الكتروموتورها از جمله مهمترين مصرف كنندگان انرژي الكتريكي در بخش‌هاي‌صنعتي، كشاورزي، خانگي، تجاري و عمومي بوده و بطور متوسط در حدود 40 تا 50 درصد از برق توليدي كشور را مصرف مي‌كنند. در ميان اين تجهيزات موتورهاي كوچك ومتوسط (0/25 تا 150 اسب بخار) عمدتاپ ازنوع القايي با روتور قفس سنجبي بوده و اين‌بخش از الكتروموتورها در حدود 60 تا 70 در صد از گل مصرف برق الكتروموتورها را به‌خوداختصاص مي‌دهند. باز دهي عملي اين الكترو موتورهاي كوچك ومتوسط در شرايطبهره برداري سالانه در حدود 50 تا 90 درصد است و به طور ميانگين در حدود 25 تا 35در صد از انرژي الكتريكي مصرفي در آنها تلف مي‌شود كه با توجه به اين امر، پتانسيل‌فراواني براي كاهش تلفات اين الكتروموتورها در كشور پيش بيني مي‌شود. در اين‌نوشتار يكي از فن آوريهاي جديد و متناسب با شرايط كشور براي كاهش تلفات اين دسته‌از تجهيزات الكتريكي بيان شده و مزاياي آن با توجه به امكانات و پتانسيل‌هاي بالقوه‌موجود، ارزيابي مي‌شود .
الكترو موترها گروهي از تجهيزات‌الكتريكي هستند كه بر اساس روابط بين‌جريانهاي الكتريكي و ميدانهاي مغناطيسي،باعث تبديل‌انرژي الكتريكي به انرژي‌مكانيكي مي‌شوند. در حين اين عمل (تبديل‌انرژي الكتريكي به مكانيكي) مقداري ازانرژي تلف مي‌شود. با توجه به اين امر كيفيت‌ساخت اين تجهيزات براي دسترسي به‌حداكثر بازدهي اقتصادي از اهميت فراواني برخوردار بوده و در نتيجه سازندگان اين‌تجهيزات مي‌توانند نقش بسيار مهمي دركاهش مصرف و تلفات انرژي الكتريكي‌داشته باشند. مهمترين عوامل ايجاد تلفات درموتورهاي الكتريكي عبارتند از :
ة عبور جريان الكتريكي در سيم پيچ‌هاي‌استاتور و روتور و مقاومت الكتريكي اين‌هاديها
ة مغناطيس شدن متوالي هسته موتور ونيزجريانهاي گردابي ايجادي درآن
ة تلفات ناشي از اصطكاك‌هاي مكانيكي
ة اثرات پارازيتي (تلفات اضافي )
باتوجه به اين كه هرساله مقادير فراواني‌از انرژي الكتريكي به دليل عدم بازدهي‌مناسب الكتروموتورها به صورت تلفات به‌هدر مي‌رود بنابراين در بسياري از كشورهاكوشش‌هاي فراواني در جهت بهبود بازدهي وعملكرد اين تجهيزات بعمل آمده وسعي شده‌است تا در نظر گرفتن امكانات بالــــقوه و
فن آوريهاي موجود ونيز قيمت مواد اوليه وهزينه‌هاي تحميلي، مناسب‌ترين گزينه‌هابراي بهبود كارايي موتورها بكار گرفته شود.اين روند بخصوص هنگامي مشخص‌ترمي‌شود كه بدانيم امروزه در بسياري ازكشورهاي پيشرفته يا درحال توسعه، رعايت‌استانداردهاي حداقل مقادير مجاز بازدهي‌الكتروموتورها به صورت اجباري در آمده است‌و محدوده‌هايي كه اين استانداردها پيشنهادكرده‌اند بگونه‌اي است كه در بسياري ازحالات تنها با صرف هزينه‌هاي بالا و استفاده‌از فن آوريهاي جديد، دسترسي به آنها ميسراست .
