پایان نامه بررسی اثرات کنترل توان راکتیو روی مشخصه ی انواع موتورهای القایی با در نظر گیری پیشامدهای مختلف در یک شبکه نمونه

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

گرایش : برق قدرت

افزایش حضور بارهای غیرخطیِ الکترونیک قدرت در شبکه های توزیع از یک طرف و تغییرات به وقوع پیوسته در شبکه های توزیع نظیر حضور منابع تولید پراکنده و امکان تشکیل ریز شبکه[1] های قدرت، نیاز به مطالعات جدید در شبکه های توزیع را افزایش داده است. تغییرات مذکور می تواند موجب افزایش و یا کاهش کیفیت توان در شبکه قدرت شود. از طرف دیگر تزریق توان راکتیو شبکه می تواند تحت تأثیر قرار گیرد. از این رو لزوم مطالعه عناصر وابسته به توان راکتیو در شبکه بیش از پیش مهم شده است. چراکه جبرانسازی توان راکتیو نه تنها برای افزایش کیفیت ولتاژ شبکه و کیفیت توان است، بلکه مهم تر از آن، برای جلوگیری از وقوع ناپایداری ولتاز در شبکه است. از این رو این تحقیق را می توان هم مطالعه اثر ناپایداری های ولتاژ و هم مطالعه کیفیت بد ولتاژ روی عملکرد ماشین های القایی دانست. این تحقیق ضمن مروری بر مباحث توان راکتیو، انواع جبران ساز ها و مباحث پایداری ولتاژ، ماشین های القایی را بعنوان مجموعه بارهای راکتیو صنعتی، مورد مطالعه حساسیت عملکرد در مقابل تأمین یا عدم تأمین توان راکتیو قرار داده است. برای این منظور مطالعات مبتنی بر طراحی سناریو های مختلف پیش برده شده است. نتایج حاکی از اهمیت تأمین توان راکتیو مورد نیاز و افزایش کیفیت ولتاژ بصورت محلی دارد تا ماشین های القایی بتوانند در ضریب توان بالا و با بازدهی بالا کار کنند و متوقف نیز نشوند.

کلمات کلیدی : توان راکتیو، شبکه های توزیع، ماشین های القایی، جبرانساز توان راکتیو، کیفیت توان

[1] Micro grid 

با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در بحث الکترونیک قدرت، بکارگیری بارهای غیر خطی چه در بخش خانگی و چه در بخش صنعتی افزایش یافته است و این موضوع سبب ایجاد انواع پدیده های کیفیت توان نظیر فلیکر ها، هارمونیک ها و نوسانات ولتاژ در شبکه ی توزیع شده است. از طرفی حساسیت بار های صنعتی به کیفیت توان، باعث می شود تا نیاز به جبران کننده ها و کنترل کننده های کیفیت توان ِشبکه روز به روز افزایش یابد. یکی از مرسوم ترین این کنترل کننده ها در شبکه های توزیع و انتقال، جبران کننده های توان راکتیو می باشند. با توجه به اینکه بخش عظیمی از مصرف کارخانجات به موتور های الکتریکی اختصاص یافته است و در میان موتور های الکتریکی، فراوانی موتور های القایی بیش از انواع موتور های دیگر است، از این رو محقق در این پایان نامه سعی دارد تا در یک شبکه نمونه به عنوان یک بخش از شبکه توزیع در بخش صنعتی، اثر کنترل توان راکتیو را روی مشخصه های عملکردی موتور القایی بررسی کند.  در همین راستا، پیشامدهایی در نظر گرفته خواهد شد. برای مثال این مطالعه برای هنگامی که در شبکه خطاهای مختلف روی دهد بررسی می شود. هدف عملی از انجام این تحقیق، بررسی تاثیر کنترل کننده های توان راکتیو بر بهبود ضریب توان شبکه و بهبود مشخصه های عملکردی موتور های القایی نظیر منحنی های گشتاور-سرعت یا جریان راه اندازی-سرعت است. هدف کاربردی این تحقیق، این است که بعد از پیاده سازی و مطالعه سیستم قدرت واقعی، وجود و عدم وجود جبران کننده های توان راکتیو در وقوع پیشامدهای مختلف، از نظر پایداری ولتاژ و ضریب توان شبکه با هم مقایسه شوند و با توجه به مزیت های حاصل شده، اقدامات جایابی  و نصب کنترل کننده های توان راکتیو توسط اپراتورهای شبکه صورت پذیرد.

