مطالعه موردی: بهبود ضریب توان و ملاحظات هارمونیک در والمارت مکزیک

بهبود ضریب توان و ملاحظات هارمونیک فروشگاه زنجیره‌ای والمارت در مکزیک

پیشینه:

وال مارت د مکزیکو، یک فروشگاه زنجیره‌ای خرده فروشی بزرگ در مکزیک است. آنها 699 شعبه در 76 شهر در سراسر کشور، از جمله فروشگاه‌های سلف سرویس، فروشگاه‌های پوشاک و رستوران‌ها، اداره می‌کنند.

وال مارت 15 سال پیش با شرکت Aurrera، یک شرکت مکزیکی و بزرگترین خرده فروش در مکزیک، همکاری خود را آغاز کرد. Aurrera همچنین مالک فروشگاه‌های بزرگی مانند Sam’s Club، Suburbia و گروه رستوران‌های Vips در کنار دیگران بود. از سال 1997، والمارت تاکنون 100٪ از شرکت‌های یادشده را در اختیار دارد و با اضافه کردن انبارهای Sam’s خود در حال رشد بوده است.

ضریب توان (Power Factor-PF) معمول یک فروشگاه، بدون جبران توان راکتیو (reactive power compensation)، کمتر از 0.80 پس فاز (lagging) است. در ایالات متحده آمریکا، بسیاری از شرکت‌های برق نیازی به بهبود PF مشتریان ندارند. با این وجود، مشتریان و سیستم‌های الکتریکی آنها از بهبود ضریب توان بهره‌مند می‌شوند زیرا تلفات داخلی کاهش می‌یابد.

در مکزیک، شرکت‌های برق از مشتریان خود می‌خواهند که ضریب توان (PF) را حداقل 0.90 پس‌افت (lagging) داشته باشند. شرکت آرتچ، از طریق توزیع‌کننده خود، سینماتیکا د مکزیکو، با والمارت برای دستیابی و حفظ این سطح از ضریب توان همکاری کرده است. آرتچ، تجزیه و تحلیل مهندسی ضریب توان و هارمونیک‌ها را ارائه می‌دهد و انتخاب و نصب مناسب بانک‌های خازنی را در فروشگاه‌های والمارت در سراسر مکزیک فراهم می‌کند.

در اکتبر 2004، به آرتچ پروژه تجزیه و تحلیل و بهبود ضریب توان در باشگاه سام واقع در کامپچه، ایالتی در جنوب مکزیک، واگذار شد. در زمانی که این باشگاه سام هر ماه مبلغ 9719.00 دلار مکزیکی بابت ضریب توان پایین (0.84 پس‌افت) به شرکت برق، کمیسیون فدرال برق (CFE)، پرداخت می‌کرد، هزینه اضافی پرداخت می‌شد.

حذف این هزینه عملیاتی غیرضروری بسیار مهم بود. سینماتیکا و آرتچ شروع به تجزیه و تحلیل سیستم الکتریکی از نظر ضریب توان و تعیین میزان هارمونیک‌های رایج در سیستم کردند. هارمونیک‌ها می‌توانند راندمان سیستم و کیفیت توان را بیشتر کاهش دهند و همچنین پتانسیل مشکلات رزونانس را ایجاد کنند. سینماتیکا تحلیلی از کل سیستم الکتریکی انجام داد و انتخاب بهینه برای نوع، ظرفیت و محل قرارگیری خازن را به منظور به حداکثر رساندن صرفه‌جویی (جلوگیری از تلفات) انجام داد.

سیستم برق والمارت:

سیستم برق در این مورد شامل یک ترانسفورماتور ۱۰۰۰ کیلوولت‌آمپر با ثانویه ۴۸۰ ولت است. ترانسفورماتور یک تابلو برق را تغذیه می‌کند که انرژی را از طریق مدارشکن‌ها به چندین بار توزیع می‌کند. این بارها معمولاً برای یک مرکز خرید یا فروشگاه بزرگ (روشنایی فلورسنت، تهویه مطبوع، تجهیزات کامپیوتری و یخچال و غیره) هستند. نمودار تک خطی ساده شده در زیر نشان داده شده است.