دركشور ما نيز با وجود اين كه بازدهي اكثرالكتروموتورهاي مورد استفاده (ساخت داخل‌يا وارداتي) حتي از مقادير استاندارد ازايه شده‌در دهه 70 ميلادي نيز پايين‌تر است، اما تاكنون اقدامات حدي در زمينه بهبود كارايي‌اين تجهيزات بعمل نيامده است. (شكل(2)روند افزايش بازدهي الكتروموتورهاي باقدرت 20 اسب بخار (15 كيلووات) را از دهه70 ميلادي تاكنون نشان مي‌دهد. همان گونه‌كه در اين شكل ديده مي‌شود در اواسط دهه70 ميلادي، بازده چنين اكتروموتورهايي درحدود 87تا 88 در صد بوده است كه متاسفانه‌در حال حاضر اين مقدار براي موتورهاي مورداستفاده در كشور به حدود 85 تا86 در صدمحدود مي‌شود اين در حالي است كه‌الكتروموتورهاي هم قدرت استاندارد امروزي‌در دنيا باز در حدود 89 تا90 درصدبازدهي‌دارند سه تاپنج در صد بازدهي بيشتر نسبت‌به موتورهاي مورداستفاده در كشور)
در اينجا لازم است تا براي پي بردن به‌اهميت واقعي بهبود بازدهي الكتروموتورهاتوجه بيشتري به اين اطلاعات معطوف شودبه عنوان مثال كافي است پتانسيل كاهش‌اوج بار شبكه سراسري را در نظر داشته باشيم.همان گونه كه بيان شد بازدهي متوسطالكتروموتورهاي مورد استفاده در كشور درحدود سه تا پنج در صد از الكتروموتورهاي‌استاندارد امروزي در دنيا كمتر است. بادانستن اوج بار شبكه سراسري در سال جاري‌يا سال آينده 27 هزارمگاوات است ودر حدود30 تا 35 درصد از اين اوج بار، براي به حركت‌در آوردن الكتروموتورهاي القايي (و يادستگاههايي كه از اين تجهيزات استفاده‌مي‌كنند) استفاده خواهد شد، افزايش بازدهي‌الكتروموتورهاي كشور تاحد استانداردمي‌تواند نياز اوج بار شبكه را در حدود 400 تا500 مگاوات (معادل با توان توليدي 20315عدد توربين گازي GE فريم 5) كاهش دهد.با توجه به اين شرايط، امروزه در كشورهاي‌پيشرفته، سعي مي‌شود تا حدود مجاز بازدهي‌الكتروموتورها حتي از مقادير استاندارد نيزفراتر رفته و در برخي كشورها نظير آمريكا،كانادا، استرالياو… رعايت اين حدود براي‌الكتروموتورهاي مورد استفاده در آن كشورهااجباري شده است، اگر چه سازندگان‌الكتروموتورهاي موجود در آنجا مي‌توانندموتورهاي با بازدهي كمتر را صرفٹبراي‌صادرات نيز توليد كنند. لازم به ذكر است كه‌هرچند به نظر مي‌رسد كه بهبود بيشتر دربازدهي الكتروموتورها با توجه به پيشرفتهاي‌روز افزون در زمينه مواد و طراحي اين‌تجهيزات مي‌تواند ادامه يابد، اما اين حالتهادر در اكثر موارد تنها از طريق مواد وفن‌آوريهاي بسيار گران (نظير استفاده ازورقهاي الكتريكي آمورف يا ابر رساناها)ممكن مي‌شود كه بسيار هزينه بر بوده و درحال حاضر چندان استقبالي از آنها بعمل‌نمي‌آيد .
روشهاي بهبود بازدهي الكتروموتورها
شكل (3) نمايي از اجزاي مختلف يك‌الكتروموتور القايي را نشان مي‌دهد. اين‌الكتروموتور از دو قسمت اصلي استاتور(قسمت ساكن) و روتور (قسمت متحرك)تشكيل شده است كه هر يك از آنها شامل‌يك جزء الكتريكي (هاديها) و يك جزءمغناطيسي (هسته‌ها) است با در نظر گرفتن‌اين ساختار و دانستن سهم هريك ازموءلفه‌هاي تلفات انرژي در اين تجهيزات‌بهبود بازدهي الكتروموتورها از چند طريق‌امكان‌پذير خواهد بود ولي در هر حال‌مهمترين اقدامات براي بهبود باز دهي‌الكتروموتورها را مي‌توان در كاهش تلفات‌هسته يا تلفات هاديهايانها خلاصه كرد.
