عنوان                                                         صفحه
فصل اول-مدارهای موردنیاز برای کنترل موتور القایی
اینورتر     1
1-1- اینورتر پل تکفاز     2
1-2- اینورتر تکفاز PWM     5
2- اینورترهای سه فاز     6
3- اینورتر با تشدید سری     14
4- اینورترهای منبع جریان     15
4-1- اینورتر منبع جریان سه فاز     17
5- منابع جریان     25
5-1- مدولاسیون پهنای پالس در یک اینورتر منبع جریان تریستوری     27
6- مقایسه محرکه های اینوتر منبع جریان و ولتاژ     30
فصل دوم – کنترل موتور القایی
مقدمه     33
1- اصول کنترل سرعت موتورهای القایی     33
2- کنترل لغزش     34
3- روشهای کنترلی موتورهای القایی، کنترل کننده اسکالر     36
4- کنترل کننده اسکالر درایوهای موتور القایی با اینورتر VSI     37
4-1- کنترل کننده سرعت، مدار باز     38
4-2- کنترل کننده سرعت مداربسته با محدود کننده جریان     40
5- کنترل کننده سرعت مدار باز ، در شیراط کنترل V/F     42
6- کنترل برداری     44
6-1- انواع روشهای کنترل برداری     45
6-2- کنترل برداری مستقیم با جهت یابی شار فاصه هوایی و اینورتر PWM با جریان کنترل کننده     45
6-3- کنترل کننده برداری مستقیم با جهت یابی شار استاتور     50
6-4- کنترل برداری غیر مستقیم با جهتیابی شار رتور و اینوتر PWM با جریان کنترل شده     51
6-5- کنترل برداری با اینورترها PWM و در شرایط کنترل ولتاژ     55
6-6- کنترل برداری با استفاده از اینورتر CSI     58
فصل سوم – روشهای الکتریکی و مکانیکی کنترل دبی در پمپها
چکیده     61
1- مقدمه     62
2- استخراج رابطه میان گشتاور، سرعت و دبی یک پمپ     64
3- ارزیابی به کارگیری شیر فلکه به عنوان روش معمول کنترل دبی پمپ     67
4- ارزیابی روش کنترل دور موتور القایی به منظور کنترل دبی سیال     69
5- مقایسه نتایج حاصل از روشهای مختلف کنترل دبی سیال     75
6- ارزیابی اقتصادی به کارگیری ASD     79
نتایج     80
فصل چهارم – کاربرد AC درایوها در پمپ های آبیاری و آبرسانی
مقدمه     82
1- مشخصه های سیستم پمپ و بار و طبقه بندی پمپ ها     85
2- مشخصه پمپ های روتو دینامیک     86
3- تاثیر سرعت متغیر پمپ روی منحنی عملکرد آن     87
4- پرفورمنس مکش پمپ (NPSH)     90
5- نیازهای عملیاتی پمپ ها     91
6- راندمان پمپ     93
7- پمپ های موازی     95
8- کنترل on/off پمپ های موازی     97
9-1- کنترل فلو با روش شیر کنترل     98
9-2- کنترل فلو با روش شیر BYPASS
9-3- کنترل فلو توسط درایوهای دور متغیر     100
10- آبیاری در مزارع (Irrigation)     103
11- روشهای مختلف استفاده از درایو برای کنترل پمپ     104
11-1- روش مالتی مستر Multi Master     104
11-2- روش Multi Follower     107
11-3- تشریح عملکرد کنترل در روش Advance level Control     110
فصل پنجم
مقدمه     113
1- مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی     115
2- موانع در سیاستگذاری انرژی     117
3- انتخاب موتور مناسب     118
3-1- تطابق موتور و بار     118
3-2- موتورهای با راندمان بالا     121
4- اقدامات مورد نیاز برای بهبود عملکرد سیستمهای مرتبط با الکتروموتورها     123
4-1- کیفیت توان Power Quality     123
4-2- تثبیت ولتاژ شبکه     123
4-3- عدم تقارن فاز     125
4-4- ضریب قدرت     126
5- روشهای عملمی برای افزایش بازدهی موتور     126
6- دستورالعملهای لازم برای بهبود عملکرد موتورهای الکتریکی     131
7- دسته بندی اقدامات لازم برای بهینه سازی مصرف انرژی     133
8- تکنولوژی الکترونیک قدرت و درایوهای AC     133
9- کنترل کننده دور موتور     136
10- مزایای استفاده از کنترل کننده های دور موتور     140
11- مدیریت بهینه سازی مصرف انرژی و نقش کنترل کننده های دور موتور     142
12- پمپها و فنها     145
13- قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن     147
14- محاسبات صرفه جویی انرژی در فن     154
15- یک مطالعه موردی در ایران     155
16- سیستمهای تهویه مطبوع     159
17- ماشین تزریق پلاستیک     159
18- صرفه جویی انرژی در تاسیسات آب و فاضلاب     161
19- کمپرسورها     161
20- نیروگاه ها     162
21- سیمان     163
22- قابلیتهای کنترل کننده دور موتور مدرن     165
22-1- نرم افزار کاربردی کنترل پمپ و فن     168
22-2- نرم افزار کاربردی کنترل سطح پیشرفته     168
22-3- نرم افزار کنترلی Master Follower     168
23- درایوهای دور متغیر VACON مصداقی از درایوهای مدرن     168
24- مسائلی که درایوهای دور متغیر به وجود می آورند     169
منابع     175