ضرورت انجام این تحقیق همانطور که پیش تر بیان شد، افزایش روز افزون بارهای غیرخطی و عمدتا پس فاز در شبکه توزیع است. این نوع بارها نیاز به توان راکتیو در شبکه را به شدت بالا می برند. این در حالی است که نیروگاه ها با توجه به نیاز سنجی های صورت گرفته بر اساس توان اکتیو نصب و بهره برداری شده اند. دلیل مهم دیگری که نیاز به کنترل توان راکتیو و مطالعه ی اثر آن روی بارهای مختلف را بالا می برد، اثر این کنترل کننده ها روی بهبود پایداری ولتاژ و در نتیجه بهبود مشخصه های عملکردی بارهای سیستم قدرت است که از جمله مهم ترین این بار ها، موتور های القایی هستند.

برای پرداختن به موضوع اثر جبران توان راکتیو روی منحنی های عملکردیِ موتورهای القایی، در ابتدا با اهمیت این موضوع بیشتر آشنا خواهیم شد. سپس با روشن ساختن موضوع مورد بررسی، با جبرانسازی توان راکتیو و مباحث پایداری ولتاژ آشنا می شویم و همچنین انواع جبرانساز های توان راکتیو را معرفی خواهیم کرد. سپس با پیاده سازی شبکه توزیع مورد نظر، مطالعات را در سناریوهای مختلفی پیش خواهیم برد.

1-1  بیان مسئله و ضرورت انجام تحقیق

پیشرفت های صورت گرفته در زمینه الکترونیک قدرت و همچنین وقوع پدیده های جدید در شبکه های توزیع، نظیر حضور منابع توان پراکنده، نظیر توربین های بادی[1]، سلول های خورشیدی[2] و.. که شبکه توزیع را از حالت پسیو[3] به حالت اکتیو[4] تبدیل کرده اند، لزوم بازنگری های متعددی را در مطالعات شبکه توزیع سبب می شود. کنترل توان راکتیو[5] نیز که از مطالعات مورد علاقه و البته مهم مهندسین برق قدرت در شبکه های توزیع است، باید مورد بازنگری قرار گیرد. مطالعات توان راکتیو که عمدتا با بحث پایداری ولتاژ مطرح می شود، در برخی از موارد، صرفا جهت بهینه ساختن مصرف انرژی و کاهش تلفات در شبکه حضور می یابند. حال آنکه، ممکن است در شبکه شرایطی رخ دهد که حضور این منابع را برای عدم ورود شبکه به ناپایداری های ولتاژ ضروری سازد. از طرف دیگر توجه به این نکته ضروری است که هرچند جبرانسازی توان راکتیو، می تواند در زمان کمی توسط نصب بانک های خازنی انجام شود، اما برنامه ریزی های توان راکتیو نیاز به افق های برنامه ریزی بلند مدت، متناسب با توسعه شبکه داشته و نمی توان آن را به زمان های کوتاه و تصمیم های عجولانه  سپرد. از این منظر، انجام این تحقیق می تواند برای مطالعات توان راکتیو شبکه مفید باشد.