متاسفانه بسياري از فن آوريهاي شناخته‌شده براي بهبود بازدهي انرژي درالكتروموتورها باعث افزايش ابعاد آنها خواهدشد و اين افزايش ابعادي بيشتر شامل ازديادطول آنهاست به عنوان مثال يكي ازروشهاي‌شناخته شده براي كاهش تلفات هسته درموتورهاي الكتريكي، افزايش طول هسته‌آنهاست كه اين حالت ار يك طرف مستلزم‌تغييرات فراوان در خط توليد اين نوع موتورهابوده و باعث ناهمخواني وعدم انصباق موتورساخته شده با ساير تجهيزات متصل به آن‌مي‌شود و از طرف ديگر با توجه به مصرف‌بيشتر مواد اوليه (هسته و هادي)، قيمت‌موتورها افزايش زيادي خواهد يافت. افزايش‌سطح مقطع هسته موتورها نيز كم و بيش‌مشكلاتي مشابه با موارد فوق داشته و براي‌بسياري از توليد كنندگان داخلي، چندان‌جاذبه‌اي ندارد. در مورد افزايش سطح مقطع‌هاديهاي الكتروموتورها نيز اين حالت‌مستلزم تغييرات وسيع در قالبهاي ساخت‌هسته و در نتيجه تغيير طراحي‌الكتوموتورست كه به نوبه خود هزينه‌هاي‌توليد را به طور چشمگيري افزايش با توجه به‌اين موارد و در نظر داشتن مشكلات ناشي ازتغيير طراحي و يا تغيير ابعاد الكتروموتورها،مناسب‌ترين، گزينه‌ها براي بهبود بازدهي‌الكتروموتورهاي داخلي، تغيير مواد مورداستفاده در ساخت آنهاست .
مهمترين مواد مورد استفاده در ساخت‌هسته الكتروموتورها را ورقهاي فولادالكتريكي كم كربن (Motor Lamination)ويا فولادهاي سيليكوني با دانه‌هاي غير جهت‌دار(Non- Oriented Silicon)تشكيل‌مي‌دهند. اينگونه ورقها كه با ضخامت‌هاي‌متفاوت/8./3-.ميلي متر) وبا مقادير مختلف‌عناصر آلياژي (منگنز،آلومينيوم و سيليسيم)توليد مي‌شوند داراي خواص مغناطيسي‌متفاوت و نيز قيمت‌هاي بسيار گسترده‌هستند. مهمترين خواص مغناطيسي موردنظر در حين انتخاب اينگونه ورقهابراي‌ساخت هسته الكتروموتورها شامل نفوذپذيري مغناطيسي، تلفات توان و القاي اشباع‌در آنهاست كه با تغيير ميزان عناصر الياژي ويا ضخامت ورقها، اين خواص را ميتوان‌بدست آورد. براي كاهش تلفات توان و انرژي‌درهسته استاتور الكتروموتورهاي القايي،مي‌توان با استفاده از ورقهاي فولاد الكتريكي‌با مقادير بالاتر سيليسيم و يا انتخاب ورقهاي‌با ضخامت كمتر، بازدهي آنهارا تا مناسبي‌افزايش داد اما اين حالت مي‌تواند از يك‌طرف ساير خواص هسته را تحت تاثير قراردهد و از طرف ديگر افزايش قيمت وهزينه‌هاي توليد را در پي خواهد داشت چراكه با انتخاب ورقهاي نازكتر و با مقادير بيشترعناصر آلياژي، اولاپ هزينه خريد اين ورقهابيشتر شده و در ثاني عوامل مربوط به برش وپانچ و هسته چيني نيز هزينه‌هاي توليد را به‌مراتب بالاتر خواهد برد. در هر حال اين تغييرمواد هسته براي كاهش تلفات الكتروموتورهامي‌تواند بدون تغيير فروان در طراحي اين‌تجهيزات به عنوان يك روش مناسب، مطرح‌باشد هرچند كه درحال حاضر با توجه به عدم‌توانايي ساخت داخل ورقهاي فولاد سيليسيم‌دار در كشور ،هزينه‌هاي ارزي تهيه مواد اوليه‌و ساخت چنين الكتروموتورهايي تا حدي بالاخواهد بود.