اعوجاج هارمونیکی را که معمولاً با بارهای الکترونیک قدرت مانند درایوهای سرعت متغیر (VSD)، کامپیوترها و روشنایی با راندمان بالا مرتبط است، آشکار نکرد. بنابراین، نصب فیلتر هارمونیک یا بانک خازنی تنظیم نشده ضروری نبود زیرا بزرگی هارمونیک‌ها در سیستم بسیار کم بود و مشخص شد که مشکلی ایجاد نمی‌کند. این موضوع با شکل موج‌های ولتاژ و جریان (که تقریباً سینوسی هستند) اندازه‌گیری شده در ثانویه ترانسفورماتور، همانطور که در زیر نشان داده شده است، مشهود است.

بانک خازنی پیشنهادی:

راه حل پیشنهادی، نصب یک بانک خازنی خودکار، در 480 ولت، بود که ضریب توان راکتیو را حداقل به 0.96 پس‌فاز افزایش می‌داد. بانک خازنی خودکار به دلیل قابلیت تطبیق kVARهای خازنی با الزامات بار واقعی انتخاب شد. اگرچه حداقل ضریب توان مورد نیاز 0.90 ضریب توان است، اما انگیزه مالی برای بهبود بالاتر از این سطح وجود داشت. همانطور که در نمودار تک خطی بالا نشان داده شده است، بانک خازنی به ثانویه ترانسفورماتور و در تابلو برق متصل شده است. حفاظت اضافه جریان بانک خازنی توسط MCB موجود در خود تجهیزات خازنی ارائه می‌شود.

انتخاب توان راکتیو مورد نیاز با فرمول زیر به راحتی قابل تعیین است:

فرمول توان رآکتیو

هنگام نصب خازن‌های ضریب توان باید رویکرد دقیقی اتخاذ شود. اگر هارمونیک‌ها در سیستم برق وجود داشته باشند، رزونانس سیستم برق می‌تواند رخ دهد که مشکلات هارمونیکی را بدتر کرده و حتی به خازن‌ها آسیب می‌رساند. لازم به ذکر است که بانک‌های خازنی نباید در محیط‌های دارای هارمونیک نصب شوند، مگر اینکه بزرگی و فرکانس‌های هارمونیک‌ها تعیین شده باشند و بانک خازنی به درستی تنظیم شده باشد (برای فیلتر کردن هارمونیک‌های خاص) یا تنظیم آن به درستی انجام شده باشد (برای مسدود کردن هارمونیک‌ها).

در این مورد، تجزیه و تحلیل سیستم الکتریکی اعوجاج هارمونیکی را نشان نداد، که معمولاً با بارهای الکترونیک قدرت مانند درایوهای سرعت متغیر (VSD)، کامپیوترها و روشنایی با راندمان بالا مرتبط است. بنابراین، نیازی به نصب فیلتر هارمونیک یا بانک خازنی تنظیم نشده نبود زیرا میزان هارمونیک‌ها در سیستم بسیار کم بود و مشخص شد که مشکلی ایجاد نمی‌کند. این امر با شکل موج‌های ولتاژ و جریان (که تقریباً سینوسی هستند) اندازه‌گیری شده در ثانویه ترانسفورماتور، همانطور که در زیر نشان داده شده است، مشهود است.

شکل موج‌های برق شهری

با توجه به افزایش تجهیزات تولید هارمونیک مانند درایوهای سرعت متغیر (VSD)، کامپیوترها و روشنایی با راندمان بالا، تمایل به افزودن خازن‌های بیشتر وجود دارد و باید رویکردی بسیار دقیق اتخاذ شود. خازن‌ها هرگز نباید بدون تجزیه و تحلیل سطح هارمونیک و فرکانس رزونانس سیستم قدرت نصب شوند. در صورت وجود هارمونیک، خازن‌ها باید همراه با راکتورهای تنظیم، یا به عنوان یک فیلتر هارمونیک یا به عنوان یک بانک خازنی تنظیم نشده، نصب شوند.