از طرف دیگر، وجود بارهایی نظیر موتورهای القایی که بارهای سلفی هستند و نیاز زیادی به توان راکتیو دارند، لزوم انجام این تحقیق را بیش از پیش جلوه می دهد. چراکه این موتورها در توان های مختلف، بخش اعظمی از مصرف را بخود اختصاص می دهند و با توجه به پراکندگی آنها در شبکه، برنامه ریزی های توان راکتیو ویژه ای را می طلبند. توجه داشته باشید که مسئله کنترل توان راکتیو و کنترل ولتاژ، به مکان وابسته اند. بعبارتی دیگر، ولتاژ کمیتی محلی[6] است که می تواند پروفیل خوبی در یک نقطه از شبکه داشته باشد، حال آنکه در بخش دیگری از شبکه ممکن است با مشکل کاهش ولتاژ مواجه باشیم. این در حالی است که در بحث فرکانس و کنترل توان اکتیو، این مشکل وجود ندارد. چراکه فرکانس کمیتی سراسری[7] بوده و می تواند با تزریق توان اکتیو در هر نقطه ای از شبکه، کنترل شود. بنابراین، لزوم کنترل توان راکتیو در مراکز صنعتی که بارهای سلفی(مصرف کننده توان راکتیو) فراوانی دارند، بسیار مهم است.

کنترل توان راکتیو و مطالعه اثرگذاری توان راکتیو روی ماشین های القایی را می توان به دو حوزه تقسیم کرد. در حالت اول، هدف از جبرانسازی و مطالعات توان راکتیو می تواند جلوگیری از ورود شبکه به ناپایداری ولتاژ و وقوع خاموشی ها در شبکه  باشد. اما در گام بعدی، هدف از جبرانسازی توان راکتیو را می توان کاهش مصرف انرژی، بهبود ضریب توان شبکه، بهبود منحنی های عملکرد ماشین های القایی بعنوان بخش بزرگی از بارهای صنعتی و افزایش راندمان آنها دانست.

بنابراین، کنترل ولتاژ (کنترل توان راکتیو) چه در مطالعات حالت اضطراری[8] شبکه و چه در مطالعات شرایط عادی[9]، مسئله ضروری در سیستم قدرت است. چراکه در حالت اضطراری می تواند با اطلاع ازحدود ناپایداری ولتاژ[10]، سبب افزایش حاشیه های[11] پایداری ولتاژ و در نتیجه افزایش امنیت[12] شبکه شود و در حالت عادی، می تواند باعث بهره برداری از شبکه با قابلیت اطمینان[13] بالا و همچنین با کیفیت توان بالا[14] گردد.

1-1-1 تفاوت جبرانسازی توان راکتیو در شبکه های توزیع و انتقال

کنترل ولتاژ و کنترل توان راکتیو، در دو بخش شبکه های انتقال و توزیع راهکارهای کاملا متفاوتی از یکدیگر دارند. شبکه های انتقال که در سطح ولتاژ بالا هستند، از توان راکتیو ژنراتورهای بزرگ بهره می برند و از آن طریق به کنترل ولتاژ کل شبکه می پردازند. در حالی که در شبکه های توزیع، هر ناحیه از آن به عنوان بخش کوچکی از ناحیه بزرگ تر، کنترل ولتاژ مستقل به خود را دارد که ولتاژ حوزه دیگر را نمی تواند خیلی تحت تأثیر قرار دهد. بعبارتی شبکه های ولتاژ بالا قدرت اثرگذاری به مراتب بیشتری از شبکه های توزیع دارند، به نحوی که مسئله محلی بودن ولتاژ در آنها، خفیف تر از شبکه توزیع است. توجه به این نکته نیز ضروری است که، در بخش شبکه های انتقال میزان راکتانس شبکه خیلی بزرگ تر از مقاومت است. حال انکه در شبکه های توزیع، نسبت راکتانس به مقاومت کمتر است و با مسئله چگالی بار بالا مواجه هستیم. این موضوع سبب می شود تا استراتژی های کنترل توان راکتیو نیز در دو حوزه متفاوت باشد.

