مقدمه
موتورها مصرف‎‎كننده‎‎هاي عمده برق در اغلب كارخانه‎‎ها هستند. وظيفه يك موتورالكتريكي تبديل انرژي الكتريسيته به‎ انرژي مكانيكي است. در يك موتور سه‎‎فاز AC جريان از سيم‎‎پيچ‎‎هاي موتور عبور كرده و باعث ايجاد ميدان مغناطيسي دواري مي‎شود كه اين ميدان مغناطيسي محور موتور را مي‎‎چرخاند. موتورها به‎‎‎گونه‎‎اي طراحي شده‎‎اند كه اين وظيفه را به‎‎‎خوبي انجام دهند. مهم‎‎ترين و ابتدايي‎‎ترين گزينه صرفه‎‎جويي در موتورها مربوط‎‎به‎ انتخاب آنها و استفاده از آنها مي‎‎باشد.

۱- هرزگردي موتورها
بيشترين صرفه‎‎جويي مستقيم برق را مي‎‎توان با خاموش كردن موتورهاي بي‎‎بار و درنتيجه حذف تلفات بي‎‎باري به‎‎‎دست آورد. روش ساده آن درعمل نظارت دايم يا كنترل اتوماتيك است. اغلب به‎ مصرف برق در بي‎‎باري اهميت چنداني داده نمي‎‎شود درحالي‎‎كه غالباً جريان در بي‎‎باري حدود جريان در بار كامل است.
مثالي از اين نوع تلفات را مي‎‎توان در واحدهاي بافندگي يافت، جايي‎‎كه ماشين‎‎هاي دوزندگي معمولاً براي دوره‎‎هاي كوتاهي كار مي‎‎كنند.

اگرچه موتورهاي اين ماشين‎‎ها نسبتاً كوچك هستند (۱٫۳ اسب بخار) ولي چون تعداد آنها زياد است (معمولاً تعداد آنها در يك كارخانه به‎ صدها عدد مي‎‎رسد) اندازه اين تلفات قابل‎‎ملاحظه است. اگر فرض كنيم ۲۰۰ موتور ۱٫۳ اسب‎‎بخار در ۹۰درصد زمان هرزگرد بوده و باري معادل ۸۰درصد بار كامل بكشند، هزينه كار بيهوده موتورها با درنظر گرفتن ۱۲۰ريال بهاي واحد انرژي الكتريكي ، به‎‎‎شكل زير محاسبه مي‎شود: 
هزينه بي‎‎باري = ۲۰۰موتور×۳/۱ اسب‎‎بخار × ۸۰% بار × ۶۰۰۰ساعت در سال × ۹۰% بي‎‎باري ×۱۲۰ريال= ۲۵ميليون ريال

با اتصال يك سوئيچ به‎ پدال چرخ‎‎ها مي‎‎توان آنها را به‎‎‎طور اتوماتيك خاموش كرد.

۲- كاهش بازده در كم‎‎باري 
وقتي از موتوري استفاده شود كه مشخصات نامي بالاتر از مقدار مورد نياز را داشته باشد، موتور در باركامل كار نمي‎‎كند و در اين‎‎حالت بازده موتور كاهش مي‎‎يابد. 
استفاده از موتورهاي بزرگتر از اندازه موردنياز معمولاً به‎ دلايل زير است :
– ممكن است پرسنل مقدار بار واقعي را ندانند و بنابه احتياط موتوري بزرگتر از اندازه موردنياز انتخاب شود
– طراح يا سازنده براي اطمينان از اينكه موتور توان كافي را داشته باشد، موتوري بسيار بزرگتر از اندازه واقعي موردنياز پيشنهاد ‎‎كند و بار حداكثر درعمل به‎‎‎ندرت اتفاق ‎‎افتد. به‎‎‎علاوه اغلب موتورها مي‎‎توانند براي دوره‎‎هاي كوتاه در باري بيشتر از بار كامل نامي كار كنند. (درصورت تعدد اين وسايل اهميت مسئله بيشتر مي‎شود)