پس از بررسی تجزیه و تحلیل و توصیه‌ها، بخش فنی والمارت اولویت را به فروشگاه‌های مختلف اختصاص داد و سفارش را به Cinematica و Arteche اعطا کرد.

محدوده کلی پروژه شامل موارد زیر بود:
➔ تجهیزات
➔ نصب
➔ راه‌اندازی
➔ بررسی پس از ۷۲ ساعت کارکرد
➔ تضمین خدمات ۴۸ ساعته در سراسر کشور
➔ ۳ سال گارانتی محصول

نتیجه‌گیری:

سرمایه‌گذاری در خازن‌های مناسب مزایای زیر را برای والمارت به همراه داشت:
➔ جلوگیری از جریمه‌های ضریب توان پایین
➔ بهره‌مندی از تخفیف‌های اقتصادی (ضریب توان بالا)
➔ بهبود تنظیم ولتاژ
➔ نزدیک‌تر شدن ولتاژ به مقدار مطلوب
➔ کاهش تلفات توان به دلیل جریان کمتر در تجهیزات. (خازن‌های با قرارگیری مناسب می‌توانند تلفات توان را تا ۴٪ کاهش دهند).

➔ عمر طولانی‌تر تجهیزات الکتریکی (از طریق کاهش دما). هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دمای تجهیزات الکتریکی، عمر مفید آنها را 50٪ کاهش می‌دهد.

پس از راه‌اندازی سیستم خازن بهبود ضریب توان، ضریب توان سیستم به 0.99 پس‌افتادگی رسید که نه تنها هزینه ضریب توان را حذف کرد، بلکه 7752.00 دلار مکزیکی نیز تخفیف دریافت کرد. سود خالص 17471.00 دلار مکزیکی بود.

جریان کل از 930Arms به حدود 780Arms کاهش یافت که منجر به کاهش 30٪ تلفات I2R شد. علاوه بر این، تجهیزات الکتریکی که اکنون با جریان کاهش یافته کار می‌کنند، طول عمر بیشتری را تجربه خواهند کرد.

صرفه‌جویی در هزینه‌های انرژی حاصل از نصب این بانک خازنی تضمین کرد که کل هزینه‌های تجهیزات و نصب در کمتر از 5 ماه بازپرداخت خواهد شد.

آرتچ بیش از 180 سیستم بانک خازنی اتوماتیک و ثابت را در مجموع بیش از 120 فروشگاه والمارت عرضه کرده است. این نشان دهنده نصب بیش از ۲۶ مگاوار سیستم جبران سازی راکتیو ولتاژ پایین (۲۴۰ ولت و ۴۸۰ ولت) تنها در فروشگاه‌های والمارت است.

در مارس ۲۰۰۵، والمارت با اعطای سفارش جدید به ۳۲ فروشگاه دیگر که برای بهبود ضریب توان و کیفیت توان الکتریکی خود به ۶.۸ مگاوار نیاز داشتند، به مهندسی و قابلیت‌های کیفی آرتچ اعتماد خود را به این شرکت نشان داد.

تعداد کل فروشگاه‌های والمارت در مکزیک ۳۶۵ فروشگاه است. نصب‌های آرتچ در والمارت اکنون حدود ۳۳ مگاوار در ۲۲۱ بانک خازنی واقع در ۱۵۳ فروشگاه است که بیش از ۴۰٪ از کل نصب‌ها در مکزیک را تشکیل می‌دهد. از طریق تجربه منحصر به فرد و قابلیت‌های مهندسی و تولید شرکت آرتچ، فروشگاه‌های والمارت کیفیت برق خود را بهبود بخشیده و مصرف برق خود را سالانه ۱۵.۴ میلیون کیلووات ساعت کاهش داده‌اند۱، انرژی کافی برای تأمین برق ۴۷۹۰ خانه برای یک سال کامل.