناشی از عبور سیال از لوله ها، شیرها، زانوها و دیگر اجزای سیستم لوله کشی میباشد. این تلفات کلا وابسته به سرعت عبور سیال بوده و غیر خطی است. با اضافه کردن دو منحنی، منحنی سیستم بدست میاید.

در شکل(12) منحنی های سیستم و منحنی پمپ باهم نشان داده شده است. نقطه کار یک پمپ محل تلاقی منحنی پمپ و منحنی سیستم می باشد. با توجه به این منحنی ها روشن میشود که میزان فلو در این سیستم 800 لیتر در ثانیه و هد 60 متر میباشد. اگر بخواهیم نقطه کار را تغییر بدهیم لازم خواهد بود چیزی به سیستم اضافه نمائیم.

یک روش متداول در اینجا استفاده از شیر خفه کن است. در شکل(13) تاثیر عملکرد شیر خفه کن در نقطه کار پمپ را مشاهده میکنید. در واقع شیر اصطکاک مسیر سیال را افزایش داده و باعث افت فلو میگردد. با وجود اینکه با حضور شیر فلو به 600 لیتر در ثانیه کاهش پیدا کرده ولی در توان مصرفی سیستم تغییر محسوسی ایجاد نشده است. حال نگاهی دقیقتر به موضوع خواهیم داشت. همانطور که در شکل(14) مشاهده میکنید، برای دستیابی به فلوی مورد نظر از دو روش کنترل فلو با استفاده اشیر و کنترل با استفاده از درایو استفاده شده است . در روش کنترل فلو با شیر میزان توان مصرفی 0.875 درصد و در کنترل فلو با درایو توان مصرفی 0.42 درصد توان نامی میباشد. برای مثال اگر توان نامی پمپ 100KW باشد. تفاوت توان مصرفی دو روش برابر خواهد بود با:
(100KW x 0.875) – (100KW x 0.42) = 45.5KW

شکل(14) مقایسه توان مصرفی یک سیستم پمپ در دو حالت: الف) کنترل فلو با استفاده از شیر خفه کن (شکل سمت چپ) . ب) کنترل فلو با استفاده از درایو (شکل سمت راست).
شکل (15) - میزان مصرف انرژی در یک پمپ در پنج حالت : با استفاده از شیر برگشتی، با استفاده از شیر خفه کن، با قطع و وصل پمپ، با استفاده از کوپلینگ هیدرولیک، با استفاده از کنترل کننده دور موتور
هر چند که در سیستمهائی که هد استاتیک بالا ئی دارند با تغییر دور، راندمان پمپ هم به میزان زیادی تغییر میکند، ولی مزایای دیگر درایو استفاده از آن را بخوبی توجیه میکند. برای مثال میزان فشار هیدرولیک وارد شده به پره های پمپ سانتریفوژ با مجذور سرعت افزایش مییابد. این نیروها به بیرینگهای پمپ اعمال شده و عمر مفید آنها را کاهش خواهد داد. خاطر نشان میشود که عمر بیرینگها بطور معکوس با توان هفتم سرعت متناسب است. از سوی دیگر با کاهش دور نویز و نوسانات سیستم نیز کاهش پیدا میکند.
درشکل (15) میزان مصرف انرژی در یک پمپ در پنج حالت : با استفاده از شیر برگشتی، با استفاده از شیر خفه کن، با قطع و وصل پمپ، با استفاده از کوپلینگ هیدرولیک، و با استفاده از کنترل کننده دور موتور نمایش داده شده است. با توجه به این شکل تاثیر قابل توجه کنترل کننده دور موتور در کاهش انرژی مصرفی ، نسبت به روشها، مشاهده میشود. در روش شیر برگشتی متناسب با نیاز مقداری از دبی خروجی پمپ به وروی آن عودت داده میشود. بدیهی است که در این حالت توان مصرفی برای هر دبی خروجی ثابت خواهد بود.
امروزه در کشورهای پیشرفته بعنوان یک برخورد اولیه در کاهش سریع مصرف انرژی، مجهز نمودن این نوع فنها و پمپها به درایو میباشد.
نکاتی که باید در طراحی سیستمهای پمپ مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:
- سیستم را بزرگ انتخاب نکنید. حتی اگر بعدها نیاز به توسعه پیدا کردید. باز مطلوب آن است که بعدا کنار سیستم موجود پمپ بیشتری اضافه کنید.
- توجه کنید که هزینه های خرید پمپ در مقایسه با هزینه های انرژی آن در طول عمر پمپ ناچیز است. پس پمپهای با راندمان بالا را استفاده کنید.
- از درایو برای کنترل فلو استفاده کنید
- بجای استفاده از یک پمپ بزرگ از تعدادی پمپ کوچک بطوریکه مجموع آنها ظرفیت مورد نیاز را تامین نماید، استفاده کید. بدین ترتیب میتوانید در صورت عدم نیاز به ظرفیت اضافی آن را از مدار خارج کنید.
ادامه دارد ...

