کاربرد درایوهای دور متغیر جهت صرفه جوئی مصرف انرژی در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی

در این مقاله به معرفی درایو های خانواده ACS 1000 که از تولیدات شرکت ABB‌ میباشد می پردازیم و با توجه به کاربرد تجهیز فوق در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی خصوصیات منحصر به فرد و ایده آل آنرا مورد بحث و بررسی قرار می دهیم. تکنولوژی جدید درایوهای ACS 1000 در صرفه جوئی انرژی کاربری زیادی داشته و میتوان به راحتی  نرم افزار ، تنظیمات ضروری سیستم ، کنترل پانل، مزایا و کاربردهای آنرا مورد ارزیابی و بررسی قرار داد.

• نویسنده: رضا حاجیها ،کارشناس ارشد برق دانشگاه صنعتی شریف

1- درایو استاندارد

درایو استاندارد با وجود امکانات نرم افزاری و سخت افزاری بالا به راحتی قابل نصب و راه اندازی بوده و با توجه به کاربرد زیاد در صنایع نفت ، گاز و پتروشیمی بسیار حائز اهمیت می باشد. بنابراین به راحتی قابل خریداری بوده و نیازی به صرف زمان زیاد برای تهیه آن نمی باشد.

2- ویژگیهای منحصر به فرد

1 – زمان تحویل کوتاه

2 – نصب آسان

3- استفاده بی دردسر( با دوام)

4 – قابلیت سفارش

3- قسمتهای اصلی تشکیل دهنده کنترل کننده دور موتور ACS 1000

شکل (1) – قسمتهای تشکیل دهنده دور موتور ACS 1000

در این بخش به توضیحات بیشتری در خصوص تجهیزات داخلی و جانبی کنترل کننده دور موتورACS 1000
می پردازیم:

الف)پل یکسو کننده ورودی:

پل یکسو کننده ورودی که از دو پل استاندارد تشکیل شده است، ولتاژ و جریان یکسو شده را برای مدار DC تأمین
می کند.

3-1- مدار محافظ یکسو کننده:

یک مدار RC از دیودهای مدار یکسو کننده در برابر ولتاژهای بالا می باشد که در مواقعی که IGCT محافظ خاموش است، از مدار محافظت می نماید. همچنین یک تریستور به همراه یک مقاومت از مدار ضربه گیر در مواقع اتصال کوتاه از مدار DC محافظت می نماید.

ب) مدارDC

3-2-کلید جدا کننده زمین:

یک کلید اطمینان زمین می باشد و ایمنی کارکنان را در هنگام تعمیرات، کنترل و تضمین می نماید. این کلید ایمنی، باسهای مثبت ، خنثی و منفی را به زمین متصل می سازد. این کار موجب تخلیه انرژی ذخیره شده در خازنهای مدار DC قبل از دسترسی به مدارات قدرت خواهد شد. دربهای مربوط به بخش قدرت تابلو با این کلید اینترلاک داشته و قبل از اتصال این کلید به زمین، دربهای مذکور باز نخواهد شد.

3-2- 1- مدار محافظ:

مابین دو پل یکسو کننده و خازنهای مدار DC ، دو عدد IGCT محافظ قرار دارد. در هنگام بروز مشکل در مدار وارونگر (Inverter) این IGCT ها سریعاً مدار یکسو کننده را از خازنهای  DC‌جدا ساخته و مانع رسیدن انرژی به درایو اصلی می شوند.

3-2-2- مراحل شارژ و دشارژ خازنها:

در ابتدا IGCT های محافظ باز بوده و خازنهای مدار DC از طریق مقاومتهای شارژ کننده، شروع به شارژ شدن
می کنند. پس از یک بازه زمانی مشخص، نرم افزار کنترلی، ولتاژ مدار DC را چک می کند. چنانچه ولتاژ مدار به 85 درصد مقدار نامی خود رسیده باشد، مدار آتش IGCT‌ های محافظ تحریک شده و درایو آماده راه اندازی می گردد. در غیر این صورت یک خطای شارژ رخ خواهد داد. پس از بسته شدن IGCT های محافظ، اتصال اصلی میان پلهای یکسو کننده ورودی و مدار DC برقرار خواهد شد.