روش مناسب ديگر براي كاهش تلفات‌الكتروموتورها بدون نياز به تغيير طراحي وياابعاد آنها، استفاده از هاديهاي مسي به جاي‌آلومينيوم در آنها ست.باتوجه به آنكه هدايت‌الكتريكي مس تقربياپ 60 درصد بيشتر ازهدايت الكتريكي آلومينيوم است، در بيشترحالتها براي ساخت هاديهاي استاتورالكتروموتورها از مسن استفاده مي‌شود. درساخت هاديهاي روتورالكتروموتورها نيز اگرچه براي الكتروموتورهاي بزرگ (باتوان‌بيشتر از 250 كيلو وات) معمولاپاز مسن‌الكتريكي كار شده و شكل داده شده استفاده‌مي‌شود، اما روش ساخت روتور چنين‌الكتروموتورهايي ريخته گري نبوده و بنابراين‌بسيار زمان گران و هزينه‌بر هستند هرچند كه‌با توجه به تعداد نسبتاپ كم ساخت چنين‌الكتروموتورهايي، استفاده از چينن روشي‌چندان نامطلوب در نظر گرفته نمي شود.درمورد الكتروموتورهاي القايي كوچك و متوسطكه سالانه تعداد بسيار زيادي از آنها توليدمي‌شود، تنها روش اقتصادي براي ساخت‌روتور آنها، ريخته گري دايكاست (تحت‌فشار) فلز هادي اطراف هسته و ايجاد يك‌ساختار يكپارچه از روتور است. شكل (4)نمونه‌اي از روتورهاي توليدي به اين روش رانشان مي‌دهد كه هاديهاي قفس سنجابي‌اين روتور نيز پس از جداسازي قسمت‌هاي‌آهني (از طريق حل سازي در اسيد) بخوبي‌نمايان است .
اگر چه از زمانهاي گذشته نيز مشخص‌بوده است كه بكار بردن هاديهاي مسي درساخت روتور الكتروموتورهاي القايي قف‌س‌سنجابي مي‌تواند باعث بهبود بازدهي آنهاشود اما به دليل مشكلات موجود بر سر راه‌ريخته گري دايكاست مس و سهولت بيشتراين فرايند براي هاديهاي آلومينومي، با درنظر گرفتن مسائل اقتصادي، ريخته گري‌دايكاست آلومينيوم به عنوان روش مناسب‌تربراي ساخت اين روتورها مورد استفاده‌قرارمي گيرد. اين حالت باعث شد كه تاچندين سال گذشته تقريباپ روتور تمامي‌الكتروموتورهاي القايي قفس سنجابي‌كوچك و متوسط از طريق ريخته گري‌دايكاست آلومينيوم توليد شود و متاسفانه‌استفاده از هاديهاي مسي تنها در اجزامي‌استاتور چنين الكتروموتورهايي خلاصه شودو با اين حال از حدود دهه 70 ميلادي باافزايش قسمت انرژي الكتريكي تلاشهايي‌شد تا ساخت روتورهاي مسي دايكاست شده‌به صورت اقتصادي‌تر صورت گرفته و عوامل‌كنترل كننده اين فرايند، بيشتر شناسايي شود.اين روند به خصوص از اواخر دهه 90ميلادي،گسترش فراواني يافت و با انجام مطالعات وتحقيقات كاربردي، مهمترين روشهاوفن‌آوريهاي مناسب واقتصادي براي ساخت‌چنين روتورهايي، شناسايي شد به گونه‌اي كه‌امروزه توليد انبوه چنين الكتروموتورهايي درتعدادي از كارخانه‌هاي بزرگ سازنده‌الكتروموتورها آغاز شده واستقبال بسيارزيادي از اين محصولات بعمل آمده است .