– وقتي موتور با مشخصات نامي موردنظر در دسترس نيست يك موتور بزرگتر نصب مي‎شود و حتي وقتي موتوري با اندازه نامي موردنظر پيدا مي‎شود جايگزين نشده و موتور بزرگ همچنان به‎ كار خود ادامه مي‎‎دهد.
– به‎‎‎خاطر افزايش غيرمنتظره در بار كه ممكن است هيچگاه هم رخ ندهد يك موتور بزرگتر انتخاب مي‎شود.
– نيازهاي فرآيند توليدي كاهش يافته است 
در برخي بارها گشتاور راه‎‎انداز بسيار بيشتر از گشتاور دورنامي است و باعث مي‎شود موتور بزرگتر به‎‎‎كار گرفته شوند.
بايد مطمئن شد هيچ كدام از اين موارد موجب استفاده از موتورهايي بزرگتر از اندازه و درنتيجه كاهش بازده نشده باشند.

جايگزيني موتورهاي كم‎‎بار با موتورهاي كوچكتر باعث مي‎شود كه موتور كوچكتر با بار كامل داراي بازده بيشتري باشد. اين جايگزيني معمولاً براي موتورهاي بزرگتر وقتي در ۳/۱ تا نصف ظرفيت‎‎شان (بسته به‎ اندازه‎‎شان) كار مي‎‎كنند اقتصادي است.
براي تشخيص موتورهاي بزرگتر از ظرفيت مورد نياز به‎ اندازه‎گيري‎‎ الكتريكي احتياج است. وات‎‎متر مناسب‎‎ترين وسيله‎‎است.

روش ديگر، اندازه‎گيري سرعت واقعي و مقايسه آن با سرعت نامي است. بار جزئي به‎‎‎عنوان درصدي از بار كامل نامي را مي‎‎توان از تقسيم شيب(سرعت) عمليات بر شيب بار كامل به‎‎‎دست آورد. رابطه بين بار و شيب تقريباً خطي است. معمولاً در اين موارد مي‎‎توان براي جلوگيري از سرمايه‎‎گذاري جديد اينگونه موتورها را با ديگر موتورهاي موجود در كارخانه جايگزين نمود كه تنها هزينه آن اتصالات و صفحه‎‎هاي تنظيم‎‎كننده هستند. اگر اين تغييرات را بتوان همزمان با تعميرات برنامه‎‎ريزي‎‎شده در كارخانه انجام داد بازهم هزينه‎‎ها كاهش مي‎‎يابد.

۳- موتورهاي پربازده 
بازگشت سرمايه قيمت اضافي پرداختي جهت خريد موتورهاي پربازده، معمولاً كمتراز دو سال كاركرد موتور به‎‎‎ازاي ۴۰۰۰ ساعت كاركرد سالانه و در ۷۵درصد بار مي‎باشد. (بازگشت سرمايه نسبت به‎ موتورهاي قديمي و غير استاندارد به‎ كمتر از شش ماه نيز مي‎‎رسد) درمواردي كه بار موتور سبك يا ساعت كاركرد آن كم است يا بارهاي تناوبي استثنائاتي وجود دارد. بيشترين صرفه‎‎جويي در رنج موتورهاي ۱ تا ۲۰ اسب‎‎بخار به‎‎‎دست مي‎‎آيد. در توان بيشتر از ۲۰ اسب‎‎بخار افزايش بازده كاهش مي‎‎يابد و موتورهاي موجود بيش از ۲۰۰ اسب‎‎بخار تقريباً داراي بازده كافي هستند.

سازندگان معمولاً موتورهاي با طراحي استاندارد و قيمت تمام‎‎شده كم‎‎تر را عرضه مي‎‎كنند. به‎‎‎خاطر رقابت شديد اين نوع موتورها بازده كمي دارند. آنها ضريب قدرت پايين‎‎تري دارند، قابل تعمير نبوده و نمي‎‎توان به‎‎‎راحتي سيم‎‎پيچ آنها را مجدداً پيچيد.

