کلاس راندمانی الکتروموتورها

کلاس راندمانی الکتروموتورها

موتورهای الکتریکی بخش مهمی از هر فرآیند صنعتی هستند، آنها مصرف کننده بخش بزرگی از برق مصرفی هر تاسیسات صنعتی هستند. موتورهای الکتریکی مسئول نیمی از انرژی مورد استفاده در بخش تولید ایالات متحده هستند و آژانس بین المللی انرژی (IEA)  تخمین می زند که سیستم های مختلف الکتروموتور بیش از 40 درصد از برق جهان را مصرف می کنند.

در این مقاله به اهمیت راندمان موتورهای الکتریکی در اقدامات مربوط به صرفه جویی انرژی می پردازیم. و کمی با کلاس راندمانی الکتروموتورها آشنا خواهیم شد.

فهرست

• راندمان موتور چیست؟
• چرا راندمان موتور مهم است؟
• انواع مختلف تلفات در الکتروموتورها کدام هستند؟
• کلاس های راندمانی چیست؟
• نحوه تعریف کلاس های راندمانی برای موتورها
• مزایای حرکت به سمت کلاس های IE بالاتر

راندمان موتور چیست؟

راندمان موتور الکتریکی اندازه گیری میزان کاری است که ما واقعاً از یک موتور در مقایسه با انرژی پرداخت شده دریافت می کنیم.

راندمان موتور به عنوان نسبت توان مکانیکی خروجی به توان الکتریکی ورودی تعریف می شود. و از آنجایی که انرژی به اشکال مختلف در طول تبدیل (الکتریکی به مکانیکی)، مانند گرما و اصطکاک، هدر می رود، توان مکانیکی خروجی همیشه کمتر از توان الکتریکی ورودی است.

سازندگان موتور همچنان به ارائه راه حل های جدید برای کاهش تلفات موتورهای الکتریکی و در نتیجه افزایش راندمان و کمک به فرآیندهای صنعتی در صرفه جویی بیشتر انرژی ادامه می دهند.

چرا راندمان موتور مهم است؟

راندمان بالاتر موتور در صنایع بسیار مهم است. برخی از مزایا در ادامه ذکر شده است.

• صرفه جویی بیشتر در مصرف انرژی
• هزینه نگهداری کمتر
• اثر محیطی بهتر، (انتشار CO2 کمتر)

صرفه جویی بیشتر انرژی

این یک واقعیت شناخته شده است که صنعت جهانی مقدار زیادی انرژی مصرف می کند و موتورهای الکتریکی بخش بزرگی از این مقدار مصرف انرژی را به عهده دارند. به همین دلیل است؛ استفاده از موتورهای کارآمدتر منجر به صرفه جویی قابل توجه در انرژی و همچنین صرفه جویی در هزینه می شود.

بله، موتورهای کارآمدتر هزینه اولیه بالاتری خواهند داشت، اما پس از مدتی، صرفه جویی در انرژی مصرفی بسیار بیشتر خواهد شد، هرچه موتور شما بیشتر کار کند، هزینه اولیه سریع تر بازگشت داده می شود.

هزینه نگهداری کمتر

به دلیل استانداردهای بالاتر طراحی و ساخت یک موتور کم مصرف، از جمله مواد مورد استفاده و تکنیک های پیشرفته تر در ساخت این نوع موتورها. یک موتور کم مصرف عمر طولانی تری نسبت به موتور معمولی دارد.

به دلیل استانداردهای تولید بالاتر، موتور کم مصرف ارتعاش کمتر و گرمای کمتری را تجربه می کند که منجر به عمر طولانی تر و هزینه تعمیر و نگهداری کمتر می شود.

اثر زیست محیطی بهتر

ممکن است ارتباط مستقیمی بین موتورهای کارآمدتر و انتشار کمتر CO2 وجود نداشته باشد، اما به این فکر کنید که صنعت از مقدار زیادی انرژی تولید شده استفاده می کند. این انرژی تولید شده بیشتر از نیروگاه های فسیلی بدست می آید که در آنها گاز CO2 زیادی انتشار می یابد.

بنابراین، استفاده از موتورهای کارآمدتر باعث کاهش انرژی مصرفی و در نتیجه کاهش انرژی تولیدی مورد نیاز و در ادامه کاهش انتشار CO2 می شود.