چکیده:
امروزه کنترل موتورهای القایی به دلیل مزایای زیاد این موتورها نسبت به موتورهای جریان مستقیم روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد.
در این پایان نامه روشهای مختلف کنترل دور و گشتاور موتورهای القایی و کاربردهای آن مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل اول مدارهای موردنیاز برای کنترل موتورهای القایی شامل مدارهای فرکانس متغیر که خود شامل اینورتورهای منبع ولتاژ، اینورتورهای منبع جریان می باشند معرفی و بررسی شده اند.
در فصل دوم روش های مختلف کنترل موتورهای القایی مورد بحث قرار گرفته است. در ابتدا اصول کنترل دور و سپس روشهای مختلف کنترل v/f ثابت کنترل لغزش و کنترلهای برداری مورد بحث قرار گرفته است.
در فصل سوم به روشهای مکانیکی و الکتریکی کنترل دبی در پمپها پرداخته ایم و با مقایسه هر دو روش الکتریکی و مکانیکی به این نتیجه می رسیم که استفاده از روش الکتریکی مناسبتر است.
در فصل چهارم به کاربردهای AC درایوها در پمپ های آبیاری و آبرسانی . انواع روشهای مختلف بکارگیری کنترل دور برای پمپ مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل پنجم صرفه جویی انرژی در موتورهای القایی از طریق استفاده از کنترل دور و انواع روشهای افزایشی راندمان، گشتاور و ضریب قدرت مورد بررسی قرار گرفته است.
 