سوپر شارژر و توربو شارژر (1)

مقاله حاضر به توربوشارژ و توربوشارژ کردن و سوپر شارژر کردن سوموتورهای درونسوز می‌پردازد و اصول کار را بیان می‌کند. توربوشارژ قابلیت راندن و عملکرد خودرو را تغییر می‌دهد و به فرایندی گفته می‌شود که طی آن با استفاده از انرژی گازهای خروجی اگزوز، هوا متراکم و به داخل سیلندر هدایت می‌شود. اجزای اصلی یک توربوشارژ شامل توربین، کمپرسور، اینترکولر (inter cooler) یا افترکولر (after cooler) و کنترلرهاست. اولین حق امتیاز این دستگاه در سال 1905 و به نام دکتر آلفرد بوچی ثبت شده است.

خلاصه:

در موتورهای دیزل ـ به غیر از انواع کوچک آن ـ توربوشارژ یکی از اجزای لاینفک است که موجب افزایش نسبت توان به وزن، حجم و هزینه نهایی می‌شود. از جمله مزایای دیگر توربوشارژ کردن در موتورهای دیزل، کاهش دودزایی و صداست.
در گذشته تنها موتورهای بنزینی توربوشارژ شده، موتورهای پیستونی هواپیما و بعد از آن خودروهای مخصوص مسابقه بودند. با استفاده از توربوشارژ، مقدار توان تولیدی موتور هواپیما در سطح دریا تا ارتفاعات بالا حفظ می‌شود و امکان استفاده از موتور کوچکتر فراهم می‌آید. توان خودروهای مسابقه نیز با توربوشارژ کردن به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. به عنوان مثال می‌توان از یک موتور بنزینی با حجم CC 1500 بیش از 500 KW توان دریافت کرد. بعدها توربوشارژدر خودروهای سواری متداول نیز به کار گرفته شد و استفاده از آن گسترش یافت؛ به طوری که در اواخر دهه 80 میلادی حدود 20 درصد از انواع خودروهای اروپایی از آن بهره می‌بردند و علت اصلی آن نیز افزایش هزینه سوخت (بنزین) بود.
یک موتور بنزینی توربوشارژ شده نسبتاً کم حجم می‌تواند ضمن صرفه‌جویی در مصرف سوخت، توان و گشتاور بالای یک موتور دارای مکش عادی ولی با حجم زیاد را ایجاد کند. برای آشنایی هرچه بیشتر با توربوشارژ در ادامه به مفاهیم اساسی سوپرشارژ کردن، توربوشارژ کردن، خنک کردن شارژ و موتور مرکب پرداخته می‌شود.

 سوپر شارژر و توربو شارژر:

توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.
رد این توربوشارژر را همچنین می توان در خودروهای دیزلی بزرگ هم مشاهده کرد. امروزه می‌توان خودروهای سواری زیادی را در شهر مشاهده کرد که عبارت turbo هر گوشه‌ای از آنها نصب شده است.
توربوشارژر وسیله‌ای است که می‌تواند بدون آنکه وزن موتور را به مقدار قابل توجهی افزایش دهد، قدرت موتور را بسیار بالا ببرد و به همین دلیل است که از چنین محبوبیت گسترده‌ای برخوردار است! در اینجا قصد داریم بفهمیم که توربوشارژر چگونه می‌تواند بدون آنکه تغییر چندانی در وضعیت فیزیکی موتور ایجاد کند، قدرت را به مقدار بسیار زیادی افزایش دهد. همچنین خواهیم دید دریچه‌های خروجی، پره‌های سرامیکی توربین، مجراهای عبور گاز چگونه کارآیی سوپر شارژر را بهبود می بخشند.