در بخش شبکه انتقال، هدف از کنترل ولتاژ عبارت است از:

ایجاد پروفیل مسطح، مناسب و مداوم برای ولتاژ

 کمینه کردن تلفات توان

افزایش حاشیه های پایداری ولتاژ

برای رسیدن به این اهداف، داشتن همزمان دو استراتژی ضروری است:

۱. دسترسی کافی به رزرو[15] قابل کنترلِ توان راکتیو حتی برای شرایط[16]contingencies

۲. حضور سیستم گسترده[17] کنترل ولتاژ اتوماتیک و موثر.

اما هدف از کنترل ولتاژ و توان راکتیو در شبکه توزیع، شامل :

تثبیت ولتاژ در ترمینال مصرف کننده در حد قابل قبول.

کاهش تلفات محلی سیستم.

افزایش حد پایداری ولتاژ ناحیه.

که لازمه تحقق این اهداف، داشتن استراتژی ها و منابعی است که در ادامه می آید:

۱.یک تأمین کننده قوی ولتاژ توسط شبکه انتقال محلی.

۲.نواحی با کنترل پذیری بالای ولتاژ توسط تپ چنجرهای زیر بار[18](OLTC).

۳.تجهیزات جبرانساز کافی، با جایابی مناسب و با قابلیت مواجه شدن با شرایط اضطراری بار.

۴. در اختیار داشتن سیستم تنظیم ولتاژ اتوماتیک و موثر در شبکه توزیع.

مورد چهارم باید با منابع تولید پراکنده(در صورت وجود در شبکه) و کنترل تپ چنجرهای زیر بار هماهنگ عمل کند و همچنین بتواند در مورد نیاز، روی تجهیزات جبرانساز محلی و با کمترین تعداد مانور[19] عمل کند.

1-1-2 تجهیزات جبرانساز توان راکتیو

از مباحث فوق، به لزوم جبرانسازی توان راکتیو پی برده شد. جبرانسازی توان راکتیو نه تنها به معنای تأمین و تولید توان راکتیو مورد نیاز تجهیزات، بلکه به معنای مصرف آن در شرایط بیشبود توان راکتیو نیز هست. مهمترین و اصلی ترین منبع توان راکتیو، ژنراتورهای سنکرون هستند که می توانند با تغییر نقطه کار به حالت زیر تحریک[20] و یا فوق تحریک، به جذب(مصرف) یا تأمین توان راکتیو مورد نیاز شبکه بپردازند. اما همانطور که قبلا هم گفته شد، اثر این ژنراتور ها بیشتر روی توان راکتیو و پروفیل ولتاژ شبکه های انتقال است. به همین دلیل در شبکه های توزیع به منابع توان راکتیو مستقل نیاز است که در پست های توزیع نصب شوند. این نکته را باید مد نظر داشت که ولتاژ و جبرانسازی توان راکتیو بصورت محلی تغییر می کند و نمی توان با جبرانسازی در نقطه ای خاص، انتظار بهبود ولتاژ کل شبکه را داشت. در یک دسته بندی کلی می توان منابع توان راکتیو بکار رفته در شبکه های توزیع را به دسته های زیر تقسیم بندی کرد:

بارها یا منابع توان راکتیو : این دسته شامل خازن های موازی، راکتورهای موازی، جبرانسازهای سنکرون و جبرانساز های استاتیک است.

تجهیزاتی که راکتانس های اندوکتیو خط را جبران می کنند : این دسته شامل خازن های سری ثابت یا سوئیچ شونده هستند.

ترانسفورماتورهای مجهز به تپ چنجر

راکتورهای موازی و خازن ها نظیر خازن های سری، در دسته تجهیزات پسیو قرار دارند. این عناصر می توانند بصورت ثابت در شبکه باشند و یا اینکه مداوم سوئیچ شوند. در دسته بندی اول، تجهیزات مذکور به عنوان بخش کنترل پذیری از شبکه پایه طراحی می شوند. در دسته دوم، تجهیزات مذکور، بخشی از منابع کنترل را شامل می شوند که نوسانات ولتاژ شبکه را کنترل می کنند. از این رو بیشتر به آنها، منابع توان راکتیو قابل کلید زنی و یا کنترل پذیر گفته می شود. مراتب کنترل آنها می تواند دستی، محلی و یا از راه دور باشد. جبرانساز های سنکرون و استاتیک نیز تجهیزات حلقه بسته و با حضور پیوسته هستند. این منابع بر حسب نیاز توان راکتیو را تولید و یا مصرف می کنند تا ولتاژ را در باس های منتصب، در مقدار ثابت و از پیش تعیین شده کنترل کنند.

