در این مقاله به ایده استفاده از سیستمهای تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" برای کنترل دور موتور پرداخته میشود.

تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD"

جدیدترین کنترل کننده های تغییر سرعت، کنترل موتور را به حوزه اینترنت صنعتی اشیا (IIoT) وارد کرده و می توانند صرفه جویی چشمگیری در هزینه و نیرو داشته باشند. با این حال، به حداکثر رساندن تأثیر این سیستمها نیازمند درک کاملی از کاربرد مشخص آنها واحتیاط  های فروشندگان دارد.

رایج ترین دلیل استفاده از سیستمهای کنترل سرعت با فرکانس متغیر (VFD) برای کنترل دور موتورها این است که این سیستمها می توانند سرعتهای مختلف موتور را برای بهینه سازی فرآیند یا عملکرد تجهیزات و نیز سرعت شروع و توقف تدریجی به منظور کاهش فرسایش تجهیزات و صرفه جویی در انرژی فراهم کنند.

از آنجا که مثلا کارکردن یک موتور 100 اسب بخار برای یک سال با حداکثر سرعت، معمولاً در حدود 40000 دلار هزینه برق در بردارد، مطمئناً  اینکه آیا می توان این هزینه را کاهش داد ارزش بررسی دارد. انتخابهای خوب برای عملکرد VFD ، موتورهایی هستند که باید جلوی خروجی آنها گرفته و چوک شود تا به شرایط عملیاتی مورد نظر برسد. نصب سیستم تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" بر روی این موتورها می تواند موجب صرفه جویی زیادی شود.

برخی از تأمین کنندگان پیشنهاد می کنند که استفاده از سیستمهای VFD برای  موتورهای AC توان پایین چند اسب بخاری کاری بیهوده است، اما در حقیقت هر موردی باید به طور جداگانه مورد بررسی قرار گیرد، چرا که نکات ظریفی باید مد نظر قرار گیرد.

بسیاری از کاربران همچنین از سایر توانایی های پیکربندی گسترده و داده هایی که VFD می توانند به یک سیستم کنترل ارائه دهند، بهره می برند و در واقع کنترل موتور را از بسیاری جهات به بخشی از IIoT تبدیل می کنند.  بهبود فاکتورهای شکلی، قابلیت برنامه ریزی و ارتباطات، به کاربران نهایی گزینه های بیشتری نسبت به گذشته داده است (شکل 1).

 

‏شکل (1) قابلیت IIOT به کارایی درایورها می افزاید

 

برای تشریح بیشتر میتوان مثالهایی را در زمینه تعیین نیاز به VFD ارائه داد. به عنوان مثال، برای نصب های جدید موتور، باید نیازمندیهای موتور و حداقل و حداکثر زمان کارکرد آن در سرعت های مختلف برای شرایط کارکردی مورد نظر تخمین زده شود. سپس هزینه نصب شده سیستم تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" از جمله تجهیزات اضافی مورد نیاز برای اصلاح ضریب قدرت ، فیلتر صدا و غیره را باید تعیین نمود.

 برای ارزیابی صرفه جویی مالی، باید هزینه هر KWh را در هر یک از دورهای انتخاب شده موتور از جمله 3٪ افت به دلیل VFD برآورد شده و این هزینه ها را به صرفه جویی سالانه در مقابل کارکرد موتور با سرعت کامل مقایسه نمود. به این مقدار باید صرفه جویی در کاهش تعمیر و نگهداری و افزایش طول عمر موتور و سایر اجزای سازنده به دلیل کارکردن آن در سرعت های پایین را نیز اضافه نمود. به اینها باید صرفه جویی در دیگر یوتیلیتیهای مورد نیاز که با نصب سیستمهای تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" کاهش میابد را نیز اضافه نمود.

البته پارامترهای دیگری مانند از دست دادن گشتاور ، استفاده یا عدم استفاده از ترمز برای موتور و هزینه اتصال سیستم VFD به زمین را هم میتوان مد نظر قرار داد.

شاید لازم به ذکر باشد كه وقتی سیستم VFD، سرعت موتور را بیشتر یا كمتر از سرعت پایه خود تغییر می دهد، در بیشتر موارد موتور گشتاور خود را از دست می دهد.

یک گزینه جایگزین برای هنگامی که موتور باید بالاتر از سرعت پایه خود استفاده شود، استفاده از موتور با دور بالاتر و احتمالاً بزرگ کردن موتور در صورت عدم تامین گشتاور مناسب است. در سرعتهای پایین تر از سرعت پایه، VFD های برداری بدون سنسور و VFD های برداری شاری گزینه های دیگری هستند.

اغلب مقاومت های ترمز یا همان واحدهای ترمز نیز نادیده گرفته می شوند. اینها می توانند مشکلات عملیاتی را در شرایطی که بارهای زیاد اینرسی وجود دارد، حل کنند.

کاربردهایVFDمتفاوت است، اما استفاده از  آن در بسیاری از طرح هایی که قبلا نیز توسط استارت های استاندارد موتور کنترل می شدند، مقرون به صرفه است.

مسئله مهم دیگر اتصال به زمین سیستم VFD است که اغلب نادیده گرفته می شود. اتصال به زمین نامناسب نه تنها ایمن نیست بلکه می تواند مشکلات فانتومی را به صورت خطاهای نویز مزاحم ایجاد کند که باعث خرابی می شود.  اغلب این مشکلات فانتومی پس از سال ها که به نظر می رسد سیستم VFD به درستی کار می کند به چشم می آید.

