صرفه‌جویی در انرژی برای آینده بشری بسیار مهم است. انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی دارای پیامدهای جدی محیطی است و نیاز به توجه محققان دارد. علاوه بر استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، بهبود کارایی سیستم‌‌های الکتریکی می‌تواند سهم عمده‌ای را در کاهش مصرف انرژی ایفا کند. در اغلب بخش‌های صنعتی، انرژی الکتریکی مهم‌ترین منبع انرژی صنعت به شمار می‌رود. از آنجا که موتورهای الکتریکی، مصرفکنندهی اصلی انرژی الکتریکی در کارخانجات صنعتی هستند؛ لذا بهینه‌سازی مصرف انرژی و روش‌های کاهش مصرف انرژی در الکتروموتور از اهمیت ویژه‌ای برخوردار خواهد بود. بیش از %65 انرژی الکتریکی، در صنایع، در موتورهای الکتریکی مصرف می‌شود. فن‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها، بارهای اصلی موتورهای الکتریکی هستند.
وظیفه یک الکتروموتور تبدیل انرژی الکتریسیته به انرژی مکانیکی است. در یک موتور سه فاز AC، جریان از سیم‌پیچ‌های موتور عبورکرده و باعث ایجاد میدان مغناطیسی دواری می‌شود که این میدان مغناطیسی محور موتور را می‌چرخاند. موتورها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که این وظیفه را به خوبی انجام دهند؛ مهم‌ترین و ابتدایی‌ترین گزینه صرفه‌جویی در موتورها مربوط به انتخاب و استفاده از آن‌هاست. در این مقاله سعی‌کرده‌ایم با توجه به اهمیت صرفه‌جویی در انرژی‌های الکتریکی، روش‌های کاهش مصرف انرژی در الکتروموتور ارائه دهیم٬ پس تا پایان مقاله با ما همراه باشید.
شناسایی موضوع و راه‌کارهای کلی
مطالعات انجام‌شده در صنایع حکایت از وضعیت نابسامان انتخاب و بهره‌برداری از موتورهای الکتریکی دارد. براساس این تحقیقات اغلب موتورها بزرگتر از میزان نیاز انتخاب شده و در شرایط بدی نگهداری می‌شوند.
استفاده از موتورهای با راندمان بالا در ایران رایج نبوده و گزارش مؤثری در جهت استفاده از درایو برای صرفه‌جویی انرژی در دست نیست. کاربردهای صنعتی بسیاری می‌توان یافت که موتورها در بازدهی بسیار پایین‌تر از مقدار بهینه قراردارند.
روش‌های کاهش مصرف انرژی در الکتروموتور
اقدامات مختلفی برای صرفه‌جویی انرژی در الکتروموتورهای صنعتی صورت می‌گیرد. در حالت کلی این اقدامات به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند.
1. اقدامات مربوط به طراحی موتورها
اقدامات مربوط به بهره‌برداری از موتورها: این اقدامات خود به دو دسته تقسیم می‌شوند، دسته اول اقداماتی هستند که مستقیماً روی خود موتور انجام می‌شوند نظیر تهویه، روغن‌کاری، بارگذاری و دسته دوم شامل استفاده از درایو یا کنترل‌کننده دور موتور هستند.
2. عوامل مؤثر در بازدهی موتورهای الکتریکی
برای اطمینان یافتن از اینکه بازدهی موتورهای مستقر در صنایع و سایر کاربردها در حد مطلوب قراردارد٬ می‌توان نسبت به تدوین شناسنامه صنعتی برای هر موتور به ویژه موتورهای بزرگ اقدام کرده و با ثبت اطلاعات مورد نظر از جمله موارد زیربازدهی این موتورها را مورد بررسی قرار داد:
- میزان بار(درصد از بار کامل)
- میزان تغییرات بار(درصد از بار کامل)
- میزان تغییرسرعت(درصد از سرعت سنکرون)
- میزان تغییرات ولتاژ شبکه(درصد از ولتاژ نامی)
توصیه می‌شود کارخانجاتی که درآن‌ها تعداد موتور مورد استفاده زیاد است نسبت به جمع‌آوری اطلاعات فوق و اقدامات اصلاحی اقدام کنند.
حتما بخوانید: راه‌های حفاظت و نگهداری از الکتروموتور
روش‌های کاهش مصرف انرژی در الکتروموتور
- تطابق موتور با بار
موتورهای القایی تک‌فاز و سه‌فاز با توجه به تنوع و نوع مصرف مختلف آن‌ها کاربردهای زیادی دارند. بدیهی است موتور درصورتی می‌تواند بار مکانیکی متصل به آن را تأمین کند که مشخصه عملکردی موتور منطبق بر مشخصه بار مکانیکی باشد. درصورتی‌که موتور انتخاب شده بزرگتر از حد لازم باشد، موتور در حالت بار کامل یا نزدیک به بار کامل کار نکرده و لذا بازدهی آن پایین‌تر از مقدار بهینه آن خواهد بود. این امر اشکالات جدی در بهینه‌سازی مصرف انرژی ایجاد خواهدکرد.
- هرزگردی موتورها
بیشترین صرفه‌جویی مستقیم برق را می‌توان با خاموش کردن موتورهای بی‌بار و در نتیجه حذف تلفات بی‌باری به‌دست آورد. روش ساده در عمل نظارت دائم با کنترل اتوماتیک است. اغلب به مصرف برق در بی‌باری اهمیت چندانی داده نمی‌شود، درحالی‌که غالبا جریان در بی‌باری حدود جریان در بار کامل است. با اتصال یک سوئیچ به پدال چرخ‌ها می‌توان آن‌ها را به‌طور اتوماتیک خاموش کرد.