در موتورهاي پربازده با استفاده از ورقه‎‎هاي استيل نازكتر در استاتور و روتور، استفاده از استيل با خواص الكترومغناطيسي بهتر، استفاده از فن‎‎هاي كوچكتر با بازده بيشتر و بهبود طراحي شكاف روتور بازده افزايش يافته است. تمام اين روش‎‎ها باعث افزايش مصرف مواد اوليه و درنتيجه افزايش هزينه‎‎ مواد يا هزينه‎‎هاي ساخت مي‎شود و بنابراين قيمت تمام شده موتور زياد مي‎شود. بااين وجود ۳۰-۲۰ درصد اضافه هزينه اوليه با كاهش هزينه‎‎هاي عملياتي جبران مي‎شود. از ديگر مزاياي موتورهاي پربازده اثر كم بر عملكرد موتور به‎‎‎هنگام نوسانات ولتاژ و بار جزئي است.

محاسبه بازگشت هزينه اين موتورها به‎‎‎خاطر متغيرهاي درگير پيچيده است. براي تعيين هزينه عملياتي موتور بايد توان مصرفي توسط موتور در ساعات كار آن و قيمت انرژي الكتريكي ضرب شود. هريك از اين فاكتورها متغيرهاي مخصوص به‎‎‎خود را دارند كه شامل تغيير در برنامه زمانبندي توليد، تغيير در بار موتور و جريمه‎‎هاي ديماند مي‎‎باشند. پرداختن به‎ برخي از اين عوامل مشكل است.

حتي وقتي ميزان صرفه‎‎جويي محاسبه مي‎شود از آنجاكه بازده واقعي يك موتور معمولاً ناشناخته است ممكن است اين محاسبات دچار خطا شوند. چون همه سازنده‎‎ها از تكنيك‎‎‎‎هاي يكساني براي اندازه‎گيري بازده موتورها استفاده نمي‎‎كنند ، بنابراين مشخصات نامي درج‎‎شده بروي پلاك را نمي‎‎‎توان با هم مقايسه كرد. به‎عنوان نمونه در آمريكا منظور بيشتر سازنده‎‎ها‎‎ از بازده نامي رنجي از بازده‎‎ها است كه بازده موتور در آن قرار مي‎‎گيرد. از تكنيك‎‎هاي آماري مختلفي براي تعيين حداقل بازده يك موتور با هر بازده نامي استفاده مي‎شود. به‎‎‎عنوان مثال يك موتور با بازده نامي ۹۰٫۲ % داراي حداقل بازده نامي ۸۸٫۵ % است. 
عده زيادي موتورهاي پربازده را بدون اينكه درصدد توجيه برگشت هزينه آن باشند ، استفاده مي‎كنند ، مگر درمورد موتورهاي بزرگتر. معمولاً مدت بازگشت هزينه تقريباً يك سال است.

بازده موتورها از مشخصات نامي آنها متفاوت است(به‎‎‎دست نمي‎‎آيد). مثلاً يك موتور ۱۰۰-hp.1800-rpm سرپوشيده با فن خنك‎‎ساز از يك سازنده داراي يك حداقل بازده تضمين‎‎شده معادل ۹۰٫۲درصد در بار كامل در مدل استاندارد و ۹۴٫۳درصد در مدل بازده بالا است. موتور هم‎‎اندازه آن از يك سازنده ديگر داراي همان بازده ۹۰٫۲درصد در مدل استاندارد و حداقل بازده ۹۱درصد در مدل بازده بالا است. براي تعيين بازده واقعي يك موتور خاص بايد از تجهيزات تست پيچيده‎‎اي استفاده كرد.
به‎‎‎خاطر اين اختلاف‎‎ها، به‎‎‎هنگام ارزيابي ميزان صرفه‎‎جويي، استفاده از حداقل بازده تضمين‎‎شده قابل اطمينان‎‎تر است چون همه موتورها بايد برابر يا بزرگتر از اين اندازه باشند.

۴- درايوهاي تنظيم سرعت
وقتي تجهيزات بتوانند در سرعت كاهش‎‎يافته كار كنند چند گزينه قابل انتخاب است.
مثال‎‎هاي ذيل نمونه‎‎هايي براي همه صنايع هستند

۱-۴- موتورهاي AC فركانس متغير (با تنظيم فركانس)
وقتي پمپ‎‎هاي گريز از مركز، فن‎‎ها و دمنده‎‎ها در سرعت ثابت كار مي‎‎كنند و خروجي با استفاده از والوها و مسدود‎‎كننده‎‎ها كنترل مي‎شود موتور صرفنظر از مقدار خروجي در نزديكي بار كامل كار مي‎‎كند كه باعث مي‎شود انرژي زيادي توسط اين مسدودكننده‎‎ها و والوها تلف شود. اگر اين تجهيزات بتوانند همواره در سرعت مورد نياز كار كنند مقدار زيادي انرژي صرفه‎‎جويي مي‎شود. درايوهاي تنظيم سرعت باعث مي‎شوند تجهيزات باتوجه به نياز سيستم در حالت بهينه عمل كنند.

