سلام ، به سایت اروم نیرو توان خوش آمدید.
ارومیه، برج سفید، طبقه چهارم واحد 401
ایران ، ارومیه

– بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از میکرو خازن  در شرکت کویر تایر

– بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از میکرو خازن  در شرکت کویر تایر

بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از میکرو خازن  در شرکت کویر تایر

چکیده :

این پژوهش کاربردی با توجه به مشکلات موجود در بانک های خازنی معمول از قبیل نگهداری و تعمیرات دشوار ، آسیب پذیری و حساسیت در برابر هارمونیک ها ، عدم کارایی مناسب در برابر بارهای با استارت و استپ زیاد و عدم امکان توزیع پراکنده، به بررسی عملکرد و ویژگی های میکرو خازن ها پرداخته و با هدف کاهش مصرف انرژی و بهبود عملکرد در برخی از تجهیزات خط تولید شرکت کویرتایر انجام شده است. میکرو خازنها (خازنهای صنعتی سه فاز ستاره) جایگزین مناسب برای خازنها و بانک خازنی می باشند، قابلیت تحمل هرگونه تغییرات ولتاژ ،جریان و هارمونیک ، عمر مفید بالا ، و در صورت نصب بر روی موتورها قابلیت کاهش جریان های اولیه الکتروموتور را دارند و حتی می توان جایگزین راه اندازه ها نیز استفاده شود. با عنایت به اهمیت جبرانسازی توان راکتیو به صورت پراکنده به منظور کاهش تلفات و بهینه سازی انرژی در سیستم توزیع، میکرو خازن ها به واسطه ابعاد کوچک و نصب و راه اندازی آسان بهترین گزینه به منظور جبرانسازی پراکنده(local) می باشند. نتایج حاصل از نصب میکرو خازن بر روی یک الکترو موتور ۵۰ کیلو واتی در شرکت کویرتایر نشان می دهد میکرو خازنها علاوه بر کاهش جریان اولیه موتور قادر اند  بخشی از تلفات انرژی را نیز کاهش دهند، می توان گفت الکتروموتور مذکور  با جریان و ضربه کمتری راه اندازی شده و جریان موتور ۱۵ درصد کاهش یافته و مبلغ جریمه بهای راکتیو از قبض برق مربوط به این موتور حذف شده پس از انجام این تست سه دستگاه میکروخازن در قسمت تغذیه بویلر، استیل لاستیک و چاه آب نصب شد که نتایج مشابهی حاصل گردید.

 

مقدمه :

در شبکه های توزیع با پس افت جریان از ولتاژ و مصرف بار راکتیو مواجه هستیم،لذا در تمامی مواقع بارگیری بخشی از انرژی مصرفی به صورت بار راکتیو از چرخه مصرف خارج می شود.این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود و در عین حال برای شبکه زیان های زیر را در بردارد، اضافه شدن جریان منبع و در نتیجه نیاز به منابع با توان های بیشتر، با افزایش جریان عبوری ، نیاز به سیم و کابل با سطح مقطع بالاتر داریم که موجب افزایش هزینه ها می شود،اتلاف انرژی در سیم ها و کابل ها باعث افزایش دمای آنها شده و عمر مفیدشان را کاهش میدهد. معمولا در صنعت برای کاهش بار راکتیو از بانک خازنی با خازنهای مثلث استفاده می شود که با استفاده از رگلاتور و کنتاکتور و …. وارد مدار شده و از مدار خارج می شوند. این نوع خازنها با کمترین تغییرات ولتاژ ، جریان و هارمونیک آسیب پذیرهستند ، سوییچینگ خازنها موجب سوختن کنتاکتورها و فیوزها و تجهیزات جانبی می شود . لذا هزینه های اولیه طراحی و تعمیر و نگهداری آن بسیار است. توان راکتیو موجب افزایش یافتن جریان جاری بین منبع تغذیه و مصرف کنندگان می شود. بدین ترتیب توان ظاهری افزایش و ضریب توان کاهش خواهد یافت. 