- موتورهای پربازده
بازگشت سرمایه٬ قیمت اضافی پرداختی٬ جهت خرید موتورهای پربازده، معمولاً کمتر از دو سال کارکرد به ازای 4000 ساعت کارکرد سالانه، %75 بار است. در میزان این اعداد و ارقام در مواردی که بار موتور سبک یا ساعت کارکرد آن کم است یا بارهای تناوبی، استثنائاتی وجود دارد.
بیشترین صرفه‌جویی در رنج موتورهای یک تا بیست اسب بخار به دست می‌آید. در توان بیشتر از 20 اسب بخار، افزایش بازده کاهش می‌یابد و موتورهای موجود بیش از 200 اسب بخار تقریباً دارای بازده کافی هستند.
موتورهای پربازده
سازندگان٬ معمولاً موتورهایی با طراحی استاندارد و قیمت تمام شده کمتر را عرضه میکنند. به خاطر رقابت شدید٬ این نوع موتورها بازده کمی دارند. آن‌ها ضریب قدرت پایین‌تری دارند، قابل تعمیر نبوده و نمیتوانند به راحتی 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.
با وجود این، 30-20 درصد اضافه هزینه اولیه با کاهش هزینههای عملیاتی جبران می‌شود.
از دیگر مزایای موتورهای پربازده اثر کم بر عملکرد موتور به هنگام نوسانات ولتاژ و بار جزئی است.
حتی وقتی میزان صرفه‌جویی محاسبه می‌شود از آنجا که بازده واقعی یک موتور معمولاً ناشناخته است٬ ممکن است این محاسبات دچار خطا شوند. چون همه سازندگان از تکنیکهای یکسانی برای اندازهگیری بازده موتورها استفاده نمیکنند، بنابراین مشخصات نامی درج شده روی پلاک را نمی‌توان با هم مقایسه کرد.
حتما بخوانید: آشنایی با زون های حفاظتی و انواع حفاظت در تجهیزات ضد انفجار
- کنترل‌‌کننده‌های دورموتور
استفاده از موتورهای مجهز به کنترل‌کننده دور موتور، امکان اعمال تغییرات لازم در سرعت موتور فن یا پمپ را به‌طور دائم فراهم آورده و بدین ترتیب می‌توان با توجه به فرآیند موردنظر از اتلاف انرژی ایجاد شده در تنظیم‌کننده‌های مکانیکی جلوگیری کرد. همچنین کنترل سرعت دقیق و متعاقب آن توان خروجی قابل دسترسی بوده و با توجه به استفاده از مدارات الکترونیکی، استهلاک قسمت‌های کنترل‌کننده درحد بسیار پایین خواهد بود. تصمیم‌گیری درمورد استفاده از موتور با کنترل‌کننده دور متغیر بستگی به نوع کاربرد مورد نظر دارد.
- تسمه‌ها
بازده درایوهای V-belt تأثیرزیادی در بازده موتوردارد. منتهی یکسری عوامل نیز هستد که در بازده V-Belt تأثیر مستقیم دارند، مانند:
- Over belting: تسمه‌هایی با مشخصات نامی بالاتر، باعث افزایش کارایی می‌شوند.
- تنش: فشار نامناسب باعث کاهش بازده تا 10 درصد می‌شود.
- اصطکاک: تلفات اصطکاک اضافی در نتیجه غیر هم محور بودن، فرسودگی، چرخ‌ها، تهویه نامطلوب یا مالیده‌شدن تسمه‌ها به چیزی، به‌وجود می‌آیند.
- قطر چرخ: هر چه قطر چرخ بزرگتر باشد بازده افزایش می‌یابد.
- ژنراتور موتور
یکسوکننده‌های نیمه هادی یک منبع مناسب جریان مستقیم DC برای موتورهای DC یا دیگر استفاده‌کننده‌ها از جریان DC هستند. ژنراتور موتورهایی که معمولاً برای جریان مستقیم به کار می‌روند٬ قطعاً نسبت به یکسوکننده‌های نیمه هادی بازده کمتری دارند. بازده موتور ژنراتور در بارکامل حدود 70 درصد است درحالی‌که بازده یکسوکننده‌های نیمه‌هادی تقریباً 96 درصد در بار کامل است.
حتما بخوانید: راهنمای خرید الکتروموتور
گشتاور زیاد راه‌اندازی
در بارهایی که گشتاور استارت بزرگی نیازدارند، باید یک موتور B-NEMA (رایج‌ترین موتور مورداستفاده در صنعت) یا موتور A-NEMA استفاده‌کرد. درجایی‌که بارهای با اینرسی زیاد را دارند، می‌توان از موتورهای کوچک‌تری که به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قابلیت گشتاور زیاد را دارند، استفاده کرد.
سخن پایانی
الکتروموتورها بیشترین سهم مصرف برق صنایع را به خود اختصاص می‌دهند. آمار به دست آمده بیانگر آن است که حدود دو سوم انرژی الکتریکی صنایع در موتورهای الکتریکی مصرف می‌شود. طی سال‌های اخیر، بهینه‌سازی مصرف انرژی در صنایع به دلایل اقتصادی و زیست محیطی اهمیت بیشتری یافته و موجب شده که اقدامات عملی گسترده‌ای در این زمینه صورت پذیرد. بدیهی است که افزایش بازدهی محرکهای صنعتی نه تنها از نظر اقتصادی مورد توجه استفاده‌کنندگان است، بلکه در برنامه‌ریزی انرژی در سطح ملی نیز حائز اهمیت است. از این رو روش‌های کاهش مصرف انرژی در الکتروموتور با رویکرد جدیدی مورد بررسی و اجرا قرار می‌گیرد.