3-2-3- خازنهای صافی مدار DC :

خازنهای صافی مدار DC، خروجی پلهای یکسو کننده را فیلتر کرده و یک منبع ولتاژ با امپدانس پایین را تشکیل
می دهند. جهت برقراری تعادل میان این خازنها ، یک مقاومت به صورت موازی با این خازنها قرار داده شده است. نقش دیگر این مقاومتها ، دشارژ نمودن خازنها در هنگام قطع واحد و باز بودن کلید MCB می باشد.

3-2-4- مدار محدود کننده di/dt :

دو عدد چوک برای محدود کردن زمان افزایش جریان در دو سر بالا و پایین مدار DC قرار داده شده است. و بعنوان مدار محدود کننده استفاده میشود.

3-2- 5- کاربرد فیلتر du/dt در خروجی درایو

فیلتر du/dt یک روش مناسب و ایده آل جهت حذف Surge می باشد و درایو ACS 1000‌ دارای فیلتر du/dt از پیش نصب شده بوده و هر کدام از خانواده های درایوها می توانند دارای فیلتر جداگانه ایی با توجه به طبقه بندی مورد نظر از طرف شرکت سازنده قرار گیرند. بطوریکه در درایوهای ACS 1000 مربوط به سازنده شرکت ABB این مورد دارای طبقه بندی های مختلفی می باشد که در اضافه نمودن فیلتر du/dt در نظر گرفته میشود.

3-3-  مدار وارونگر Inverter

3-3-1- IGCT های وارونگر:

هر کدام از بخشهای مدار وارونگر سه فاز، شامل ترکیبی از 4 عدد IGCT و 2 عدد دیود خنثی می باشد. ساختار مدار وارونگر سه وضعیتی به همراه کلیدهای IGCT و کنترل DTC در واقع بخش اصلی کنترل کننده دور موتور را تشکیل می دهند. (در خصوص کنترل DTC اشاره ایی خواهیم داشت).

مقاومتهای متعادل کننده و دیودهای خنثی ، ولتاژ DC را به صورت مساوی بین دو IGCT تقسیم نموده و از اجزاء مدار هنگامیکه IGCT های دیگر خاموش هستند، محافظت می کنند.

3-3-2- ترانس جریان :

از پنج عدد ترانس جریان به منظور اندازه گیری جریانهای مدار وارونگر استفاد می شود. دو ترانس برای اندازه گیری جریانهای خروجی مدار وارونگر، ‌دو ترانس برای اندازه گیری جریان مدارات فیلتر کننده و یک ترانس برای اندازه گیری جریان مدار زمین استفاده می شود.

3-3-3- فیلتر سینوسی خروجی:

وظیفه این صافی، فیلتر نمودن خروجی مدار وارونگر می باشد. با استفاده از این فیلتر، ولتاژ و جریانی که به موتور اعمال می شوند، به شکل تقریباً سینوسی خواهند بود.

3-3-4- فن خشک کننده:

از یک عدد سنسور اندازه گیر اختلاف فشار به منظور اطمینان از صحت عملکرد فن استفاده می شود.