 

۱- اصلاح ضریب توان : بدین معناست که توان راکتیو مورد نیاز به جای آنکه از منابع برق تامین شود در محل بار تولید گردد در این حالت جریان تغذیه کمترین مقدار را دارد و قادر است توان واقعی را با ولتاژ ثابت تری تغذیه کند و جریان و ولتاژ هم فاز شده و ضریب توان به یک نزدیک باشد .

 

۲- تنظیم ولتاژ : تغییرات توان راکتیو منجر به تغییرات ولتاژ می شود جبران سازها با تولید توان راکتیو موجب تثبیت نسبی ولتاژ در برابر بارهای متغیر می گردد . جبران سازی با خازن : جهت جبران سازی بار راکتیو و بهبود توان در سیستم از بانک خازنی استفاده می گردد که بصورت موازی با سایر بارها نصب می شود . بانکهای خازنی استاتیک معمولا در ابتدای ورودی برق و در صورت وجود ترانس بعد از ترانس نصب می شود و بارهای راکتیو تولیدی داخل مجموعه قبل از ورود به شبکه توزیع کاهش می یابد.

 

A- معایب جبران سازی با بانک خازنی : خازنهای موجود در بازار بصورت مثلث می باشد این نوع خازنها علاوه بر تولید و تزریق توان راکتیو خود بعنوان مصرف کننده جریان برق عمل می کنند . به منظور جلوگیری از تحمیل تلفات خازنی به شبکه ، معمولا از رگلاتور و کنتاکتور و ….. جهت ورود و خروج خازنها استفاده می شود . ورود و خروج خازنها موجب آرک زدگی و سوختن کنتاکتور ها و تجهیزات جانبی می شود ضمن اینکه خازنها تحمل تغییرات سریع ولتاژ و جریان و هارمونیک را ندارند و سریعا آسیب می بینند . لذا هزینه های تعمیر و نگهداری بانک های خازنی بسیار بالاست . استفاده از اینورتور و سافت استارترها در صنعت، موجب افزایش شدید هارمونیک های شبکه می گردد این هارمونیک ها در خازنهای مثلث ایجادحالت گردابی(میدان مغناطیسی فازی) و در نهایت رزونانس(در فیزیک، بازآوایی یا رزونانس یا تشدید عبارت است از تمایل سیستم به نوسان با بیشینه دامنه در فرکانس‌هایی خاص که به آنها فرکانس رزونانس یا فرکانس تشدید گویند. در چنین فرکانس‌هایی انرژی ارتعاشی در جسم ذخیره می‌شود و در نتیجه نیرویی کوچک و متناوب می‌تواند باعث حرکتی نوسانی با دامنه بزرگ شود.) ایجاد شده،باعث تشدید هارمونیک شده پس در نتیجه موجب آسیب دیدگی خازنها می شود . برای راه اندازی موتورها با توان بالا حتما بایستی از حالت ستاره و مثلث استفاده نمود این امر نهایتا ۸ ثانیه طول می کشد تا موتور راه اندازی شود در این حالت موتور جریانی تا ۶ برابر جریان نامی می کشد و پس از ۸ ثانیه به حالت نرمال می رسد این در حالی است که برای جلوگیری از ورود و خروج سریع خازنها این زمان در رگلاتور ها حداقل ۲۰ ثانیه طراحی می شود ، در عمل کلیه جریان های راه اندازی موتور بدون حضور خازن صورت می گیرد . اشباع شدن CT ، عدم تنظیم صحیح رگلاتور ، عدم تناسب پله های خازنی ، خرابی کنتاکتورهای خازنی در اثر ورود و خروج بی رویه خازنها ، پایین بودن عمر مفید خازنها از دیگر معایب بانک های خازنی می باشد .