1-1-3  مقدمه ای بر تقسیم بندی پایداری ولتاژ

در رابطه با دسته بندی ناپایداری سیستم های قدرت و بلاخص ناپایداری ولتاژ، معیارهای تقسیم بندی عمدتاً بر اساس زمان فروپاشی ولتاژ و نوع اغتشاش ایجاد شده در سیستم قدرت تفکیک می شوند. در زمینه تفکیک ناپایداری ولتاژ بر اساس زمان فروپاشی پدیده ناپایداری ولتاژ به سه دسته پایداری ولتاژ گذرا، پایداری ولتاژ میان مدت و پایداری ولتاژ بلند مدت طبقه بندی می شوند. به طوری که ناپایداری ولتاژ گذرا در کمتر از ۱۰ ثانیه و ناپایداری ولتاژ میان مدت در فاصله ۵/۰ تا ۵ دقیقه ( معمولا ٢ الی ۳ دقیقه ) و ناپایداری ولتاژ بلند مدت، فروپاشی ولتاژ طی ١۰ دقیقه الی بیشتر واقع می شود. و اما در رابطه با دسته بندی بر اساس نوع اغتشاش ایجاد شده در سیستم قدرت ناپایداری ولتاژ را به دو دسته پایداری سیگنال کوچک و پایداری سیگنال بزرگ تقسیم بندی می کنند.

ناپایداری سیگنال کوچک شامل افزایش تدریجی بار و یا کاهش حداکثر توان قابل تحویل ژنراتورها و در رابطه با ناپایداری سیگنال بزرگ حوزه عملکرد این مورد خروج خط، ژنراتور، خروج و ورود بارهای سنگین و یا وقوع اتصال کوتاه و ... در شبکه می باشد که به فروپاشی ولتاژ ختم می شود.

1-1-4 موتورهای القایی

موتورهای القایی در انواع مختلف در شبکه های توزیع به وفور یافت می شوند. بویژه در کارخانجات صنعتی،برای مواردی نظیر : لغزنده، نوارنقاله، کشنده، جمع کن و گرداننده، موتورالقایی اولین گزینه است. علت این موضوع را می توان عدم نیاز به نگهداری های کوتاه مدت، قیمت ارزان و بازدهی مناسب آنها دانست. کنترل پذیری بالا، سیستم های درایو منعطف و چگالی توان بالا از ویژگی های بارز موتورهای القایی است. ماشین های القایی بعنوان نیرو محرکه صنعت دنیا هستند و بعلت حضور متنوع آنها در کلاس های مختلف، بر اساس شکل هسته و نوع سیم پیچی روتور، که سبب می شود تا رنج وسیعی از مشخصه های گشتاور- سرعت و جریان راه اندازی-سرعت را در بر بگیرند، به وفور در منازل، صنایع و کاربردهای نظامی و ... کاربرد دارند. از طرفی با توجه به مکانیسم عملکردی این ماشین ها،  نیاز آنها به توان راکتیو بخصوص در لحظه راه اندازی، زیاد است. به نحوی که ممکن است در لحظه راه اندازی موجب افت ولتاژ شبکه و حتی سوق دادن شبکه به شرایط ناپایداری ولتاژ شوند. از این رو محقق در این تحقیق  قصد دارد تا با بررسی اثر جبرانسازی توان راکتیو روی مشخصه های عملکردی ماشین های القایی، میزان توان راکتیو مورد نیاز برای راه اندازی ماشین های القایی را بصورت کیفی ارزیابی کند. بررسی عملکرد ماشین های القایی در اثر وقوع خطاهای مختلف، که سبب وقوع ناپایداری ولتاژ در شبکه گردد و همچنین بررسی میزان حساسیت مشخصه های ماشین القایی به توان راکتیو تزریقی و بعبارتی به ولتاژ پایدار در شبکه، از اهداف دیگر تحقیق است. در نظر گیری ماشین های القایی در رنج توان های مختلف از دیگر مطالعات در زمینه آنالیز حساسیت ماشین القایی به پایداری ولتاژ و تزریق توان راکتیو است که محقق پی خواهد گرفت.