4- سیستم کنترل

تابلو کنترل دستگاه دارای بخشها و کارتهای عمده به شرح ذیل می باشد:

• برد کنترل کننده اصلی ، در واقع قلب سیستم کنترل درایو بوده و تمامی اطلاعات، محاسبات، محافظتها و ….. را مدیریت می نماید.
• کارت واسط: از این کارت جهت کنترل IGCTها استفاده می شود.
• آشکار ساز ولتاژ اتصال کوتاه: این برد یک مدار تماماً آنالوگ می باشد که با نظارت بر ولتاژ چوکها ، وقوع اتصال کوتاه را آشکار می نماید.
• مدار محافظ اضافه ولتاژ: این محافظت با اندازه گیری ولتاژ مدار DC با استفاده از مقاومتهای ولتاژ بالا و آپ امپهای تفاضلی حاصل می شود.
• کارت واسط اندازه گیری ولتاژ و جریان: از این کارت به منظور مقیاس سازی و اندازه گیری ولتاژها و جریانهای مختلف استفاده می شود.
• کارتهای ورودی و خروجی : از این کارت جهت اتصال سیگنالهای ورودی و خروجی سیستم کنترل (آنالوگ و دیجیتال) استفاده می شود.

شکل(2)- قطعات و بردهای کنترلی مربوط به سیستم کنترل موتور دور متغیر

قابل ذکر است که به منظور انجام ایزولاسیون هرچه بهتر تمامی ارتباطات بردهای کنترلی با یکدیگر با استفاده از فیبر نوری انجام می پذیرد.

5- تکنولوژی فوق العاده DTC

 نکته برجسته درایو ACS 1000 تکنولوژی DTC آن است که یکی از جدیدترین و پیشرفته ترین روشهای کنترل دور موتورهای الکتریکی است مشخصات فنی و بی نظیر ACS 1000 این تضمین را می دهد که در کنترل پروسه خود محدودیتی از جانب درایو نداشته باشید.

تکنولوژی DTC در کاربردها و صنایع مختلفی استفاده و تائید شده است.

6- طراحی جامع در کمترین فضا

تمامی تجهیزاتی که در کاربردهای درایو مورد نیاز است داخل جعبه درایو جاسازی می شوند و بنابراین نیازی به تجهیزات و فضای اضافی و کابل کشی از درایو به آنها نیست.

بخشی از این تجهیزات مانند فیلترهای حذف هارمونیک و EMC هستند که داخل درایو قرار داده شده اند. علاوه بر این داخل درایو برای 3 ماژول اضافی نیز فضا تعبیه شده است تا در صورت نیاز به کارهایی مانند اضافه کردن I/O شبکه های فیلدباس, فیلدبک انکدر و یا ارتباط با PC مورد استفاده قرار گیرد.

از ویژگیهای ایده آل این درایو می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

• طراحی مناسب برای نصب در تابلوها.
• دسترسی آسان به ترمینال های برق.
• امکان افزایش ورودی/ خروجی های اضافی و ترمینال.

با توجه به وجود و امکان استفاده از ماکروها, نرم افزارهای کاربردی از پیش برنامه ریزی شده ای تهیه شده است که داخل درایو ACS 1000 قرار داده شده و به منظور تنظیم پارامترها و پردازش ورودی و خروجی های مورد نیاز برای کاربردهای خاص به کار می روند.

7- نرم افزار مخصوص درایو سایز SIZE )  DRIVE)

DRIVE SIZE یک نرم افزار برای انتخاب صحیح موتور و درایو می باشد. با داشتن این نرم افزار مهندسین می توانند با وارد کردن اطلاعات اولیه درباره موتور و درایو، محصول مناسب مورد نیازشان را انتخاب نمایند.

لذا با توجه به نرم افزار تخصصی، سازنده مورد نظر به راحتی قابل استفاده میباشد، همچنین DRIVE SIZE می تواند در انتخاب اجزای زیر به ما کمک کند:

1. 3phase Standard, Customized, Ex & user Defined Motor
2. ABB Low Voltage AC Drives ACS 1000

8- استفاده از درایوها و محصولات مربوط به تکنولوژی ABB

استفاده از محصولات با تکنولوژی بالای ABB , کاهش هزینه های انرژی و به تبع آن رضایت بازار جهانی را به دنبال داشته است. درایوهای AC ، انرژی تلف شده را با تغییرات سرعت موتور کاهش داده و سبب صرفه جویی در مصرف انرژی می شوند. زیرا موتور به اندازه نیاز, انرژی الکتریکی مصرف می کند.