توربوشارژر چیست؟

توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می‌دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می‌مکد. هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکولهای هوا بیشتر خواهد بود، و بالتبع مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
بدین ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می‌کند. توربوشارژر به سادگی می‌تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد، یعنی با قدرت مساوی خودروی مجهز به توربو شارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می‌برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می‌شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع‌تر به سرعت مناسب دست پیدا می‌کند.

توربوشارژر قدرت لازم برای فشرده کردن هوای ورودی را از کجا تأمین می‌کند؟

در نوع ابتدایی توربوشارژر (که سوپر شارژر نام دارد)، قدرت مورد نیاز از میل لنگ گرفته می‌شد، یعنی بخشی از توان تولیدی خودرو صرف فشرده سازی هوای ورودی می شد. ولی در نوع پیشرفته‌تر که همان توربوشارژر است، از فشار گاز خروجی اگزوز استفاده می‌شود. گازهای خروجی اگزوز داغ هستند و می‌توان از انرژی جنبشی، سرعت و فشار آنها برای چرخاندن یک توربین استفاده کرد. این توربین هم یک پمپ هوا را می‌گرداند و در نهایت، پمپ، هوا را فشرده کرده به درون سیلندر می‌فرستد. توربین نصب شده در مسیر گازهای خروجی گاه به سرعت 150 هزار دور در دقیقه می رسد که بیش از 30 بار سریع‌تر از دور موتور اغلب خودروهای امروزی است.
دمای این توربین هم به دلیل تماس با گازهای داغ خروجی بسیار بالاست. این دو عامل موجب می‌شوند توربین از فناوری پیشرفته‌ای برخوردار باشد تا بتواند کارآیی و دوام خود را تا مدت ها حفظ کند.
یک نگاه آماری: توربوشارژرهای رایج می‌توانند هوا را به فشار 40 تا 55 کیلوپاسکال بیشتر از هوای محیط برسانند. از آنجایی که فشار هوای سطح دریا 100 کیلوپاسکال است، مشخص می‌شود که توربوشارژر تقریباً 50 درصد هوای بیشتر وارد سیلندر می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که قدرت هم تا پنجاه درصد افزایش یابد. ولی به دلیل برخی تلفات، این افزایش قدرت بین 30 تا 40 درصد خواهد بود. یکی از دلایل این اتلاف به این موضوع باز می‌گردد که کار مورد نیاز توربوشارژر رایگان نیست. هنگامی که گاز خروجی اگزوز توربین را می‌چرخاند، بدان معنی است که مقاومتی در برابر خروج گازها وجود دارد، پس پیستون باید فشار بیشتری اعمال کند تا گاز تخلیه شود و این، بخشی از قدرت موتور را مصرف می‌کند.
یکی دیگر از مزایای توربوشارژر، قابلیت بهبود کارکرد موتور در ارتفاعات است. در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است و در نتیجه هوای کمتری در سیلندر وارد می‌شود. خودروهای معمولی در چنین ارتفاعاتی با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی خودروهای مجهز به توربوشارژر علیرغم آنکه با کاهش قدرت مواجه می‌شوند، ولی مقدار این کاهش به مراتب کمتر است؛ چرا که کار لازم برای فشرده کردن گاز رقیق کمتر است!
همان طور که اشاره شد، یک توربوشارژر معمولی از یک توربین، یک میل محور (شافت) و یک کمپرسور تشکیل شده است. مجرای گاز خروجی اگزوز معمولا به گونه ای طراحی می‌شود که گاز دارای بیشترین سرعت و دمای ممکن باشد. پره‌های توربین با طراحی خاص می‌توانند به گردش 150 هزار دور در دقیقه دست پیدا کنند، ولی انتقال چنین گردشی به کمپرسور کار ساده‌ای نیست. میل محوری که پروانه توربین را به پره‌های کمپرسور متصل می‌کند، باید دارای پایداری بسیار بالایی باشد. اغلب میل محورهای معمولی در چنین سرعت بالایی منفجر می‌شوند، زیرا هم دمای میله بسیار بالا می‌رود، هم اندکی جابه‌جایی و عدم تعادل در نصب میل محور کافی است تا در این سرعت، میل محور به بیرون پرتاب شود. از این رو از یاتاقانهای روغنی برای مهار میل محور در توربوشارژر استفاده می‌شود. در چنین یاتاقانهایی، لایه نازکی از روغن اطراف میل محور را می‌پوشاند و بدین ترتیب، هم میل محور را خنک می‌کند و هم اصطکاک‌های احتمالی را به حداقل می‌رساند.
پس از انتقال قدرت به کمپرسور، پره کمپرسور به گردش در می‌آید. کمپرسور همانند یک پمپ سانتریفوژ عمل می‌کند، بدین ترتیب که هوا را از مرکز به گردش در می‌آورد و در نهایت هوای فشرده شده را از حفره تعبیه شده در محیط خارج به بیرون می‌دمد.