انواع مختلف تلفات در موتورهای الکتریکی

تلفات اصلی در موتور الکتریکی در زیر آورده شده است.

• تلفات آهنی استاتور
• تلفات اصطکاک
• تلفات سیم پیچی استاتور
• تلفات روتور
• تلفات بار اضافی یا تلفات بار سرگردان

تلفات آهنی استاتور

تلفات آهنی استاتور به دلیل انرژی مورد نیاز برای مغناطیس کردن مواد هسته وجود دارد و شامل تلفات ناشی از ایجاد جریان های گردابی است که در هسته جریان دارد. و همچنین تلفات هیسترزیس که در هسته رخ می دهد.

تلفات آهن استاتور را می توان با استفاده از فولادهای الکترومغناطیسی بهتر و نازکتر و با افزایش طول هسته آهن و به تبع آن کاهش چگالی شار کاهش داد.

تلفات اصطکاک و بادخوری

تلفات اصطکاک به دلیل اصطکاک در یاتاقان ها و آب بندی موتورها و مقاومت هوا در فن های خنک کننده وجود دارد.

تلفات اصطکاک را می توان با ابعاد و انتخاب صحیح یاتاقان ها و همچنین بهینه سازی طراحی فن و جریان هوا کاهش داد.

تلفات سیم پیچی استاتور

تلفات سیم پیچ استاتور یا تلفات I²R به دلیل عبور جریان از طریق مقاومت سیم پیچ استاتور ایجاد می شود.

تلفات سیم‌پیچ استاتور را می‌توان با بهینه‌سازی طراحی شیارهای استاتور کاهش داد، سیم‌پیچ‌ها به‌طور منظم و سفت در شیارهای جا زده شده‌اند تا از نزخ پرشدگی مناسب اطمینان حاصل شود. در مجموع هر چقدر مقدار مس مورد استفاده یا همان مقطع سیم کلاف بیبشتر باشد. تلفات سیم پیچی کاهش خواهد یافت.

تلفات روتور

تلفات روتور شامل تلفات I²R ناشی از جریان های روتور و همچنین تلفات آهن ناشی از برهمکنش شار مغناطیسی با هسته روتور می شود.

تلفات روتور را می توان با افزایش اندازه میله های روتور و حلقه های انتهایی کاهش داد تا مقاومت کمتری ایجاد شود.البته افزایش سطح مقطع میله روتور گشتاور راه اندازی را کاهش می دهد.

تلفات اضافی یا تلفات بار

تلفات بار اضافی یا تلفات بار سرگردان به دلیل شار نشتی ناشی از تغییرات در سیم پیچ ها، عیوب مکانیکی در فاصله هوایی، و بی نظمی در چگالی شار فاصله هوایی وجود دارد. آنها را می توان با بهبود هندسه فاصله هوایی و به حداقل رساندن انحراف در فاصله هوایی کاهش داد.

همانطور که متوجه شده اید، ما می گفتیم کاهش دهید، نه حذف، زیرا تلفات موتور الکتریکی اجتناب ناپذیر است، اما با استفاده از مواد با کیفیت بهتر و طراحی موتور بهبود یافته، می توان بازده موتور را افزایش داد تا تمام مزایای ذکر شده قبلی را به دست آورد.

کلاس های راندمان موتور چیست؟

کلاس راندمانی استانداردی است که برای نشان دادن کارایی موتور الکتریکی استفاده می شود.

استانداردهای زیادی وجود دارد که موتورها را بر اساس کارایی طبقه بندی می کند، مانند NEMA، CEMEP، CSA C390-10 و IEC.

استاندارد IEC 60034-30-1 چهار کلاس راندمانی را تعریف می کند:

• IE1: Standard Efficiencyبازدهی استاندارد
• IE2: High Efficiency بازدهی بالا
• IE3: Premium Efficiencyراندمان عالی
• IE4: Super-premium Efficiency راندمان فوق العاده عالی

جدول زیر را برای دیگر استناداردهای طبقه بندی های بازده موتورهای الکتریکی در مقایسه با IEC 60034-30-1 بررسی کنید.

جدول 1- استانداردهای مختلف برای کلاس های راندمانی الکتروموتورها

از آنجایی که IEC پرکاربردترین استاندارد است، ما در مورد طبقه بندی IEC بحث خواهیم کرد.