اگر صرفه جویی هزینه ای به طور قابل توجهی بیش از هزینه ها باشد ، تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" ایده خوبی است. اگر این طور نباشد، حداقل از نظر صرفه جویی در مصرف انرژی قابل توجه خواهد بود  اگرچه VFD اغلب به دلایل دیگری همچون کنترل فرآیند مورد نیاز خواهد بود.

انگیزه اصلی برای استفاده از سیستمهای سرعت متغیر (VSD) برای تجهیزاتی همچون توربین های بخار یا موتورهای الکتریکی زمانی ایجاد می شود که یک کارخانه شیمیایی برای بهینه سازی عملکرد کلی کارخانه به کنترل دقیق سرعت و فرآیند نیاز دارد.

سیستمهای VSD تجهیزاتی مانند توربین های بخار قابلیت راه اندازی تحت شرایط ته نشینی (settle-out conditions)  در کمپرسورها را فراهم میکنند. این یک مزیت بزرگ برای تاسیسات فرآیندی است چرا که در این صورت نیازی به کاهش فشارکه به طور معمول زمان زیادی طول میکشد و سودآوری مجموعه را کاهش می دهد نیست.

استفاده از توربین های بخار در یک کارخانه با فرآیند گرمازا نیز به طور معمول یک صرفه جویی  قابل توجه در انرژی را فراهم می کند

در این حالت توربین ها، بخار تولید شده را برای به حرکت درآوردن کمپرسورها ، پمپ ها و غیره مصرف می کنند. با افزایش عمر تاسیسات، بهتر است تا بهره بردار توربین های قدیمی و کم بازده را با توربین های جدیدتر و با تکنولوژیهایی که راندمان بالاتری دارند، جایگزین کند. این به روز رسانی ها باعث می شود سالانه میلیون ها دلار در استفاده از بخار و همچنین افزایش فواصل بین بازرسی و نگهداری در یک واحد صنعتی صرفه جویی شود.

تکنولوژی های مورد استفاده در چنین بروز رسانی هایی شامل استفاده از پروانه های سه بعدی است که نسبت به نسخه های دو بعدی تولید شده در اوایل دهه 1980 ارتقا یافته اند. استفاده از آنها به طور متوسط  باعث افزایش 10-5 درصدی کارایی پلی تروپیک، کاهش قدرت لازم فشرده سازی و هزینه های مربوطه می شود و علاوه بر اینها انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهد.

عنوان مثال یک کارخانه شیمیایی با تولید 300 هزار تن در سال، پس از نصب جایگزین پروانه سه بعدی شاهد کاهش تقاضای 4838 اسب بخار (14٪ کاهش) در توان مصرفی، 14٪ کاهش تولید دی اکسید کربن و کاهش مصرف 31000 پوند در سال بخار (15 درصد کاهش)  به  ارزش کلی 1.24 میلیون دلار در سال بوده است.

با مراجعه به VFD های الکتریکی ، Jurica خاطرنشان می کند که بهره وری انرژی معمولاً بالا است (> 95٪) و کنترل سرعت برای بسیاری از نقاط کار منطقی است.

با استفاده از سیستم تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" های الکتریکی ، نیروگاه قادر به حذف خفه کننده مکش (Throttling Valve) است که باعث کاهش مصرف انرژی تاسیسات می شود. از نظر تعمیر و نگهداری، استفاده از موتورهای الکتریکی در مقایسه با برخی دیگر از تجهیزات مانند توربین های گازی، هزینه های عملیاتی بسیار کمتری دارند. به طور معمول ، بازرسی های دوره ای  و تعویض به موقع فیلتر برای داشتن کارآیی قابل اعتماد کافی است.

شکل(2) VFDها می توانند هزینه های نگهداری را کاهش دهند، در مصرف انرژی صرفه جویی کرده و عملکرد فرآیند را افزایش دهند

با این وجود ، هنگامی که نیروی محرکه های مختلف مکانیکی تجهیزات مورد بررسی قرار میگیرد، ارزیابی پارامترهای خاص پروژه مانند انعطاف پذیری عملیاتی ، OPEX و تجربه عملیاتی واقعی بسیار مهم است.

چشم انداز دیگر

مصرف کنندگان نوعا دو نکته را در استفاده از تغییر دور موتور با تغییر فرکانس "VFD" در نظر می گیرند. در وهله اول ، مشتریان به دنبال یک سیستم تغییر سرعت هستند که شامل مکانیسم های مکانیکی نباشد و ثانیا استفاده از این سیستمها صرفه جویی انرژی بدنیال داشته باشد. اما درحقیقت اگر تجهیزات از موتور AC استفاده می کنند باید برای تاسیسات سیستم VFD را در نظر گرفته شود.

مزایا استفاده از این سیستمها  از پروژه ای به پروژه دیگرمتفاوت خواهد بود اما به طور کلی، با امکان راه اندازی نرم نیروی محرکه، هزینه تعمیر و نگهداری کاهش یافته و با بهره برداری الکترونیکی با سرعت پایین تر در مقابل استفاده از روشهای مکانیکی، در مصرف انرژی صرفه جویی شده و با تنظیم دقیق تر سرعت تجهیزات می توان عملکرد بهتری بدست آورد. [شکل 2]