محدودیت های توربوشارژر

الف- فشار: فشار حداکثر درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی بنزینی متراکم می شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت. فشار بیش از اندازه به دیواره های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل لنگ موجب کاهش عمر مفید آنها می‌شود.
افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد. اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می‌توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می‌شود، بلکه ضربه ناشی از احتراق می‌تواند آسیب‌های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می‌دارند. البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشنهاد می‌کنند.
ب- زمان تأخیر: یکی از مهم‌ترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی‌توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می‌آورید، حدوداً یک ثانیه طول می‌کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود. بنابراین افزایش قدرت با کمی تأخیر حاصل می‌شود. یکی از روش‌های کاستن این زمان تأخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولاً از طریق سبک کردن قطعات بدست می‌آید؛ بدین ترتیب توربین و پمپ سریع تر شتاب می‌گیرند و قدرت سریع تر اعمال می شود.
ج- اندازه توربوشارژر: اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچکتر باشد، زمان تأخیر کمتری دارد و سریع تر قدرت را اعمال می‌کند، ولی در سرعت های بسیار بالا که باید حجم زیادی هوا را وارد سیلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر می‌شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می‌تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید، ولی زمان تأخیر آن بیشتر خواهد بود
خوشبختانه راه‌حل‌های جالبی برای مقابله با این مشکلات پیشنهاد شده است که به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:
- دریچه اگزوز (wastegate)
بسیاری از خودروهای توربوشارژردار از یک یا چند دریچه کمکی در مجرای اگزوز سود می‌برند که آنها را قادر می‌سازد از توربوشارژرهای کوچک استفاده کنند. هنگامی که سرعت خودرو بسیار بالا می‌رود و بالتبع حجم گاز اگزوز افزایش می‌یابد، این خطر وجود دارد که توربین با سرعت بسیار بالاتری بگردد. از این شرایط این دریچه‌ها باز شده و بخشی از اگزوز بدون آنکه از توربین عبور کند، از موتور خارج می‌شود. به این ترتیب سرعت دوران توربین در سرعت‌های بالا هم در حد مجاز باقی می‌ماند.
- یاتاقانهای ساچمه‌ای
در این یاتاقانها، از ساچمه‌های بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده که از مواد بسیار پیشرفته و با فناوری فرا دقیق ساخته شده‌اند.
این یاتاقانها موجب می‌شوند میل محور با اصطکاک کمتری نسبت به یاتاقانهای روغنی که در اغلب نمونه‌ها استفاده می‌شود، بگردد؛ ضمن آنکه موجب می شود از میل محورهای کوچکتر و سبکتری هم بتوان استفاده کرد. این چنین میل محور سریع‌تر شتاب می‌گیرد و زمان تأخیر کاهش می‌یابد.
- پره‌های سرامیکی توربین
سرامیک، دسته‌ای از مواد هستند که استحکام خوبی دارند و به مراتب از فلز هم ابعاد خود سبک‌ترند. استفاده از این پره‌ها به جای پره‌های فلزی دو مزیت دارد، نخست آنکه با سبک‌تر کردن توربین، زمان تأخیر را کاهش می‌دهد و دوم، چون بر همکنش با مواد خورنده درون اگزوز ندارد، شکل خود را برای مدت‌ها حفظ می‌کند و مانند پره فلزی خورده نمی‌شود.
- خنک کننده داخلی
هنگامی که توربوشارژر هوا را فشرده می‌کند، خواه نا خواه دمای هوا نیز افزایش می‌یابد. این افزایش دما جدای از تأثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می‌شود مولکولهای هوا کمتر از آن مقداری باشند که در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. لذا از یک خنک کننده استفاده می‌شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یابد. بدین ترتیب می‌توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.

