فنی مهندسی

كاربرد درايوهاي دور متغير جهت صرفه جوئي مصرف انرژي در صنايع نفت ، گاز و پتروشيمي

26 خرداد 1398

در اين مقاله به معرفي درايو هاي خانواده ACS 1000 كه از توليدات شركت ABB‌ ميباشد مي پردازيم و با توجه به كاربرد تجهيز فوق در صنايع نفت ، گاز و پتروشيمي خصوصيات منحصر به فرد و ايده آل آنرا مورد بحث و بررسي قرار مي دهيم. تكنولوژي جديد درايوهاي ACS 1000 در صرفه جوئي انرژي كاربري زيادي داشته و ميتوان به راحتي نرم افزار ، تنظيمات ضروري سيستم ، كنترل پانل، مزايا و كاربردهاي آنرا مورد ارزيابي و بررسي قرار داد.

نویسنده: رضا حاجيها ،كارشناس ارشد برق دانشگاه صنعتي شريف

1- درايو استاندارد

درايو استاندارد با وجود امكانات نرم افزاري و سخت افزاري بالا به راحتي قابل نصب و راه اندازي بوده و با توجه به كاربرد زياد در صنايع نفت ، گاز و پتروشيمي بسيار حائز اهميت مي باشد. بنابراين به راحتي قابل خريداري بوده و نيازي به صرف زمان زياد براي تهيه آن نمي باشد.

2- ويژگيهاي منحصر به فرد

1 – زمان تحويل كوتاه

2 – نصب آسان

3- استفاده بي دردسر( با دوام)

4 – قابليت سفارش

3- قسمتهاي اصلي تشكيل دهنده كنترل كننده دور موتور ACS 1000

شكل (1) – قسمتهاي تشكيل دهنده دور موتور ACS 1000

در اين بخش به توضيحات بيشتري در خصوص تجهيزات داخلي و جانبي كنترل كننده دور موتورACS 1000
مي پردازيم:

الف)پل يكسو كننده ورودي:

پل يكسو كننده ورودي كه از دو پل استاندارد تشكيل شده است، ولتاژ و جريان يكسو شده را براي مدار DC تأمين
مي كند.

3-1- مدار محافظ يكسو كننده:

يك مدار RC از ديودهاي مدار يكسو كننده در برابر ولتاژهاي بالا مي باشد كه در مواقعي كه IGCT محافظ خاموش است، از مدار محافظت مي نمايد. همچنين يك تريستور به همراه يك مقاومت از مدار ضربه گير در مواقع اتصال كوتاه از مدار DC محافظت مي نمايد.

ب) مدارDC

3-2-كليد جدا كننده زمين:

يك كليد اطمينان زمين مي باشد و ايمني كاركنان را در هنگام تعميرات، كنترل و تضمين مي نمايد. اين كليد ايمني، باسهاي مثبت ، خنثي و منفي را به زمين متصل مي سازد. اين كار موجب تخليه انرژي ذخيره شده در خازنهاي مدار DC قبل از دسترسي به مدارات قدرت خواهد شد. دربهاي مربوط به بخش قدرت تابلو با اين كليد اينترلاك داشته و قبل از اتصال اين كليد به زمين، دربهاي مذكور باز نخواهد شد.

3-2- 1- مدار محافظ:

مابين دو پل يكسو كننده و خازنهاي مدار DC ، دو عدد IGCT محافظ قرار دارد. در هنگام بروز مشكل در مدار وارونگر (Inverter) اين IGCT ها سريعاً مدار يكسو كننده را از خازنهاي DC‌جدا ساخته و مانع رسيدن انرژي به درايو اصلي مي شوند.