IEC 60034-30-1 بر روی موتور القایی 3 فاز ولتاژ پایین تمرکز دارد

مقادیر واقعی راندمان مورد نیاز برای برآورده کردن هر کلاس IE1، IE2، IE3 و IE4 به فرکانس کاری موتور، تعداد قطب ها و خروجی نامی آنها بستگی دارد. همانطور که در تصاویر زیر نشان داده شده است.

چگونه کلاس های بهره وری IE برای موتورها تعریف می شوند؟

IEC 60034-30 جداولی را تعریف کرده است که موتورها را بسته به فرکانس کاری، تعداد قطب ها و خروجی نامی به کلاس های IE مختلف طبقه بندی می کند.

تصویر زیر را برای حداقل مقادیر بازده در فرکانس 50 هرتز تعریف شده در IEC/EN 60034-30-1:2014 بررسی کنید (بر اساس روش های آزمایش مشخص شده در IEC 60034-2-1:2014 )

تصویر 1 – حداقل مقادیر بازده در فرکانس 50 هرتز تعریف شده در IEC/EN 60034-30-1:2014 (براساس روش های آزمایش مشخص شده در IEC 60034-2-1:2014)

همانطور که از جدول می بینید، طبقه بندی IE به قدرت موتور و همچنین تعداد قطب ها بستگی دارد. می بینید که بالا رفتن در کلاس های IE، راندمان را حدود 1% برای موتورهای پرقدرت تا 10% برای موتورهای کم توان افزایش می دهد.

ممکن است فکر کنید افزایش 1 درصدی در راندمان آنچنان زیاد نیست، اما وقتی یک موتور 200 کیلووات همیشه کار می کند، صرفه جویی در انرژی قابل توجه خواهد بود.

تصویر بعدی را برای کلاس های IE3 و IE4 ببینید.

تصویر 2 – حداقل مقادیر بازده در فرکانس 50 هرتز تعریف شده در IEC/EN 60034-30-1:2014 (بر اساس روش های آزمایش مشخص شده در IEC 60034-2-1:2014)

مزایای حرکت به کلاس های راندمانی بالاتر IE موتورها

انرژی مصرف شده بیش از 97 درصد از کل هزینه های عملیاتی موتور در طول عمر موتور را تشکیل می دهد. بنابراین وقتی موتور خود را از کلاس IE پایین تر به کلاس IE بالاتر ارتقا دهید، انرژی مصرفی موتور کاهش می یابد.

و بله، هزینه موتورهای کلاس IE بالاتر گرانتر است، اما موتورهای با راندمان بالاتر طول عمر بیشتر و هزینه نگهداری کمتری دارند. بنابراین، در هزینه های نگهداری نیز صرفه جویی خواهید کرد.

به عنوان یک مهندس تعمیر و نگهداری، اگر نیاز به کاهش هزینه های انرژی در کارخانه خود دارید، سعی کنید به جایگزینی برخی از موتورهای موجود با موتورهای کلاس IE بالاتر فکر کنید، هزینه اولیه بیشتر خواهد بود، اما در کل انرژی صرفه جویی بیشتری خواهید داشت.

نتیجه

• موتورهای الکتریکی بخش مهمی از هر فرآیند صنعتی هستند
• سیستم های موتور الکتریکی بیش از 40 درصد از برق تولید شده در جهان را مصرف می کنند.
• موتورهای الکتریکی با انواع تلفات مواجه می شوند که بر راندمان کلی موتور تأثیر می گذارد.
• موتورهای با راندمان بالاتر باعث کاهش هزینه های انرژی، کاهش هزینه های نگهداری و کاهش انتشار CO2 می شوند.
• کلاس کارایی استانداردی است که برای نشان دادن راندمان موتور الکتریکی استفاده می شود.
• استاندارد IEC 60034-30-1 چهار کلاس کارایی IE1، IE2، IE3 و IE4 را تعریف می کند.
• بالا رفتن در کلاس های IE باعث می شود انرژی کمتری در موتور شما مصرف شود، هزینه اولیه بالا خواهد بود، اما پس از مدتی، نتایج صرفه جویی در انرژی را مشاهده خواهید کرد.

مرجع:

Electric Motors Efficiency Classes

https://instrumentationtools.com