نكته بسيار مهم در مورد چنين‌الكتروموتورهايي آن است كه بدون هيچ گونه‌تغيير طراحي و يا تغيير ابعادي الكتروموتور،تلفات آنها تا حدود زيادي كاهش مي‌يابد واين حالت مخصوصاپ براي سازندگاني نظيرتوليد كنندگان ايراني، بسيار مناسب خواهدبود، بخصوص آن كه توجه داشته باشيم كه درزمينه مواد اوليه مورد نياز، ايران در حال حاضرپنجمين كشور توليد كننده مسن محسوب‌مي‌شود (رتبه دوم به لحاظ دارا بودن معادن‌مسن دنيا) در حالي كه جايگاه مناسبي درزمينه توليد آلومينيوم نداشته و لذا اين‌جايگزيني، هزينه ارزي اضافي را تحميل‌نخواهد كرد، ضمن آنكه مي‌تواند نياز به‌واردات آلومينيوم را نيز كاهش دهد. بنابراين‌به نظر مي‌رسد كه با توجهبه شرايط كنوني‌كشور، فن‌آوري مناسب‌ترين گزينه‌اي است‌كه بدون افزايش هزينه‌هاي ارزي و يا بدون‌نياز به ن آوريهاي گران قيمت (نظير استفاده‌از ابر رساناها و يا ورقهاي الكتريكي آمورف‌يا پرسيليسم) مي‌تواند باعث كاهش قابل‌ملاحظه در تلفات برق و انرژي‌الكتروموتورهاي داخلي شود .
مزاياي روتورهاي مسي دايكاست شده
مهمترين مزيت استفاداه از روتورهاي مسي‌دايكاست شده در الكتروموتورهاي القايي،كاهش فراواني در تلفات توان (انرژي) و بهبودبازدهي اين نوع الكتروموتورهاست.جدول (1)
خلاصه‌اي از نتايج حاصل شده از مقايسه‌بازدهي و تلفات الكتروموتورهاي القايي‌قفس سنجابي با روتورهاي مسي و ياآلومينيومي دايكاست شده را نشاه مي‌دهد .
جدول
همانگونه كه از جدول (1) مشاهده‌مي‌شود استفاده از روتوراي مسي دايكاست‌شده به جاي آلومينيوم در الكتروموتورهاي‌استاندارد (ستونهاي 3و4)، باعث افزايش‌بازدهي آنها در حدود چهارتاهفت در صد و نيزكاهش تلفات اين نوع الكتروموتورها در حدود30 تا 35 در صد، مي‌شود. در صورتي كه اين‌حالت در كشور محقق شود، با در نظر داشتن‌مصرف برق كشور در سال آينده در حدود120ميليارد كيلو وات ساعت و لحاظ كردن 30تا 35 در صد از اين مصرف برق درالكتروموتورهاي القايي كوچك و متوسط، درصورتي كه بازدهي آنها در حدود 5 تا 6 در صدافزايش يابد، پتانسيل موجود براي صرفه‌جويي سالانه انرژي الكتريكي مصرفي درحدود 2/5تا سه ميليارد كيلووات ساعت (به‌ارزش تقريبي 60 تا 70 ميليارد تومان) خواهدبود. همچنين با توجه به اوج بار شبكه‌سراسري (در حدود 27000 مگاوات) و مصرف‌برق اين الكتروموتورها (در حدود 30تا 35درصد) از اين اوج بار، پتانسيل پيك سايي‌شبكه با استفاده از اين فن آوري در حدود500خواهد بود. علاوه بر اين، بررسيهاي‌مختلف نشان داده است كه به دليل كاهش‌تلفات و گرماي ايجاد شده درالكتروموتورهاي القايي با روتورهاي مسي‌دايكاست شده، عمر آنها حداقل 50 در صدبيشتر از موتورهاي با روتورهاي آلومينيومي‌است ضمن آنكه به دليل خواص استحكامي‌بيشتر مس نسبت به آلومينيوم، توانايي‌تحمل نيروهاي مكانيكي (بخصوص‌خستگي) در اينگونه روتورها بيشتر ازروتورهاي آلومينيومي بوده و به اين دليل نيز،عمور الكتروموترهاي القايي با روتورهاي‌مسي دايكاست شده بيشتر خواهد بود .