مقدمه
بحت انرژي از دو ديدگاه اقتصادي و زيست محيطي حائز اهميت است . بهينه سازي مصرف انرژي به اين معني است كه  بتوان با استفاده از تجهيزات و يا مديريت بهتر همان كار را ولي با مصرف انرژي كمتر انجام بدهيم .
صرفه جوئي انرژي مي تواند با استفاده از تجهيزات بهتر نظير : عايق بندي مطلوب ، افزايش راندمان سيسمتهاي حرارتي، و بازيابي تلفات حرارتي بدست آيد از طرف ديگر اعمال مديريت انرژي، بمنظور درك سيستمهاي موجود و طريقه استفاده از آنها،  ميتواند در كاهش مصرف انرژي نقش مهمي داشته باشد. در سياست گذاري انرژي بايد سازمانها رويكرد سيستمي داشته باشند. براي مثال در بهينه سازي مصرف انرژي الكتريكي هدف تنها كاهش هزينه هاي انرژي يك يا چند الكتروموتور مشخص نيست،  بلكه بايد آثار اقدامات مورد نظر روي ساير سيستمها نيز بدقت مورد توجه قرار گيرد. در یک بنگاه اقتصادی صرفه جوئی انرژی میتواند موجب برتری رقابتی بنگاه گردد.
در اغلب بخشهاي صنعتي انرژي الكتريكي مهمترين منبع انرژي صنعت بشمار مي رود . از آنجا كه موتورهاي الكتريكي، مصرف كننده اصلي انرژي الكتريكي در كارخانجات
صنعتي ميباشند. لذا بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي كه موضوع مقاله  است از اهميت ويژه اي برخوردار خواهد بود . براي درك اهميت بهينه سازي مصرف انرژي به اين مورد اشاره مي كنيم كه اگر راندمان موتورهاي  الكتريكي القائي موجود در اروپا تنها به ميزان 1% افزايش يابد، هزينه مصرف انرژي الكتريكي به ميزان 6/1 ميليارد دلار در سال كاهش خواهد يافت .
آمار منتشر شده از سوي وزارت نيرو نشان مي دهد در سال 1373 ،  5/38% از كل انرژي الكتريكي مصرف شده در ايران توسط موتورهاي الكتريكي بوده است[F1]. البته اين ميزان در كشورهاي صنعتي تا 65% مي رسد و شاخص خوبي براي نشان دادن سطح صنعتي شدن يك كشور مي باشد[10] .  اهداف بهينه سازي مصرف انرژي را میتوان بصورت زیر بیان نمود:
§        استفاده منطقي از انرژي
§        حفظ منابع انرژي
§        اصلاح ميزان مصرف انرژي در بخشهاي مصرف كننده انرژي
§        كاهش گازهاي گلخانه اي و آلودگي هوا
§        اصلاح وضعيت موجود
§        کسب برتری رقابتی در بنگاههای اقتصادی
مي توان اقدامات مختلفي براي صرفه جوئي انرژي الكتريكي در الكتروموتورهاي صنعتي بعمل آورد. در حالت كلي اين اقدامات به دو دسته تقسيم ميشود:
1-     اقدامات مربوط به طراحي موتور
2-     اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها
اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها را نيز ميتوان به دو دسته تقسيم نمود:
1-     اقدامات روي موتور، نظير تهويه، روغنكاري، و بارگذاري
2-     استفاده از درايو یا کنترل کننده دور موتور
