راه‌اندازی موتورها الکتریکی پرقدرت با گشتاور بار بالا

خلاصه

این مقاله به بررسی دغدغه‌های مربوط به راه‌اندازی موتورها AC با گشتاور بار بالا می‌پردازد و نتایج اندازه‌گیری‌های جریانی، ولتاژی و انرژی را در حین راه‌اندازی سه نوع موتور زیر ارائه می‌دهد: موتور القایی همزمان با استارت مقاومتی، موتور القایی همزمان با استارت جریان گردابی، و موتور سنکرون مغناطیس دائم (LSPMSM). نتایج اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که امکان راه‌اندازی مستقیم موتور سنکرون با آهن‌رباهای دائم وجود دارد و این امکان به حذف سیستم‌های راه‌اندازی خارجی منجر می‌شود.

مقدمه

سنگ معدن مس استخراج‌شده از معادن حاوی حدود ۰.۹۶ تا ۲.5درصد مس است. پس از انجام فرایندهای پیچیده و انرژی‌بر مانند غربالگری، خرد کردن، آسیاب کردن، شناورسازی، فشرده‌سازی و خشک کردن، کنسانتره‌ای با حجمی معادل 25درصد مس به‌دست می‌آید. این کنسانتره سپس به کارخانه ذوب منتقل می‌شود، جایی که مراحل ذوب، تبدیل و تصفیه انجام خواهد شد. در نهایت، محصولات نهایی شامل کاتدهایی با محتوای ۹۹.99درصد مس خواهد بود. علاوه بر این، عناصر فلزی دیگری مانند طلا، نقره و مولیبدن نیز از ذخایر معدنی به‌دست می‌آید.

در فرایندهای تکنولوژیکی غنی‌سازی سنگ معدن مس، سالانه تقریباً ۶۶۰ گیگاوات ساعت انرژی الکتریکی مصرف می‌شود و از این مقدار، حدود 95درصد توسط سیستم‌های درایو الکتریکی تامین می‌گردد. به همین دلیل، هزینه‌های برق تقریباً 30درصد از کل هزینه‌های تولید را شامل می‌شود.

بنابراین، اهمیت جستجوی راه‌حل‌های تکنیکی نوآورانه که به‌منظور صرفه‌جویی در انرژی الکتریکی طراحی شده‌اند، به‌ویژه در سیستم‌های درایو الکتریکی پرقدرت که به صورت مداوم کار می‌کنند، بسیار بارز است. در این راستا، هرگونه بهبود جزئی در کارآیی می‌تواند به کاهش قابل‌توجهی در هزینه‌های عملیاتی منجر شود. سیستم‌های آسیاب‌کردن سنگ معدن یکی از اجزای حائز اهمیت در این دسته‌بندی هستند که بیش از نیمی از کل انرژی مصرفی تأسیسات پردازش را به خود اختصاص می‌دهند.

سیستم‌های درایو آسیاب‌ها به‌واسطه اینرسی بالایی که دارند و راه‌اندازی دشوارشان (به دلیل گشتاور مقاومتی بالا)، به‌ویژه زمانی که با خرده‌سنگ پر شده‌اند، شناخته می‌شوند. موتورهای نوع SAS (موتور القایی همزمان، به زبان لهستانی: Silnik Asynchroniczny Synchronizowany، با سیم‌پیچ‌های روتور و حلقه‌های لغزشی) در این نوع درایوها مورد استفاده قرار می‌گیرند. حین راه‌اندازی، بهترین ویژگی‌های موتور القایی رینگی به کار گرفته می‌شود. در راستای بهبود پارامترهای عملکردی مانند ضریب توان و کارآیی، پس از مرحله راه‌اندازی، سیم‌پیچ روتور با جریان ثابت تأمین می‌شود و پس از همگام‌سازی، موتور به‌عنوان یک موتور سنکرون عمل می‌کند.

نویسندگان در نظر دارند که یک موتور AC جدید طراحی کنند که با الزامات سخت‌گیرانه راه‌اندازی مطابقت داشته باشد و سیستم راه‌اندازی ساده‌تری ارائه دهد – ترجیحاً از طریق راه‌اندازی مستقیم با استفاده از اتصال مستقیم به منبع تغذیه. به این ترتیب، یک موتور سنکرون نوع SMH با آهن‌رباهای دائم و روتور دو سوسک پیشنهاد شده است. این موتور با اتصال سیم‌پیچ استاتور به‌طور مستقیم به ولتاژ تأمین راه‌اندازی می‌شود و سیم‌پیچ دو قطبی، گشتاور راه‌اندازی زیر سنکرون را تولید می‌کند و میدان مغناطیسی آهن‌رباهای دائم موتور را همگام‌سازی می‌نماید.

این مقاله راه‌اندازی سیستم‌هایی را مقایسه می‌کند که در آن‌ها آسیاب‌ها توسط موتورها با توان نامی ۶۳۰ کیلووات به حرکت درمی‌آیند:

• موتور نوع SAS با استارت مقاومتی،
• موتور نوع SAS با استارت الکترومغناطیسی (جریان گردابی)،
• موتور سنکرون متصل به آهن‌رباهای دائم نوع SMH.

راه‌اندازی موتور نوع SAS

مشخصات موتور نوع SAS در جدول ۱ خلاصه شده و نمای آن در شکل ۱ ارائه شده است.

الف. راه‌اندازی موتور نوع SAS با استارت مقاومتی

شکل‌های ۲، ۳ و ۴ به‌ترتیب نمایانگر شکل موج‌های جریان راه‌اندازی استاتور، ولتاژ تأمین (که افت ولتاژ در شبکه را نشان می‌دهد) و انرژی (فعال، راکتیو و ظاهری) مصرفی توسط موتور نوع SAS با استارت مقاومتی چهار مرحله‌ای می‌باشند.