كنترلرهاي AC تنظيم فركانس (فركانس متغيير) وسايل پيچيده‎‎اي بوده و گرانقيمت هستند. بااين‎‎حال مي‎‎توانند به‎‎‎راحتي به‎ موتورهاي القايي AC استاندارد اضافه شوند. با هزينه تجهيزات كمتر و هزينه‎‎هاي الكتريكي بيشتر (با كاهش هزينه تجهيزات و افزايش هزينه‎‎هاي الكتريكي) كاربرد اين وسايل در اغلب موارد اقتصادي مي‎شود. بسياري از انواع پمپ‎‎ها، فن‎‎ها، ميكسچرها، نقاله‎‎ها، خشك‎‎كننده‎‎ها، خردكننده‎‎ها (سنگ‎‎شكن‎‎ها) آسياب‎‎ها، صافي‎‎ها و برخي انواع كمپرسورها، دمنده‎‎ها و همزن‎‎ها در سرعت‎‎هاي مختلف با وسايل تنظيم سرعت كار مي‎‎كنند.

تجهيزات مجهز به‎ تنظيم سرعت كمتراز نصف تجهيزات مجهز به‎ مسدودكننده انرژي مصرف مي‎‎كنند.
در عمل بايد براي محاسبه دقيق صرفه‎‎جويي حاصل براساس كيلووات بازده موتور هم درنظر گرفته شود. بازده موتور تا زير۵۰درصد ظرفيت نامي افت مي‎‎كند.

۲-۴-درايوهاي DC حالت جامد (نيمه‎‎هادي)
مي‎‎توان با تنظيم سرعت با استفاده از درايوهاي DC صرفه‎‎جويي‎‎هاي مشابهي را انجام داد. هزينه اوليه نسبت‎‎به‎ درايوهاي AC تنظيم فركانس بيشتر است به‎‎‎خصوص وقتي مستقيماً بتوان از كنترلرهاي الكتريكي در موتور ACاستفاده كرد. تعمير و نگهداري كموتاتور و زغال نيز هزينه زيادي در درايوهاي DC دربردارد. همچنين سيستم‎‎هاي DC نسبت‎‎به‎ هواي خورنده و كثيف (مملو ازذرات) كه در يك محيط صنعتي معمول است حساس‎‎ترند.

بنابراين درايوهاي AC معمولاً ترجيح داده مي‎شوند مگر در مواردي كه شرايط عملياتي برخي از مشخصه‎‎هاي سيستم‎‎هاي DC از قبيل تنظيم سرعت خيلي دقيق، معكوس كردن سريع جهت، يا گشتاور ثابت در رنج سرعت نامي مورد نياز باشد.از اين درايوها در ماشين‎‎هاي حديده ((drawing machins، پوشش‎‎دهنده‎‎ها (لعاب‎‎دهنده‎‎ها coaters) ماشين‎‎هاي تورق (laminators)، دستگاه‎‎هاي سيم‎‎پيچي (winders) و ساير تجهيزات استفاده مي‎شود.

ساير تكنيك‎‎هاي تغيير سرعت موتور عبارت است از درايوهاي لغزش (slip) الكترومكانيكي، درايوهاي سيال. و موتورهاي القايي (موتورهاي با روتور سيم‎‎پيچي‎‎شده). اين درايوها با تغيير درجه لغزش بين درايو و عنصر درحال حركت سرعت را كنترل مي‎‎كنند. چون قسمتي از انرژي مكانيكي كه تبديل به‎ بار نمي‎‎شود به‎ حرارت تبديل مي‎گردد اين درايوها داراي بازده كمي بوده و معمولاً به‎‎‎خاطر مشخصه‎‎هاي خود در كاربردهاي خاصي به‎‎‎كار برده مي‎‎شوند. مثلاً ممكن است از درايوهاي سيال در سنگ‎‎شكن‎‎ها (خردكننده‎‎ها) استفاده شوند چون داراي ظرفيت توان بالا، انتقال گشتاور آسان، توانايي مقاومت دربرابر بارهاي شوك، قابليت مقاومت در سيكل‎‎هاي سكون (ازكارافتادگي)، ماهيت ايمني آن و قابليت تحمل هواي ساينده را دارند.