در اين مقاله نخست روشهاي بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي را مورد بحث قرار مي دهيم  سپس كاربرد درايوها در كنترل موتورهاي الكتريكي و تاثيري كه آنها مي تواند در صرفه جوئي مصرف انرژي بگذارند مورد بررسي قرار خواهد گرفت .


1- مصرف انرژي در موتورهای الکتریکی
در سالهاي اخير بهينه سازي مصرف انرژي در صنايع بدلايل اقتصادي و زيست محيطي اهميت بيشتري يافته و موجب شده است كه اقدامات عملي گسترده اي در اين زمينه بعمل آيد. علي رغم اينكه يكي از بزرگترين مصرف كنندگان انرژي الكتريكي در بخش صنعت موتورهاي الكتريكي مي باشند ، ليكن در زمينه افزايش بازدهي مبدلهاي انرژي الكتريكي به مكانيكي مستقر در صنايع اقدامات عملي چنداني بعمل نيامده است. بديهي است كه  افزايش بازدهي محرك هاي صنعتي نه تنها از نظر اقتصادي مورد توجه استفاده كنندگان مي باشد بلكه در برنامه‌ريزي انرژي در سطح ملي نيز حائز اهميت است .
مطالعات انجام شده در صنایع ایران حکایت از وضعیت نابسامان انتخاب و بهره برداری از موتورهای الکتریکی دارد [F1]. بر اساس این تحقیقات اغلب موتورها بزرگتر از میزان نیاز انتخاب شده و در شرائط بدی نگهداشت میشوند. استفاده از موتورهای با راندمان بالا در ایران رایج نبوده و گزارش موثری از استفاده از درایو جهت صرفه جوئی انرژی در دست نیست. كاربردهاي صنعتي بسياري مي تو.ان يافت كه موتورها در بازدهي بسيار پايين تر از مقدار حداكثر قرار دارند . بعنوان مثال در يكي از كارخانجات صنعتي كشورمان در يك مورد ، متوسط توان مصرفي در يك موتور القائي سه فاز صنعتي تنها 28% توان نامي اندازه گيري شده است [F1]. بديهي است  پايين بودن توان خروجي، تا اين حد تاثيرات منفي قابل توجهي بر بازدهي و ضريب توان موتور خواهد داشت .
از سوی دیگر دولت نیز نتوانسته است در ترویج فرهنگ استفاده بهینه از انرژی الکتریکی توفیقات خوبی داشته باشد. بعنوان مثال وزارت نیرو و سازمانهای وابسته به آن که مشخصا در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی در سطح کلان عمل میکند هنوز در ارتباط با کاهش مصرف داخلی نیروگاهها اقدام موثری بعمل نیاورده است. در حالیکه پتانسیل صرفه جوئی انرژی الکتریکی زیادی در نیروگاهها وجود دارد.
2- موانع در سیاست گذاری انرژی
در ایران موانعی که سر راه بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی وجود دارد را میتوان بصورت زیر دسته بندی نمود:
-        سیاست دولت در پرداخت سوبسید به صنایع
-        عدم آگاهی مدیران صنایع از روشهای صرفه جوئی انرژی الکتریکی
-        ضعف دانش فنی مهندسین مرتبط با بهینه سازی مصرف انرژی
-        نگرانی از ضریب اطمینان درایو و آثار منفی آن روی شبکه و موتور
-        نداشتن یک رویکرد سیستمی در استفاده از موتورهای با راندمان بالا