سوپر شارژر

سوپر شارژرها کمپرسورهایی هستند که توان مورد نیاز خود را برای فشردن هوا از موتور می‌گیرند . و توربو شارژر ها، همان سوپر شارژر هایی هستند که نیروی محرکه خود را از دودهای خروجی از اگزوز می‌گیرند .
سه نوع سوپر شارژر وجود دارد :
• نوع دمنده ای
• نوع گریز از مرکز
• نوع مارپیچی
که همگی آنها قدرت رانشی خود را بطریقی از میل لنگ موتور می‌گیرند بطوریکه سرعت بالاتر موتور ، باعث سریع‌تر چرخیدن آنها می‌شود
دو نوع اول با سرعتی معادل 15000 دور در دقیقه و نوع سوم یا گریز از مرکز با سرعتی معادل 40000 دور در دقیقه می‌چرخد .

مقایسه توربو شارژر و سوپر شارژر

زمان در سرویس قرار گرفتن : سوپرشارژرها بلافاصله بعد از روشن نمودن و چرخش موتور، در سرویس قرار می‌گیرند و هوای فشرده را در اختیار موتور قرار می‌دهند هر چند این میزان تقویت اولیه برای موتور، خیلی اندک است ولی بتدریج با دور گرفتن موتور افزایش می‌یابد و حاصل آن افزایش آرام و یکنواخت توان موتور است .
اما در مقابل توربو شارژر ها نقطه ضعفی دارند که آن را تاخیر در واکنش نشان دادن می‌نامند. چون لختی که توربو شارژرها در آغاز کار دارند و باید ابتدا دودهای خروجی داغ تولید شوند تا دور بگیرند (spool up) باعث می‌شود که مدتی طول بکشد تا هوا را برای فرستادن به موتور فشرده کنند و بنابراین تا دور موتور بالا نرفته است نمی‌توانند هوا را به شکل دلخواه فشرده کنند.
در حالتی که دریچه هوای ورودی آنها باز باشد (wide open throttle =wot) معمولا یک افزایش ناگهانی در قدرت توربو شارژر پدید می‌آید. این موضوع در دورهای حدود rpm 3000 صورت می‌گیرد و در این حالت اگر شما خودرویی را که توربو شارژر دارد رانده باشید، ضربه‌هایی را که وارد می‌شود حس خواهید کرد.
البته این امکان وجود دارد که توربو شارژرها را در اندازه‌ای ساخت که واکنش اولیه آنها سریع‌تر باشد . مثلاً موتور های دیزلی وجود دارد که توربو شارژرهای آنان به اندازه‌ای کوچک است که دور آن به 2000-1700 دور در دقیقه می‌رسد. عیب عمده‌ای که این نوع توربوشارژرها دارند این است که توانهای بالایی را نمی‌توان از آنها گرفت.

افت توان غیر قابل اجتناب

سوپرشارژرها بعلت اینکه نیروی خود را از موتور می‌گیرند باعث می‌شوند که بخشی از توان تولید شده توسط موتور را مصرف کنند این افت توان غیر قابل اجتناب می‌تواند حتی از 50 اسب بخار هم تجاوز کند البته این سوپر شارژرها بیش از آنچه انرژی مصرف می‌کنند به توان موتور اضافه می‌کنند . ولی توربو شارژرها بعلت اینکه هیچگونه انرژی را از موتور مصرف نمی‌کنند ولی با ایجاد مانع در جریان دودهای خروجی از موتور و افزایش فشار پس زدن سبب می‌شوند بخشی از توان موتور بطور غیر مستقیم کاسته شود . چون در این حالت پیستون باید انرژی بیشتری را برای بیرون راندن دودهای خروجی از سیلندر صرف کند ولی از طرف دیگر استفاده از توربو شارژر باعث می‌شود که هوای فشرده با فشار وارد سیلندر شود و همین موضوع باعث محکم به پائین رفتن پیستون و دادن انرژی به آن می شود که با انرژی که قبلاً گفته شد خنثی می‌شود. بهر حال استفاده از توربو شارژر بعلت اینکه توانی برای کار کردن از موتور نمی‌گیرد و باعث بالا رفتن توان موتور می‌شود معمول تر از سوپر شارژر است.