3-2-2- مراحل شارژ و دشارژ خازنها:

در ابتدا IGCT هاي محافظ باز بوده و خازنهاي مدار DC از طريق مقاومتهاي شارژ كننده، شروع به شارژ شدن
مي كنند. پس از يك بازه زماني مشخص، نرم افزار كنترلي، ولتاژ مدار DC را چك مي كند. چنانچه ولتاژ مدار به 85 درصد مقدار نامي خود رسيده باشد، مدار آتش IGCT‌ هاي محافظ تحريك شده و درايو آماده راه اندازي مي گردد. در غير اين صورت يك خطاي شارژ رخ خواهد داد. پس از بسته شدن IGCT هاي محافظ، اتصال اصلي ميان پلهاي يكسو كننده ورودي و مدار DC برقرار خواهد شد.

3-2-3- خازنهاي صافي مدار DC :

خازنهاي صافي مدار DC، خروجي پلهاي يكسو كننده را فيلتر كرده و يك منبع ولتاژ با امپدانس پايين را تشكيل
مي دهند. جهت برقراري تعادل ميان اين خازنها ، يك مقاومت به صورت موازي با اين خازنها قرار داده شده است. نقش ديگر اين مقاومتها ، دشارژ نمودن خازنها در هنگام قطع واحد و باز بودن كليد MCB مي باشد.

3-2-4- مدار محدود كننده di/dt :

دو عدد چوك براي محدود كردن زمان افزايش جريان در دو سر بالا و پايين مدار DC قرار داده شده است. و بعنوان مدار محدود كننده استفاده ميشود.

3-2- 5- كاربرد فيلتر du/dt در خروجي درايو

فيلتر du/dt يك روش مناسب و ايده آل جهت حذف Surge مي باشد و درايو ACS 1000‌ داراي فيلتر du/dt از پيش نصب شده بوده و هر كدام از خانواده هاي درايوها مي توانند داراي فيلتر جداگانه ايي با توجه به طبقه بندي مورد نظر از طرف شركت سازنده قرار گيرند. بطوريكه در درايوهاي ACS 1000 مربوط به سازنده شركت ABB اين مورد داراي طبقه بندي هاي مختلفي مي باشد كه در اضافه نمودن فيلتر du/dt در نظر گرفته ميشود.

3-3- مدار وارونگر Inverter

3-3-1- IGCT هاي وارونگر:

هر كدام از بخشهاي مدار وارونگر سه فاز، شامل تركيبي از 4 عدد IGCT و 2 عدد ديود خنثي مي باشد. ساختار مدار وارونگر سه وضعيتي به همراه كليدهاي IGCT و كنترل DTC در واقع بخش اصلي كنترل كننده دور موتور را تشكيل مي دهند. (در خصوص كنترل DTC اشاره ايي خواهيم داشت).

مقاومتهاي متعادل كننده و ديودهاي خنثي ، ولتاژ DC را به صورت مساوي بين دو IGCT تقسيم نموده و از اجزاء مدار هنگاميكه IGCT هاي ديگر خاموش هستند، محافظت مي كنند.

3-3-2- ترانس جريان :

از پنج عدد ترانس جريان به منظور اندازه گيري جريانهاي مدار وارونگر استفاد مي شود. دو ترانس براي اندازه گيري جريانهاي خروجي مدار وارونگر، ‌دو ترانس براي اندازه گيري جريان مدارات فيلتر كننده و يك ترانس براي اندازه گيري جريان مدار زمين استفاده مي شود.

3-3-3- فيلتر سينوسي خروجي:

وظيفه اين صافي، فيلتر نمودن خروجي مدار وارونگر مي باشد. با استفاده از اين فيلتر، ولتاژ و جرياني كه به موتور اعمال مي شوند، به شكل تقريباً سينوسي خواهند بود.

3-3-4- فن خشك كننده:

از يك عدد سنسور اندازه گير اختلاف فشار به منظور اطمينان از صحت عملكرد فن استفاده مي شود.