3- انتخاب موتور مناسب
موتورهاي القائي سه فاز و يك فاز به دليل تنوع  مصرف در كاربردهاي زيادي مورد استفاده قرار مي گيرند. مشخصه هاي بارمكانيكي ناشي از كاربرد و مورد مصرف مي باشد. بديهي است موتور در صورتي مي تواند بار مكانيكي متصل به آن را تامين كند كه مشخصه عملكردي موتور منطبق بر مشخصه بار مكانيكي باشد .
3-1- تطابق موتور و بار
همانطور كه در بالا  اشاره شد موتور و بار داراي مشخصه هاي خاص خود مي باشند . منظور از تطابق بين موتور و بار انطباق بين مشخصه هاي موتور و مشخصه هاي بار متصل به محور موتور ميباشد .
مشكل اصلي در صنايع كشور آن است كه در اغلب موارد تطابق مطلوبي بين مشخصه هاي بار و موتور وجود ندارد. توان اغلب موتورها بيش از بار متصل به محور شان مي باشد و با توجه به اينكه قيمت تمام شده موتور متناسب با توان آن مي‌باشد، لذا بديهي است انتخاب موتور با توان بيش از نياز بار، علاوه بر افزايش هزينه اوليه موتور موجب افزايش ساير هزينه ها از قبيل كابل كشي و نصب و راه اندازي و تعمير خواهد شد .
 از طرف ديگر در صورتيكه موتور انتخاب شده بزرگتر از حد لازم باشد در اين صورت موتور در حالت بار كامل و يا نزديك به بار كامل كار نكرده و لذا بازدهي آن پايين تر از مقدار حداكثر آن خواهد بود . و خود اين امر اشكالات جدي در بهينه سازي مصرف انرژي ايجاد خواهد كرد .
در موتورهاي القائي سه فاز در صورت كاهش ميزان بازدهي موتور ، به ويژه به ميزان كمتر از 80% بار كامل ، شاهد كاهش قابل توجه در بازدهي موتور خواهيم بود . متاسفانه در اكثر  موارد به اين نكته توجه نشده و تنها تاثير نامطلوب انتخاب موتور بزرگتر از حد لازم بر هزينه اوليه مورد توجه قرار مي گيرد . در صورتيكه محاسبات انجام شده حاكي از آن است كه تاثير  انتخاب نامناسب موتور بر هزينه هاي متغير (هزينه اتلاف انرژي اضافي) قابل توجه و بمراتب بيش از افزايش هزينه ثابت اوليه مي باشد .
يك مثال  اين موضوع را روشن خواهد كرد :
مثال : فرض مي كنيم براي انجام يك كار مكانيكي  ، موتور القائي سه فاز با توان خروجي 110 كيلو وات مناسب باشد و بجاي آن موتور با توان 132 كيلو وات انتخاب شود . اطلاعات زير را مورد توجه قرار مي دهيم :
-         بازدهي موتور در بار كامل = 2/94%
-         بازدهي موتور در 3/83% بار كامل = 5/92%
-         طول عمر مفيد موتور = 15 سال
-         ضريب كاركرد = 8/0
با انجام كمي محاسبات مي توان نتيجه گرفت كه مصرف انرژي در طول 15 سال بمقدار 600/937 كيلو وات ساعت افزايش پيدا خواهد كرد. مطالب فوق اين واقعيت را بيان مي كند كه انتخاب موتور مناسب به لحاظ اقتصادي حائز اهيمت فراوان بوده و لذا تطابق بين بار و موتور از اهميت ويژه اي برخوردار است . انتخاب موتور بزرگتر از حداقل مورد نياز به دلايل زير غير اقتصادي مي باشد :
1-     با افزايش توان موتور قيمت آن يعني هزينه اوليه افزايش مي يابد .
2-      با افزايش توان موتور  هزينه هاي نگهداري و تعميرات آن افزايش مي يابد .
3-    با افزايش توان موتور بدليل پايين آمدن ضريب بار ، بازدهي موتور كاهش يافته و بدين ترتيب انرژي تلف شده افزايش مي يايد .
3-2- موتورهای با راندمان بالا (Energy Efficient Motors)
گرچه قیمت موتورهای با راندمان بالا بیشتر از موتورهای استاندارد است، ولی در اغلب کاربردها استفاده از آنها کاملا اقتصادی است. مخصوصا در کاربردهائی که:
-        مدت زمان روشن بودن موتور بیش از زمان خاموش بودن ان باشد
-        مدت زمان روشن بودن موتور بیش از 2000 ساعت در سال باشد
-        گشتاور بار نسبتا ثابت بوده و موتور بدرستی به بار تطبیق شده باشد.
استفاده از موتورهای با راندمان بالا توصیه میشود. بارهائی چون میکسرها، نقاله ها و فیدرها از این نوع هستند. اهمیت موضوع وقتی آشکار میشود که توجه کنیم که هزینه انرژی مصرفی یک الکتروموتور در طول عمر مفید آن 10 تا 20 برابر قیمت موتور است[16].  موتورهای با راندمان بالا علاوه بر صرفه جوئی انرژی معمولا مزیتهای دیگری نیز دارند. برای مثال آنها جریان های بیشتری را در هنگام راه اندازی تحمل میکنند و حرارت و نویزکمتری تولید میکنند. هر چند که موتورهای با راندمان بالا تنها 2 تا 3 درصد راندمان را بهبود میدهند، اما اگر در انتخاب و بکارگیری آنها بجای یک موتور کل سیستم در نظر گرفته شود، اثر بخشی کار بالا خواهد رفت. با رویکرد سیستمی به موضوع و در نظر گرفتن عوامل دیگر نظیر هزینه های تعمیر و نگهداشت و بهره برداری میتوان به کارائی این موتورها بیشتر پی برد.  ميزان صرفه جوئي انرژي در صورت استفاده از موتور با راندمان بالا، به جاي موتورهاي استاندارد از رابطه زير قابل محاسبه است:
 