نتيجه‌گيري
بهبود بازدهي موتورهاي الكتريكي‌القايي، از جمله مهمترين روش‌هابراي كم‌كردن تلفات انرژي الكتريكي و نيز كاهش‌اوج بار شبكه سراسري محسوب مي‌شود. اين‌نوع الكتروموتورها در محدوده قدرت كوچك ومتوسط (0/25-150اسب بخار) هر سال بيش‌از 30 در صد مصرف برق كشور رابه‌خوداختصاص مي‌دهند و با توجه به بازدهي‌پايين آنها، استفاده از روشهاي مناسب‌واقتصادي براي بهبود بازدهي آنها، ارزش‌فراواني خواهد داشت. با توجه به شرايطكنوني توليد كنندگان اين تجهيزات در داخل‌كشور ومحدوديت‌هاي موجود در رابطه باتغيير طراحي وابعاد اين الكتروموتورها در كنارساير مسائل مربوط به هزينه‌هاي ارزي، يكي‌از مناسب‌ترين روشها براي افزايش كارايي‌اين الكتروموتورها، استفاده از روتورهاي‌مسي دايكاست شده به جاي روتورهاي‌آلومينيومي است كه اين فن آوري قادرمي‌شوند تلفات برق را در اين تجهيزات درحدود 30 در صد كاهش دهد. پتانسيل پيك‌سايي شبكه سراسري از طريق اين فن آوري‌بيش از 500 مگاوات و مقدار صرفه جويي‌انرژي الكتريكي در كشور از اين طريق‌سالانه 2/5 تا سه ميليارد كيلووات ساعت( باارزش تقريبي 60-70ميليارد تومان) تخمين‌زده مي‌شود به علاوه اين حالت منجر به‌افزايش عمر، كاهش نياز به خنك كنندگي،نگهداري و تعمير آسانتر و نيز عملكردمكانيكي بهتر اين تجهيزات خواهد شد اين‌امر با نظر داشتن اينكه ايران يكي ازبزرگترين دارندگان و توليد كنندگان مس دردنيا ست لزوم توجه بيشتر به اين فن آوري رابيش از پيش نمايان مي‌كند و چه بسا ممكن‌است از اين طريق امكان صادرات اين‌الكتروموتورهاي پربازده با قيمت‌هاي قابل‌به بازارهاي جهاني نيز فراهم شود./م
محمدرضا جهانگيري پژوهشگاه نيرو
منابع :
-1اطلاعات در دسترس وخصوصي‌تعدادي از توليد كنندگان داخلي‌موتورهاي الكتريكي
-2 كاتالوگ محصولات شركتهاي الكتروموتورسازي
Baldor , Brook Crompton ,EmersonMotors , Leroy Somer,A.O. Smith
H. Stadler , Energy Savings byMeans of Electrical Drives ,3th.Energy Efficieney in MotorDriven Systems , Italy 2002
D . Vanson ,”Cast Copper RotorsRotors – Efficency Test Reslts” CDASpring- Meeting , June 2000
J.G. Cowie et al, “Materials to Die-Cast the Copper Conductors of theInduction Motor”, Die CastingEndgineet , 2001
6) S. Lie et al , “Copper Die- CasRotor Efficiency Imprvement andEconomic Consideration” IEEETrans. Energy Convers., VOL .10,NO, 3, 1995
7) M . Poloujadoff et at , ” SomeEconmical Comparisons BetweenAluminum and Copper SquirrelCages ” , IEEE Trans. Ebergy.,Convers vol . 10 , No . 3-1995
8) 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
9) EURODRIVE CompanyCatalouy Catalouge , ” EnergySaving Motors by sew-Euodrive :Effl, Eff2, among otgers”, 2002
10) D.T Peters et al , ” ImprovedMotor Efficiency and performanceThrough the Die- Cast CopperRotors” , Int. Conf
. Electrical Machines
, Belgium , 2002
11) ” Energy Efficent Motors -DTE/DVE ” , Sew EurodriveCatalog 11226226 ,2003
ماهنامه صنعت برق