4- سيستم كنترل

تابلو كنترل دستگاه داراي بخشها و كارتهاي عمده به شرح ذيل مي باشد:

برد كنترل كننده اصلي ، در واقع قلب سيستم كنترل درايو بوده و تمامي اطلاعات، محاسبات، محافظتها و ….. را مديريت مي نمايد.
كارت واسط: از اين كارت جهت كنترل IGCTها استفاده مي شود.
آشكار ساز ولتاژ اتصال كوتاه: اين برد يك مدار تماماً آنالوگ مي باشد كه با نظارت بر ولتاژ چوكها ، وقوع اتصال كوتاه را آشكار مي نمايد.
مدار محافظ اضافه ولتاژ: اين محافظت با اندازه گيري ولتاژ مدار DC با استفاده از مقاومتهاي ولتاژ بالا و آپ امپهاي تفاضلي حاصل مي شود.
كارت واسط اندازه گيري ولتاژ و جريان: از اين كارت به منظور مقياس سازي و اندازه گيري ولتاژها و جريانهاي مختلف استفاده مي شود.
كارتهاي ورودي و خروجي : از اين كارت جهت اتصال سيگنالهاي ورودي و خروجي سيستم كنترل (آنالوگ و ديجيتال) استفاده مي شود.

شكل(2)- قطعات و بردهاي كنترلي مربوط به سيستم كنترل موتور دور متغير

قابل ذكر است كه به منظور انجام ايزولاسيون هرچه بهتر تمامي ارتباطات بردهاي كنترلي با يكديگر با استفاده از فيبر نوري انجام مي پذيرد.

5- تكنولوژي فوق العاده DTC

نكته برجسته درايو ACS 1000 تكنولوژي DTC آن است كه يكي از جديدترين و پيشرفته ترين روشهاي كنترل دور موتورهاي الكتريكي است مشخصات فني و بي نظير ACS 1000 اين تضمين را مي دهد كه در كنترل پروسه خود محدوديتي از جانب درايو نداشته باشيد.

تكنولوژي DTC در كاربردها و صنايع مختلفي استفاده و تائيد شده است.

6- طراحي جامع در كمترين فضا

تمامي تجهيزاتي كه در كاربردهاي درايو مورد نياز است داخل جعبه درايو جاسازي مي شوند و بنابراين نيازي به تجهيزات و فضاي اضافي و كابل كشي از درايو به آنها نيست.

بخشي از اين تجهيزات مانند فيلترهاي حذف هارمونيك و EMC هستند كه داخل درايو قرار داده شده اند. علاوه بر اين داخل درايو براي 3 ماژول اضافي نيز فضا تعبيه شده است تا در صورت نياز به كارهايي مانند اضافه كردن I/O شبكه هاي فيلدباس, فيلدبك انكدر و يا ارتباط با PC مورد استفاده قرار گيرد.

از ويژگيهاي ايده آل اين درايو مي توان به موارد ذيل اشاره نمود:

طراحي مناسب براي نصب در تابلوها.
دسترسي آسان به ترمينال هاي برق.
امكان افزايش ورودي/ خروجي هاي اضافي و ترمينال.

با توجه به وجود و امكان استفاده از ماكروها, نرم افزارهاي كاربردي از پيش برنامه ريزي شده اي تهيه شده است كه داخل درايو ACS 1000 قرار داده شده و به منظور تنظيم پارامترها و پردازش ورودي و خروجي هاي مورد نياز براي كاربردهاي خاص به كار مي روند.

7- نرم افزار مخصوص درايو سايز SIZE ) DRIVE)

DRIVE SIZE يك نرم افزار براي انتخاب صحيح موتور و درايو مي باشد. با داشتن اين نرم افزار مهندسين مي توانند با وارد كردن اطلاعات اوليه درباره موتور و درايو، محصول مناسب مورد نيازشان را انتخاب نمايند.

لذا با توجه به نرم افزار تخصصي، سازنده مورد نظر به راحتي قابل استفاده ميباشد، همچنين DRIVE SIZE مي تواند در انتخاب اجزاي زير به ما كمك كند:

3phase Standard, Customized, Ex & user Defined Motor
ABB Low Voltage AC Drives ACS 1000

8- استفاده از درايوها و محصولات مربوط به تكنولوژي ABB

استفاده از محصولات با تكنولوژي بالاي ABB , كاهش هزينه هاي انرژي و به تبع آن رضايت بازار جهاني را به دنبال داشته است. درايوهاي AC ، انرژي تلف شده را با تغييرات سرعت موتور كاهش داده و سبب صرفه جويي در مصرف انرژي مي شوند. زيرا موتور به اندازه نياز, انرژي الكتريكي مصرف مي كند.