چون درايوهاي AC وDC سرعت چرخنده اصلي را تغيير مي‎‎دهند براي صرفه‎‎جويي در انرژي ترجيح داده مي‎‎شوند.

۳-۴-درايوهاي مكانيكي
درايوهاي تنظيم سرعت مكانيكي ساده‎‎ترين و ارزانترين وسايل تغيير سرعت هستند. اين نوع چرخ‎‎هاي قابل تنظيم مي‎‎توانند در امتداد محور باز و بسته شوند و درنتيجه ميزان تماس چرخ را با تسمه تنظيم كنند. 
مزيت عمده درايوهاي مكانيكي سادگي آنها ، سهولت تعمير و نگهداري و هزينه پايين آنها است. يك سرويس تعمير و نگهداري درحد متوسط و كنترل سرعت با دقت كم (معمولاً ۵درصد) از خصوصيات اين درايوها است.

درايوهاي تسمه‎‎اي براي گشتاورهاي كم تا متوسط (۱۰۰اسب‎‎بخار) در دسترس هستند. بازده درايوهاي تسمه‎‎اي ۹۵ درصد است و نسبت كاهش سرعت تا ۱۰به‎ ۱ مي‎‎رسد.
از درايوهاي زنجيري فلزي در گشتاور زياد استفاده مي‎شود. اين درايوها مشابه درايوهاي تسمه‎‎اي هستند فقط به‎‎‎جاي تسمه‎‎هاي لاستيكي از تسمه‎‎هاي فلزي استفاده شده است.

۴-۴-كاهش يك سرعته
وقتي فقط با يك كاهش سرعت به‎ نتيجه رضايت‎‎بخش برسيم گزينه ارزانتري را مي‎‎توانيم انتخاب كنيم. اگرچه سرعت‎‎هاي متغيير اين مزيت را دارند كه در وضعيت‎‎هاي مختلف مي‎‎توان سرعت بهينه را به‎‎‎كار برد، در مواقعي كه رنج تغيير سرعت محدود است و زماني كه موتور بايد در سرعت پايين‎‎تري كار كند نسبت ‎‎به‎ زمان كل كار موتور كم است احتمالاً يك كاهنده تك‎‎سرعته ازنظر هزينه و اثربخشي به‎‎‎صرفه‎‎تر است.

درايوهاي تسمه‎‎اي: در اين درايوها يك (يك‎‎بار) كاهش سرعت با كمترين هزينه همراه است چون به‎‎‎راحتي مي‎‎توان چرخ‎‎ها را عوض كرد. ازآنجاكه با نصب دوباره چرخ‎‎هاي قديمي براحتي مي‎‎توان تغييرات را بازگرداند از اين روش وقتي استفاده مي‎شود كه كاهش خروجي براي يك دوره معين موردنياز است. مثلاً وقتي سطح توليد براي يك زمان نامشخص كاهش يافته ولي ممكن است در آينده نياز باشد كه به‎ ظرفيت اوليه برگرديم.
كاهش دور توسط چرخ‎‎دنده: حالت‎‎هاي مشابه‎‎اي را توسط تغيير چرخ‎‎دنده مي‎‎توان به‎‎‎كار برد.

تعويض موتور: درمواردي كه يك بار كاهش سرعت موردنياز است يك موتور با سرعت كم‎‎تر را نيز مي‎‎توان جايگزين‎‎نمود.