تولید حرارت

هنگامیکه هوای ورودی خنک‌تر باشد متراکم‌تر و چگال‌تر است که بدین مفهوم است که اکسیژن بیشتری در واحد حجم به موتور می‌رسد . اکسیژن بیشتر به مفهوم توان بیشتر است سوپر شارژرهای دمنده‌ای از این جهت که تولید گرما می‌کنند مطلوب نیستند این گرمای تولید شده حاصل ناکافی بودن تراکم هوای ورودی است و از این روی توربوشارژرها کارآیی بیشتری نسبت به سوپر شارژرها دارند .
سوپر شارژرهای گریز از مرکز می‌توانند از این جهت بهتر از توربو شارژرها باشند و قابلیت انعطاف بیشتری را از خود بروز دهند. با قرار دادن لوله هوای ورودی به موتور در نزدیکی دودهای خروجی می‌توان هوای ورودی به موتور را گرمتر کرد . سوپر شارژرهای گریز از مرکزی که خوب طراحی شده باشند می‌توانند این گرما را از طریق نصب خنک کننده کاهش دهند .

قابلیت اطمینان

مردم اغلب می‌گویند که سوپر شارژرها نسبت به توربو شارژرها قابلیت اطمینان بیشتری دارند و این بدان علت است که توربو شارژرها در حرارت بالا کار می‌کنند و توسط روغن روانکاری می‌شوند و هر گاه قبل از خنک شدن آنها موتور خودرو را خاموش کنند این روغن در معرض حرارت قرار می‌گیرد و باعث کوتاه شدن عمر کاری توربو شارژر می‌شود. اما با تعمیر و نگهداری و مراقبت‌های لازم از توربو شارژر می توان بر این مشکل هم فائق آمد.

میزان تقویت

از نظر حداکثر توان مطلق تولیدی استفاده از توربو شارژر امکان بالاتری برای تقویت قدرت موتور ارائه می‌دهد تا استفاده از سوپر شارژر . مثلاً در تراکتورهایی که جهت کشش مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده از سه توربو شارژر بصورت سری باعث می‌شود که سطح تقویت هوای ورودی فشاری معادل psi 200 تولید کند !

نتیجه گیری : توربو شارژر یا سوپر شارژر ؟

اظهار نظر در مورد اینکه استفاده از کدامیک (توربو شارژر یا سوپر شارژر) بهتر است کاری مشکل است .
مهم‌ترین مزیت سوپر شارژر این است که زمان واکنش نشان دادن آن کم است و به سرعت در سرویس قرار می‌گیرد (البته غیر از نوع گریز از مرکز آن ) و استفاده از آن هم ساده است.
از آن طرف عمده‌ترین مزیت توربو شارژر ، کارایی بالای آن و تولید حداکثر توان است .
این دیگر بستگی به نظر خریداران خودرو دارد که تصمیم بگیرند کدام نوع را برای وسیله خود انتخاب کنند

توربو شارژر چیست؟ (تو ضیح کامل)

یکی از مطمئن ترین راهها برای افزایش توان موتور ها، افزایش مقدار هوا و سوختی است که در سیلندرآنها می سوزد.برای این منظور افزودن تعداد سیلندرها یا بزرگ کردن هر یک از سیلندرها یکی از روش هاست اما در بعضی مواقع امکان این کار وجود ندارد. یک راه برای افزایش قدرت موتور که ساده تر و با صرفه تر نیز هست استفاده از توربو شارژردر موتوراست که بدون نیاز به تغییر در حجم و وزن موتورتوان آن را افزایش می دهد.درخودروهای پر سرعت مسابقه ای و سوپر اسپرت حتی خودروهای خانوادگی و سدان های پر قدرت نیز برای افزایش توان موتور از توربوشارژر استفاده می شود.