 

B- هارمونیک و اثرات مخرب آن بر روی شبکه طبق نظریه فوریه، هر تابع متناوب با دوره تناوب T را می توان به صورت جمعی از چند تابع با دوره تناوبی از مضرب صحیح دوره تناوب تابع اصلی بسط داد. که به این بسط، بسط فوریه گفته می شود. هارمونیک فرکانس شکل موج اصلی را، هارمونیک اول یا هارمونیک پایه گویند و هارمونیک هایی که فرکانس آن ها، مضرب n از فرکانس اصلی شکل موج است، هارمونیک مرتبه n ام خوانده می شوند. طبق نظریه فوریه، یک شکل موج کاملا سینوسی، به جز هارمونیک اول(شکل موج اصلی) فاقد هرگونه هارمونیک اضافه است، لذا وجود هرگونه هارمونیک در یک سیستم الکتریکی بیانگر تغییر در شکل موج ولتاژ و جریان خواهد بود که حالت مطلوبی نیست و بایستی رفع گردد. به طور کلی اعوجاج شکل موج به علت ماهیت تجهیزاتی ازقبیل درایوها،دستگاههای جوش ، لامپها و… است که می تواند به علت وجود اَمپِدانس غیر خطی یا متغیر با زمان و یا یکسوکننده های پل باشد؛ چرا که در این موارد، ادوات الکترونیک قدرت تنها در کسری از جریان را از خود عبور می دهند و باعث ایجاد هارمونیک و شکل موج غیر سینوسی می شود.یکی از تجهیزاتی که در برابر این هارمونیک ها بسیار حساس می باشد، خازن ها هستند. استاندارد ها توضیحات دقیقی را با هدف کاهش اثرات هارمونیک بر خازن ها ارائه می دهند. استاندارد IEC 61642 مشکلات هارمونیک ها را بررسی کرده و توصیه و راهکارهایی را در این باره ارائه می دهد. اثرات هارمونیک وجود هارمونیک در شبکه ممکن است به علت عملکرد نامطلوب یک دستگاه باشد. مانند: افزایش تلفات ترانسفورماتورها یا اختلالات در گشتاور موتور ها و… به طور کلی در میان تجهیزات الکتریکی، هارمونیک بیشترین آسیب را به خازن های اصلاح ضریب توان می رساند. در ادامه به بررسی علت آن می پردازیم. همانطور که می دانید راکتانس خازنی با فرکانس شبکه نسبت عکس دارد. لذا با افزایش ضریب هارمونیک، میزان راکتانس خازنی کاهش خواهد یافت. این بدان معناست که یک ولتاژ اعوجاج یافته (دارای هارمونیک) با داشتن هارمونیک های ضریب بالا می تواند آسیب شدیدی به خازن های موجود در مدار وارد کند. در یک بانک خازنی با اتصال مثلث (که غالبا به این صورت خواهد بود)، می توان جریان عبوری از خازن متناظر با هارمونیک nام را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد : که در این رابطه : In جریان متناظر با هارمونیک nام – n مرتبه هارمونیک –   wفرکانس زاویه ای هارمونیک اول  – Cظرفیت خازن Unولتاژ خط به خط متناظر با هارمونیک nام با بسط دادن ولتاژ اعوجاج یافته، مقدار جریان عبوری از خازن برابر خواهد بود با : از این رابطه کاملا واضح است که جریان عبوری از خازن در صورت وجود هارمونیک ولتاژ، بیشتر از جریان عبوری از آن در غیاب هارمونیک های مرتبه  nام است. به همین علت استاندارد های IEC 60831-1 و IEC 60931-1 بیان می کنند که خازن ها بایستی توانایی عملکرد مداوم در جریانی بالاتر از میزان جریان نامی خود را دارا باشند.به همین علت به مصرف کننده هایی که دارای بار های غیر خطی می باشند، توصیه می شود که جهت جلوگیری از آسیب های احتمالی ناشی از هارمونیک ها بر بانک خازنی و سایر المان های مدار، راکتور هایی به صورت موازی با خازن ها در نظر گرفته شوند تا از هرگونه آسیب احتمالی جلوگیری کنند. مشکل دیگری که ممکن است در اثر وجود هارمونیک در شبکه به وجود آید، وقوع پدیده رزونانس می باشد. پدیده رزونانس هنگامی رخ می دهد که کاپاسیتانس (ظرفیت خازنی) بار با اندوکتانس شبکه برابر شود. هنگامی که سلف و خازن معادل به صورت سری با یکدیگر قرار داشته باشند، رزونانس سری و اگر به صورت موازی قرار داشته باشند، رزونانس موازی نامیده می شود که در یک شبکه ممکن است هر دو نوع رزونانس اتفاق بیفتد. رزونانس در فرکانس خاصی ایجاد می شود که به آن فرکانس رزونانس گفته می شود در صورت وقوع رزونانس سری، امپدانس کل برابر خواهد بود با : و در صورت وقوع رزونانس موازی، امپدانس کل برابر خواهد بود با : در صورتی که یک مدار رزونانس موازی توسط یک ولتاژ متناوب با فرکانسی نزدیک به فرکانس تشدید تغذیه شود، می تواند باعث عبور جریان های بالایی از تجهیزات شود و به آن ها آسیب برساند. از سوی دیگر در صورتی که یک مدار رزونانس موازی توسط هارمونیک های یک بار غیر خطی تغذیه شود، ممکن است باعث ایجاد ولتاژ هایی با دامنه های بزرگ  شودکه هر دو مورد بسیار مخرب بوده و اثرات منفی بر مصرف کنندگان خواهند داشت. در شکل زیر منحنی های مربوط به راکتانس خازنی (با افزایش مرتبه هارمونیک کاهش می یابد) و راکتانس سلفی (با افزایش هارمونیک افزایش می یابد) و راکتانس کل شبکه آورده شده است. همانطور که ملاحظه می کنید، راکتانس سری کل در فرکانس رزونانس به کمترین مقدار خود می رسد (به ازای هارمونیک سوم). برای جلوگیری از پدیده رزونانس و پیامد های مخرب آن که باعث کاهش عمر دستگاه های الکتریکی و از جمله خازن ها متداول در صنعت می شود، نیاز است که شبکه، فرکانس رزونانس متفاوتی نسبت به هارمونیک های موجود داشته باشد. رایج ترین روش، همانطور که در استاندارد IEC 61642 آمده است، نصب راکتانس موازی با خازن های سه فاز با اتصال مثلث می باشد که در واقع به عنوان یک فیلتر عمل کرده و از آسیب رسیدن به خازن جلوگیری می کند.سیستم میکرو خازنی به دلیل ساختار ستاره وعدم ارتباط فازی که رزونانس خازنی و به تبع آن تشدید خازنی را کاهش می دهد،پس هارمونیک تزریقی از طریق شبکه برق سراسری(پله های ۳و ۵ ) به مصرف کننده ،برای میکروخازن کمتر اثرات سوء هارمونیکی داشته و هزینه استفاده از راکتور سلفی را نیز در صورت نیاز به حداقل کاهش می دهد.