۵-۴-موتورهاي دوسرعته
موتور دوسرعته يك راه‎‎حل اقتصادي ميانه درمقايسه با استفاده از‎ درايوهاي چندسرعته و سرعت ثابت است.
همانطوركه در مثال‎‎هاي قبلي بيان شد چون توان مصرفي با مكعب (توان سوم) سرعت متناسب است، صرفه‎‎جويي در انرژي اهميت زيادي دارد. درعمل يك افزايش جزئي به‎‎‎خاطر تلفات اصطكاك رخ مي‎‎دهد. از اين روش و استفاده از روش‎‎هاي كنترلي ديگر مي‎‎توان خروجي را در يك رنج محدود كنترل كرد. 
دوسرعت را مي‎‎توان از يك سيم‎‎پيچ به‎‎‎دست آورد ولي سرعت پاييني بايد نصف سرعت بالايي باشد. مثلاً سرعت‎‎هاي موتور به‎ اين شكل است ۹۰۰/۱۸۰۰ ، ۶۰۰/۱۲۰۰ ، ۱۸۰۰/۳۶۰۰

وقتي به نسبت‎‎هاي ديگري از سرعت نياز است استفاده از يك استاتور دو سيم‎‎پيچه ضروري است. از موتورهاي قفسي چندسرعته (multispeed squirrel cage motors) نيز كه داراي سه يا چهار سرعت همزمان هستند مي‎‎توان استفاده نمود. 
قيمت موتورهاي دوسرعته تقريباً دو برابر موتورهاي تك‎‎سرعته است. اگر يك موتور بتواند در دوره‎‎هاي زماني محسوسي با سرعت كم‎‎تر كار كند صرفه‎‎جويي حاصله سرمايه‎‎گذاري اضافي را توجيه مي‎‎كند. در موتورهاي چندسرعته استارترهاي گرانقيمتي موردنياز است چون اندازه محافظ‎‎هاي اضافه‎‎بار در سرعت‎‎هاي مختلف متفاوت است.

۵-كاهش بار
مسلماً كاهش بار موتور يكي از بهترين روش‎‎هاي كاهش هزينه‎‎هاي الكتريكي است. تعمير و نگهداري مناسب تجهيزات نيز مي‎‎تواند با ازبين بردن تلفات ناشي از اصطكاك در تجهيزات ناميزان (غير هم‎‎محور)، ياتاقان‎‎هاي سخت‎‎شده و نقاله‎‎ها، بار موتور را كاهش دهد. روغن‎‎كاري مناسب قسمت‎‎هاي متحرك مانند ياتاقان‎‎ها و زنجيرها تلفات ناشي از اصطكاك را به‎ حداقل مي‎‎رساند. جايگزيني ياتاقان‎‎هاي غلطكي و بلبرينگ‎‎ها با ياتاقان‎‎هاي تخت به‎‎‎خصوص در شافت‎‎هاي انتقال نيز روش مؤثري است.

۶- گشتاور راه‎‎اندازي زياد
در بارهايي كه گشتاور استارت بزرگي نياز دارند بايد از يك موتورB -NEMA (رايج‎‎ترين موتور مورد استفاده در صنعت) يا موتورA -NEMA استفاده كرد. درجايي‎‎كه بارهاي با اينرسي زياد وجود دارد مي‎‎توان از موتورهاي كوچكتري كه به‎‎‎گونه‎‎اي طراحي شده‎‎اند كه قابليت گشتاور زياد را دارند استفاده كرد. يك موتور NEMA-B مي‎‎تواند ازعهده بار زياد استارت برآيد ولي وقتي بار به‎ سرعت نهايي رسيد موتور در كمتراز ظرفيت نامي كار مي‎‎كند. ولي انتخاب يك موتور كوجكتر از از نوع C-NEMA يا NEMA-D ضمن اينكه همان گشتاور راه‎‎انداز را توليد كرده ، در شرايط معمول عملياتي نيز نزديك بار كامل نامي كار مي‎‎كند.

۷- موتورهايي كه مجدداً پيچيده مي‎‎شوند (موتورهاي سوخته‎‎اي كه سيم‎‎پيچي آنها عوض مي‎شود)
بازده موتورهايي كه براي بار دوم پيچيده مي‎‎شوند كاهش مي‎‎يابد كه البته مقدار اين كاهش بستگي به‎ كارگاهي دارد كه موتور در آن پيچيده شده‎‎است، چون كارگاه‎‎هاي سيم‎‎پيچي لزوماً از بهترين روشي كه عملكرد اوليه موتور را حفظ كند استفاده نمي‎‎كنند. در برخي موا