1-2  فرضیه های تحقیق

در این تحقیق فرض شده است که ماشین های القایی در رنج توان های مختلف، در روی یک فیدر صنعتی نصب شده اند. منظور از فیدر صنعتی، فیدری است که در روی آن، تجمیعی از بارهای صنعتی وجود دارند.

فرض دوم، استفاده از منابع جبرانساز توان راکتیو نظیر بانک های خازنی، SVC ، STATCOM و ...است. بعبارتی در این تحقیق فرض شده است که انواع منابع توان راکتیو در فیدر ماشین های القایی نصب شده است. در واقع در این تحقیق اثر میزان جبرانسازی توان راکتیو نیز روی عملکرد ماشین های القایی بررسی شده است.

فرض سوم در تحقیق این است که ماشین های القایی با گشتاورهای  مختلفی راه اندازی می شوند. منظور از گشتاورهای مختلف، مشخصه های مختلف بار مکانیکی است. برای مثال گشتاور بارهای جرمی در طول زمان ثابت است اما برای بارهایی نظیر Traction، گشتاور در ابتدا زیاد و رفته رفته به مقدار کمتری همگرا می شود.

اثر ناپایداری ولتاژ، که به معنای کمبود تزریق توان راکتیو در یک شبکه می باشد نیز در این تحقیق به عنوان یک سناریو مورد مطالعه قرار گرفته است.

شبکه آزمون در ابتدا ۴ باس در نظر گرفته می شود و سپس مطالعات روی شبکه های با تعداد باس بیشتر  انجام می پذیرد.

از آنجا که مطالعه موضوع اثر توان راکتیو روی ماشین های القایی به شرایط عملکردی و نوع شبکه وابسته است، سعی می شود تا سناریو های مختلف طراحی و بر اساس آنها، انواع حالات در نظر گرفته شود. برای مثال یکی از سناریو ها تعیین وقوع خطاهای مختلف در نقاط مختلف شبکه است بطوریکه منجر به وقوع ناپایداری ولتاژ در شبکه شود.

پرسش اصلی این تحقیق این است که :

آیا نصب کنترل کننده های توان راکتیو با هزینه های بالایی که دارند،در یک سیستم قدرت واقعی،مقرون به صرفه هستند یا خیر؟

 اگر مزایای حاصل از نصب این جبران کننده ها به اندازه ی کافی شناخته شد، محل نصب کنترل کننده ها به چه میزان اثرگذار خواهد یود؟

اثر افت و خیز های ولتاژ فیدر یک کارخانه،چه اندازه روی کیفیت محصولات آن کارخانه اثر گذار است؟

از نظر اقتصادی،نصب کنترل کننده های توان راکتیو تا چه میزان بصرفه است؟

میزان حساسیت موتور های القایی به کنترل توان راکتیو و در واقع کنترل ولتاژ باس تغذیه آنها چقدر است؟

[1] Wind turbine

[2] Photovoltaic

[3] Passive

[4] Active

[5] Reactive power control

[6] Local

[7] Global

[8] Emergency conditions

[9] Normal conditions

[10] voltage instability limits

[11] Margin

[12] security

[13] Reliability

[14] Power quality

[15] Adequate controllable reactive power reserves

[16] وقوع پدیده ای که منجر به خروج یک یا چند عضو مورد نظر از شبکه شود.

[17] Wide area

[18] on-load tap changer

[19] maneuver

[20] Under excitation