به عنوان مثال تكنولوژي هايي نظير كنترل مستقيم گشتاور (DTC) در مواردي بيشتر از 30% در مصرف انرژي صرفه جوئي كرده اند.

9- چگونه مي توان در مصرف انرژي صرفه جوئي كرد؟

با بررسيهاي انجام شده 65% از انرژي الكتريكي در موتورهاي الكتريكي مصرف مي شود و تمام دولت هاي جهان، صنايع را به استفاده از درايوهاي دور متغير تشويق مي نمايند همچنين طرحهائي را كه باعث بهره وري انرژي مي شوند ارزيابي و طراحي نموده و چگونگي افزايش بهره وري در موتورهاي الكتريكي را مورد بحث و بررسي قرار مي دهند.

لذا به عنوان مثال چنانچه بتوانيم با كنترل سرعت فن به جاي استفاده از دمپر فقط 10% از سرعت آن را كاهش دهيم, ميزان صرفه جوئي انرژي را مي توانيم با توجه به منحني و محاسبات ذيل اينگونه محاسبه نمائيم. (با اشاره به اين نكته كه رابطه بين گشتاور و سرعت زاويه اي بستگي به نوع بار دارد).

بنابراين با كاهش 10% از سرعت مي توانيم به مقدار 1/27 % در مقدار انرژي صرفه جوئي نمائيم.

علاوه بر اين در مواردي مانند سانتريفوژ, جرثقيل و ……. با برگرداندن انرژي از حالت ژنراتوري موتور به شبكه ،
مي توان صرفه جويي هاي قابل ملاحظه ايي را مد نظر قرار داد.

همچنين يكي از طرحهاي بسيار مفيد و ايده آل جهت استفاده بهينه از انرژي، طرح يارانه سود تسهيلات ميباشد كه در اين زمينه اشاره مختصري خواهيم داشت.

10- طرح يارانه سود تسهيلات :

راههاي زيادي وجود دارد كه درايو خود را خريداري نمائيم. يكي از اين راهها استفاده از تسهيلات بانكي است. سازمان
بهره وري انرژي (سابا) در راستاي تشويق صنايع و موسسات به امر بهينه سازي مصرف انرژي و ايجاد انگيزه مالي حاضر به پرداخت سود تسهيلاتي است كه براي طرح هاي بهينه سازي مصرف انرژي ( با حداقل 22% صرفه جوئي انرژي ) گرفته شده اند. اصل وام نيز از راه صرفه جوئي انجام شده و كاهش هزينه هاي انرژي در دوره هاي كوتاه مدت قابل پرداخت است. در حقيقت سرمايه گذاري در بهره وري انرژي بعد از مدت باز پرداخت باعث سودآوري از طريق صرفه جوئي انرژي مي شود.

11- نتيجه گيري :

بنابر آنچه گفته شد كاربرد درايوهاي دور متغير در پروژه هايي كه به لحاظ استفاده از موتورهاي صنايع مختلف عملكردهاي متفاوتي دارند داراي قابليت اطمينان بالا و بسيار حائز اهميت بوده و با توجه به موارد مشروحه و ويژگيهاي منحصر به فرد اين دسته از درايوها در صنايع نفت، گاز ، پتروشيمي و ديگر صنايع مختلف مانند: صنايع دريائي، سيمان، نساجي، مواد غذائي، سيستمهاي خنك كننده و …………. مي توان بهره وري مناسبي به لحاظ توجيه اقتصادي و همچنين صرفه جوئي در مصرف انرژي با استفاده از درايوهاي دور متغير داشت كه در صنعت نفت بسيار مقرون به صرفه مي باشد.

12- مراجع :

سمينار تخصصي مربوط به موتورهاي دور متغير(Operation & Maintenance) ACS 1000 – شركت ABB .