در رابطه فوق hp توان موتور بر حسب اسب بخار، l ضريب بار( در صد از بار كامل تقسيم بر 100)، hr ساعات كار در طول سال، c متوسط قيمت انرژي (قيمت هر كيلووات ساعت انرژي)، stdh راندمان موتور استاندارد (%)، و eeh راندمان موتور با راندمان بالا (%) است.
توصيه ميشود هنگام خريد موتور و يا سفارش ساخت ماشين به سازندگان ماشين از موتورهاي با راندمان بالا استفاده گردد. همچنين معمولا اقتصادي است كه بجاي سيم پيچي كردن موتورهاي سوخته و استفاده مجدد از آنها، از موتورهاي با راندمان بالا استفاده گردد. زمان بازگشت سرمايه(به سال) در خريد اين نوع موتورها، بطور ساده عبارت خواهد بود از:
 
4- اقدامات مورد نياز براي بهبود عملكرد سیستمهای مرتبط با الكتروموتورها
يك موتور معمولا با اجزا و سيستمهاي ديگر در ارتباط است. براي بهبود عملكرد الكتروموتورها لازم است سيستمهاي مرتبط با موتور نيز در نظر گرفته شود. اين سيستمها شامل شبكه برق، كنترل كننده هاي موتور، الكتروموتور و سيستم انتقال نيرو ميگردد.
4-1-   كيفيت توان  Power Quality
مسائل كيفيت توان شبكه شامل كليه اختلالات شبكه برق مثل عدم تقارن در ولتاژ، افت ولتاژ، چشمك زدن، اسپايك، سيستم ارت بد ، هارمونيكها و نظاير آن ميشود [5]. از آنجا كه كيفيت توان تاثير زيادي در اتلاف انرژي دارد، لازم است يك مهندس مجرب وضعيت شبكه برق تاسيسات را زير نظر داشته باشد.
 
4-2- تثبيت ولتاژ شبكه
تا آنجا كه ممكن است بايد ولتاژ اعمالي به موتور نزديك به ولتاژ كار موتور باشد. گرچه تغييرات 10% در ولتاژ موتور مجاز است اما از نقطه نظر اتلاف انرژي ميزان انحراف از ولتاژ نامي موتور بايد كمتر از 5% باشد. تغيير ولتاژ موتور موجب افت ضريب قدرت، عمر مفيد موتور و راندمان ميگردد [6]. شكل(1)
 
شکل(1): بررسی تائیر تغییرات ولتاژ اعمالی به موتور روی تورک، جریان راه اندازی، جریان بار کامل، راندمان و ضریب قدرت
اگر ولتاژ موتور بيش از 5% كاهش پيدا كند، راندمان بين 2 تا 4 درصد افت پيدا كرده و دماي موتور حدود 15 درجه افزايش مي يابد و اين افزايش دما عمر عايق موتور را كاهش خواهد داد. در شكل(2) عمر موتور در دماهاي كار مختلف و با كلاسهاي عايقي مختلف نشان داده شده است.
 
شکل (2): بررسی تاثیر دمای کلافهای موتور روی عمر مفید آن برای موتورهای با کلاس عایقی مختلف
4-3-    عدم تقارن فاز
عدم تقارن فاز بايد كمتر از 1% باشد. عدم تقارن فاز بصورت زير توسط NEMA تعريف شده است:
 
براي مثال اگر ولتاژهاي فاز بترتيب 462 و 463 و 455 ولت باشد. متوسط ولتاژ سه فاز برابر با 460 ولت ميشود و در صد عدم تقارن بصورت زير محاسبه خواهد شد:
 

4-4-        ضريب قدرت
ضريب قدرت پائين موجب افزايش جريان كابلها و ترانسقورماتورها و افت ولتاژ شده و بدين ترتيب باعث كاهش ظرفيت سيستم تغذيه ميشود [7]. ضريب قدرت پائين ناشي از بار كم در شفت موتور است. در شكل (3) منحنيهاي ضريب قدرت براي بارهاي مختلف و رنجهاي تواني متفاوت موتورها آمده است[8] . بوضوح مشاهده ميشود با كاهش بار موتور ضريب قدرت تغييرات قابل توجهي ميكند.
 
شکل (3): تغییرات ضریب قدرت متناسب با بار موتور
5- روشهاي عملي براي افزايش بازدهي موتور
اشاره شد كه بالا بردن بازدهي متوسط موتورهاي القائي به لحاظ اقتصادي از اهميت ويژه اي برخوردار است . بديهي است نحوه عمل و دستيابي به نتايج مطلوب وابسته به نوع و اندازه موتور ، شرايط بارگذاري ، نحوه نگهداري و غيره بوده و لذا نمي توان دستور العمل كلي براي ارتقاء بازدهي كليه موتورهاي القائي ارائه داد. بطور كلي اقدامات  لازم براي بالا بردن بازدهي موتورهاي القائي را مي توان به دو دسته تقسيم نمود . دسته اول تمهيداتي است كه در زمان طراحي و ساخت موتور بايد بكار گرفت . دسته دوم شامل مجموعه اقدامات عملي جهت بالا بردن بازدهي موتورهاي القائي در حال كار در صنايع مي شود .