شکل ۱. نمای موتور القایی نوع SAS

شکل ۲. شکل موج‌های زمانی مقادیر مؤثر جریان‌های فاز استاتور در حین راه‌اندازی موتور نوع SAS با استارت مقاومتی چهار مرحله‌ای

شکل ۳. شکل موج‌های زمانی مقادیر مؤثر ولتاژهای فاز به فاز در حین راه‌اندازی موتور نوع SAS با استارت مقاومتی

شکل ۴. شکل موج‌های زمانی مقادیر انرژی فعال، راکتیو و ظاهری در حین راه‌اندازی موتور نوع SAS با استارت مقاومتی

ب. راه‌اندازی موتور نوع SAS با استارت جریان گردابی

جدول ۲ خلاصه‌ای از مشخصات اصلی استارت جریان گردابی Wirleg-۶۳۰ را ارائه می‌دهد.

شروع به کار موتورهای سنکرون با آهنرباهای دائمی

مشخصات پایه موتور سنکرون با آهنرباهای دائمی در جدول ۳ ارائه شده و نمای آن در شکل ۸ به تصویر کشیده شده است.

این موتور به گونه‌ای طراحی شده که به‌طور مستقیم به ولتاژ شبکه متصل شده و شروع به کار کند.

نمودارهای جریان استاتور، ولتاژ تأمین (نشان‌دهنده افت ولتاژ در شبکه) و همچنین قدرت‌های مصرفی (فعال، راکتیو و ظاهری) موتور نوع SMH با آهنرباهای دائمی در اشکال ۸ تا ۱۱ به ترتیب نشان داده شده است.

شکل ۸: نمای موتور سنکرون با آهنرباهای دائمی نوع SMH

شکل ۹: نمودارهای زمانی مقادیر مؤثر جریان‌های فاز استاتور در حین شروع به کار مستقیم موتور با آهنرباهای دائمی

شکل 9a: نمودارهای زمانی مقادیر جریان‌های لحظه‌ای فاز استاتور در حین شروع به کار مستقیم موتور با آهنرباهای دائمی

شکل ۱۰: نمودارهای زمانی مقادیر مؤثر ولتاژهای فاز به فاز در حین شروع به کار مستقیم موتور با آهنرباهای دائمی

شکل ۱۱: نمودارهای زمانی مقدار قدرت فعال در حین شروع به کار مستقیم موتور با آهنرباهای دائمی

نتایج

جدول ۴، مهم‌ترین واحدهای الکتریکی مربوط به سه فرآیند شروع به کار را بر اساس بیشترین مقدار جریان استاتور نشان می‌دهد.

براساس اندازه‌گیری‌ها و تحلیل نتایج به‌دست آمده مرتبط با عملکرد موتورهایی که آسیاب‌ها را به حرکت در می‌آورند، می‌توان گفت که امکان جایگزینی موتورهای سنکرون با آهنرباهای دائمی به جای موتورهای SAS وجود دارد. این انتخاب مزایای زیر را به همراه دارد:

• بهبود کارایی، به خصوص در دامنه وسیعی از تغییرات بار ثابت،
• جبران انرژی راکتیو و ثابت نگه‌داشتن فاکتور قدرت،
• حذف نیاز به سیستم شروع به کار،
• غیرضروری شدن سیستم تحریک،
• استفاده از سازه‌ای با سطح ایمنی IP ۵۴ که موجب کاهش نرخ خرابی ناشی از آسیب‌های محیطی می‌شود،
• کاهش هزینه‌های عملیاتی به دلیل حذف سیستم تحریک، برس‌ها، حلقه‌های لغزشی و فرآیند خشک کردن پیچش‌ها،
• حداقل‌سازی نیاز به نگهداری موتور،
• سادگی در طراحی سیستم‌های قدرت محرکه و کنترل.

مراجع

1. Knypinski L., Jedryczka C., Demenko A., Influence of The Shape of Squirrel-Cage Bars on The Dimensions of Permanent Magnets in an Optimized Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor, XVII International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (ISEF 2015), Valencia, Spain, 10-12 September 2015
2. Pacholski E., Iskierski L., Analysis of the impact of the start-up method of propulsion motors on the parameters of the power network. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, No.2/2013
3. Widak K., Analysis of the working synchronous motors that drive Mills, Diploma Project, 2017
4. Ustun O.; Bayram Kara D., Evaluation of Spoke Type IPM Synchronous Motors for IE4 Efficiency Class, XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2018
5. Zawilak J., Zawilak T., Energy-saving, high-power synchronous motors excited with permanent magnets, Przeglad Elektrotechniczny, R. 91, No 10, 2015
6. Tian M., Wang X., Li G., Line-start permanent magnet synchronous motor starting capability improvement using pole-changing method, IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2016
7. Zawilak T., Zawilak J., Patent. Polska, nr 218489. “Rotor of a synchronous motor with permanent magnets“: H02K 1/27. Patent application. No. P 394666 dated 26/04/2011 / Wroclaw University of Science and Technology, 2011
8. Zawilak T., Utilizing the deep bar effect in direct on line start of permanent magnet machines, Przegląd Elektrotechniczny, R. 89, No. 2b, pp. 177-179, 2013
9. Dinh B. M., Tien H. M., Maximum efficiency design of line start permanent magnet synchronous motor, IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2016
10. Knypinski L., Application of Bat Algorithm in the optimal design of line-start permanent magnet synchronous motor, 18th International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (ISEF) Book of Abstracts, 2017

منبع: powerquality.blog