سیستم سه فاز و توان کمپرسور
سیستم سه فاز (Three-phase system)
نیروی جریان متناوب تک‌فاز دارای نوسان می‌باشد. برای مصارف خانگی، این نوسان مشکلی ایجاد نمی‌کند. با این وجود، برای عملکرد موتورهای الکتریکی بهتر است از جریانی استفاده شود که نیروی ثابت‌تری تولید می‌کند. این جریان با استفاده از سه خط نیروی مجزا با جریان متناوب به دست می‌آید که به طور موازی اما با زاویه‌ی 120 درجه نسبت به فازهای دیگر تغییر می‌کند. جریان متناوب سه فاز در نیروگاه در یک ژنراتور با سه سیم‌پیچ مجزا تولید می‌شود.
سیستم تک‌فاز را می‌توان بین یک فاز و زمین متصل کرد. سیستم‌های سه‌فازی را می‌توان با استفاده از سه فاز در دو روش ستاره (Y) و مثلث (∆) متصل نمود. در اتصال ستاره، ولتاژ یک فاز بین خروجی‌ها و در اتصال مثلث ولتاژ اصلی بین خروجی‌ها قرار دارد. این نوع اتصالات پایه‌ای‌ترین اصل در طراحی و بهره‌برداری از موتورهای الکتریکی و به‌ویژه سیستم سه فاز و توان کمپرسورها هستند.
کمپرسورهای صنعتی جزء اولین دستگاه‌هایی بودند که به محرک‌های دور متغیر (VSD) مجهز شدند تا سرعت چرخش و گشتاور جریان متناوب را کنترل کنند. در موتورهای احتراقی این تغییرات به صورت مکانیکی ایجاد می‌شود، اما در کمپرسورها این فرایند از طریق تنظیم فرکانس خطوط نیروی برق به موتور کنترل می‌گردد. به این تجهیزات، محرک‌های فرکانس متغیر (VFD یا همان VSD) گفته می‌شود. این امر باعث می‌شود که کمپرسور بتواند در شرایط مختلف بارگذاری، انرژی را بهینه مصرف کند.
در رایج‌ترین نوع طراحی، با استفاده از پل یکسوساز، نیروی ورودی جریان متناوب (AC) سه‌فاز به نیروی جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌شود. سپس نیروی DC با استفاده از یک مدار مبدل و به کمک نیمه‌رساناهای قدرت مانند IGBT تغییر داده می‌شود. در این مرحله از روش‌های PWM (مدولاسیون پهنای پالس) برای تبدیل نیروی DC به AC سینوسی‌مانند استفاده می‌شود. این فرایند در واقع اساس کار درایوهای فرکانس متغیر است که به شکل مستقیم روی سیستم سه فاز و توان کمپرسور تأثیر می‌گذارد.
توان (Power)
توان مفید الکتریکی P (با یکای وات) توانی است که برای کار واقعی استفاده می‌شود. یک وات‌متر تنها مولفه‌ی جریانی را اندازه‌گیری می‌کند که هم‌فاز با ولتاژ باشد. این همان جریانی است که در مدارهای مقاومتی وجود دارد.
توان واکنشی یا اکتیو Q (با واحد VAr) توانی است که نمی‌توان از آن به صورت مستقیم برای انجام کار استفاده کرد، اما وجود آن ضروری است. این توان مسئول ایجاد میدان مغناطیسی در موتورهای الکتریکی می‌باشد. به بیان ساده، بدون توان واکنشی موتور کمپرسور قادر به شروع به کار و ایجاد چرخش نخواهد بود.
توان ظاهری S (با واحد VA) ترکیبی از توان مفید و توان واکنشی است. این همان توانی است که باید از منبع تأمین شود تا دستگاه بتواند کار کند. در سیستم سه فاز و توان کمپرسور، توان ظاهری نقش کلیدی دارد، چرا که طراحی و انتخاب ظرفیت تجهیزات برق‌رسانی بر اساس همین توان انجام می‌شود.
توان مفید الکتریکی برای پیکربندی‌های ستاره و مثلث سه‌فاز برابر است با روابطی که در مهندسی برق تعریف می‌شوند. این روابط نشان می‌دهند که چگونه جریان، ولتاژ و زاویه‌ی فاز بر مقدار توان خروجی مؤثر هستند.
رابطه‌ی بین توان مفید، توان واکنشی و توان ظاهری معمولا با مثلث توان نمایش داده می‌شود. زاویه‌ی φ نشان می‌دهد جریان و ولتاژ تا چه میزان از همدیگر خارج از فاز هستند. ضریب توان (PF) برابر است با cosφ. هرچه ضریب توان به عدد ۱ نزدیک‌تر باشد، سیستم کاراتر است.
اهمیت ضریب توان در کمپرسورها
در بسیاری از صنایع، پایین بودن ضریب توان مشکلات زیادی ایجاد می‌کند. زیرا سیستم توزیع برق، خطوط انتقال و تجهیزات تولید باید بر اساس توان ظاهری طراحی شوند، در حالی که مصرف‌کننده تنها هزینه‌ی توان مفید را پرداخت می‌کند. به همین دلیل پایین بودن ضریب توان در کمپرسورها می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های جانبی و کاهش بازدهی کل سیستم شود.
روش‌های مختلفی برای بهبود ضریب توان وجود دارد. از جمله:
-
استفاده از تجهیزات با ضریب توان بالا مانند بالاست‌های الکترونیکی در سیستم‌های روشنایی.
-
به‌کارگیری موتورهای همگام که در بار ثابت و با ضریب توان مشخص کار می‌کنند.
-
استفاده از خازن‌های اصلاح ضریب توان در کنار موتورهای کمپرسور.
تمام این روش‌ها در راستای بهبود عملکرد سیستم سه فاز و توان کمپرسور به کار می‌روند.
کاربرد سیستم سه فاز و توان کمپرسور در صنعت
در صنایع بزرگ، کمپرسورها یکی از پرمصرف‌ترین تجهیزات برقی هستند. اگر از سیستم تک‌فاز برای راه‌اندازی آن‌ها استفاده شود، نوسانات زیاد جریان و ولتاژ باعث کاهش طول عمر موتور و افزایش مصرف انرژی می‌شود. به همین دلیل، تقریبا تمامی کمپرسورهای صنعتی با سیستم سه فاز و توان کمپرسور طراحی می‌شوند.
این سیستم علاوه بر کاهش نوسانات، امکان انتقال توان بیشتر، کاهش تلفات در خطوط انتقال و راه‌اندازی نرم‌تر موتور را فراهم می‌کند. همچنین در کمپرسورهایی که نیاز به تغییر ظرفیت در شرایط متغیر دارند، ترکیب سیستم سه‌فاز با درایو فرکانس متغیر (VFD) بهترین راهکار برای افزایش راندمان و کاهش هزینه‌های عملیاتی است.
جمع‌بندی
در نهایت می‌توان گفت که درک درست از سیستم سه فاز و توان کمپرسور یکی از اصول اساسی برای طراحی و بهره‌برداری صحیح در صنایع است. این سیستم نه تنها امکان کارکرد پایدارتر و اقتصادی‌تر را فراهم می‌کند، بلکه باعث افزایش طول عمر تجهیزات، کاهش مصرف انرژی و بهینه‌سازی فرایند تولید می‌شود.
برای مطالعه بیشتر درباره فیزیک، ساختار ماده و کمپرسورها می‌توانید به منابع زیر مراجعه کنید: