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

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

گرایش : برق قدرت

چکیده

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، جبران ساز توان راکتیو، کیفیت توان

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1 مقدمه

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.

1-2 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[2]، سلول های خورشیدی[3] و.. که شبکه توزیع را از حالت پسیو[4] به حالت اکتیو[5] تبدیل کرده اند، لزوم بازنگری های متعددی را در مطالعات شبکه توزیع سبب می شود. کنترل توان راکتیو[6] 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[7] 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[8] 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[9] شبکه و چه در مطالعات شرایط عادی[10]، مسئله ضروری در سیستم قدرت است. چراکه در حالت اضطراری می تواند با اطلاع ازحدود ناپایداری ولتاژ[11]، سبب افزایش حاشیه های[12] پایداری ولتاژ و در نتیجه افزایش امنیت[13] شبکه شود و در حالت عادی، می تواند باعث بهره برداری از شبکه با قابلیت اطمینان[14] بالا و همچنین با کیفیت توان بالا[15] گردد.

1-2-1 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