به عنوان مثال تکنولوژی هایی نظیر کنترل مستقیم گشتاور (DTC) در مواردی بیشتر از 30% در مصرف انرژی صرفه جوئی کرده اند.

9- چگونه می توان در مصرف انرژی صرفه جوئی کرد؟

با بررسیهای انجام شده 65% از انرژی الکتریکی در موتورهای الکتریکی مصرف می شود و تمام دولت های جهان، صنایع را به استفاده از درایوهای دور متغیر تشویق می نمایند همچنین طرحهائی را که باعث بهره وری انرژی می شوند ارزیابی و طراحی نموده و چگونگی افزایش بهره وری در موتورهای الکتریکی را مورد بحث و بررسی قرار می دهند.

لذا به عنوان مثال چنانچه بتوانیم با کنترل سرعت فن به جای استفاده از دمپر فقط 10%  از سرعت آن را کاهش دهیم, میزان صرفه جوئی انرژی را می توانیم با توجه به منحنی و محاسبات ذیل اینگونه محاسبه نمائیم. (با اشاره به این نکته که رابطه بین گشتاور و سرعت زاویه ای بستگی به نوع بار دارد).

بنابراین با کاهش 10%  از سرعت می توانیم به مقدار 1/27 %  در مقدار انرژی صرفه جوئی نمائیم.

علاوه بر این در مواردی مانند سانتریفوژ, جرثقیل و ……. با برگرداندن انرژی از حالت ژنراتوری موتور به شبکه ،
می توان صرفه جویی های قابل ملاحظه ایی را مد نظر قرار داد.

همچنین یکی از طرحهای بسیار مفید و ایده آل جهت استفاده بهینه از انرژی، طرح یارانه سود تسهیلات میباشد که در این زمینه اشاره مختصری خواهیم داشت.

10- طرح یارانه سود تسهیلات : 

راههای زیادی وجود دارد که درایو خود را خریداری نمائیم. یکی از این راهها استفاده از تسهیلات بانکی است. سازمان
بهره وری انرژی (سابا) در راستای تشویق صنایع و موسسات به امر بهینه سازی مصرف انرژی و ایجاد انگیزه مالی حاضر به پرداخت سود تسهیلاتی است که برای طرح های بهینه سازی مصرف انرژی ( با حداقل 22% صرفه جوئی انرژی ) گرفته شده اند. اصل وام نیز از راه صرفه جوئی انجام شده و کاهش هزینه های انرژی در دوره های کوتاه مدت قابل پرداخت است. در حقیقت سرمایه گذاری در بهره وری انرژی بعد از مدت باز پرداخت باعث سودآوری از طریق صرفه جوئی انرژی می شود.

11- نتیجه گیری :

بنابر آنچه گفته شد کاربرد درایوهای دور متغیر در پروژه هایی که به لحاظ استفاده از موتورهای صنایع مختلف عملکردهای متفاوتی دارند دارای قابلیت اطمینان بالا و بسیار حائز اهمیت بوده و با توجه به موارد مشروحه و ویژگیهای منحصر به فرد این دسته از درایوها در صنایع نفت، گاز ، پتروشیمی و دیگر صنایع مختلف مانند: صنایع دریائی، سیمان، نساجی، مواد غذائی، سیستمهای خنک کننده و …………. می توان بهره وری مناسبی به لحاظ توجیه اقتصادی و همچنین صرفه جوئی در مصرف انرژی با استفاده از درایوهای دور متغیر داشت که در صنعت نفت بسیار مقرون به صرفه می باشد.

12- مراجع :

 سمینار تخصصی مربوط به موتورهای دور متغیر(Operation & Maintenance) ACS 1000 – شرکت ABB .

• ABB Component Drives
• ABB Standards Drives
• ABB.Com