 

 

مزایای جبران سازی بامیکرو خازنها : با تغییر شکل داخلی خازنها از حالت مثلث به حالت ستاره ، ولتاژ سر خازنها از ۳۸۰ ولت به ۲۲۰ ولت کاهش می یابد لذا تحمل تغییرات ولتاژ بسیار بالایی دارند . در صورت اعمال هارمونیک به میکرو خازنها ، حالت گردابی درون خازنها بوجود نمی آید لذا در مقابل هارمونیک ها آسیب نمی بینند . در صورت نصب بروی الکتروموتورها ، قادرند علاوه بر کاهش جریانهای استارت اولیه موتورها ، تلفات الکتروموتورها و تلفات کابلی آن را نیز کاهش دهند. میزان کاهش تلفات بستگی به مقدار ضریب توان موتورها دارد . بالا بودن عمر مفید ، قابل تعمیر بودن ، نصب و راه اندازی آسان ، و هزینه های پایین طراحی و ساخت و تعمیر و نگهداری نسبت به بانک های خازنی عدم ارتباط فازی بین سری های میکرو خازنها ، موجب به حداقل رسیدن تلفات داخلی میکرو خازنها می باشند ضمن آنکه بخشی از هارمونیک های تولیدی در مجموعه از طریق سیم نول به زمین منتقل شده لذا میتوان گفت نسبت به خازنهای نوع مثلث تا ۳۵ درصد هارمونیک های کمتری به شبکه اعمال می کنند . الکتروموتورها هنگام راه اندازی جریانی حدودا سه برابر جریان نامی میکشند این امر موجب افزایش بار راکتیو و کاهش شدید ضریب توان در موتورها می شود به منظور کاهش این جریان های اضافی می توان از راه اندازی نرم یا همان سافت استارتر استفاده نمود. همانگونه که از اسمشان مشخص است سافت استارترها صرفا جهت راه اندازی نرم استفاده میشود و کاربرد خاصی ندارد و موتورها پس از راه اندازی بار راکتیو تولید کرده و به شبکه ارسال میکنند . اخیرا برای راه اندازی و کاهش بار راکتیو از اینورتور استفاده میشود . اینورتورها قادرند علاوه بر راه اندازی نرم ، بار راکتیو تولیدی رو نیز کاهش بدهند . بزرگترین چالش اینورتورها تولید هارمونیک شدید می باشد و هر چه الکتروتورها بزرگتر باشند اینورتور مربوطه نیز بزرگتر شده و هارمونیک تولیدی افزایش میابد .بطوری که این هارمونیک ها موجب اخلال در مدارات ابزار دقیق و بانک خازنی میشود . چنانچه در برخی موارد هنگام استفاده از اینورتور و سافت استارتر ، بانک خازنی از مدار خارج می شود یا توسط رله های تاخیری ، پس از راه اندازی موتورها خازنها وارد مدار میشوند.  لذا به منظور کاهش این هامورنیک ها نیاز به فیلترهای هارمونیکی می باشد هزینه نصب و راه اندازی آن نیز زیاد می باشد . بهترین گزینه برای جایگزینی موارد فوق استفاده از میکرو خازن ها می باشد.

 

بخش تجربی: گروه فنی شرکت کویر تایر به منظور اصلاح بانک خازنی و ترمیم آن به دنبال راهکاری برای انتخاب جایگزین مناسب و بروز برای خازنهای شرکت بود طی همکاری صورت گرفته با شرکت ارو نیرو توان ، با عمکرد میکرو خازنها آشنا گردیده و پس از  هماهنگی های به عمل آمده تست آزمایشی این نوع خازن بر روی یکی از الکترو موتورها در دستور کار قرار گرفت . طی مکاتبه با این شرکت، یک دستگاه میکرو خازن به منظور تست اولیه در اختیار گروه فنی قرار گرفت و بر روی یک موتور ۵۰ کیلو واتی که قبض برق مستقلی داشت نصب گردید ، نتایج بدست آمده با پاورآنالیزور به شرح جدول زیر می باشد که عملکرد مثبت میکروخازن ها را اثبات می کند . موتور ۵۰KW KVARH KWH VOLTAG CURRENT KVAR KW KVA PF بدون میکروخازن ۳.۴ ۲.۳۳ ۴۰۰ ۸۹ ۳۴.۲ ۴۴.۹ ۵۶.۳ ۰.۷۹ با میکرو خازن ۱.۵ ۲.۲۶ ۴۰۲ ۷۴ ۱۴.۷ ۴۴.۳ ۴۶.۹ ۰.۹۴ درصد تغییرات ۱۹.۵%- ۳%- ۰.۰۰۵ ۱۵%- ۱۹.۵%- ۲%- ۱۷%- %۱۹

 

ارسال نظر

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.