محاسبه توان مورد نیاز برق سه فاز خورشیدی برای موتورهای صنعتی سنگین

در صنایع سنگین، موتورهای الکتریکی سه‌فاز نقش حیاتی در اجرای فرآیندهای تولید، انتقال، پمپاژ، خردایش، میکس و حمل مواد دارند. معمولاً مصرف توان مورد نیاز موتورهای صنعتی بالا است و هرگونه نوسان، افت ولتاژ یا قطعی برق می‌تواند روند تولید را مختل کرده و حتی به سوختگی سیم‌پیچ یا آسیب به تجهیزات گران‌قیمت منجر شود.
به همین دلیل، استفاده از سیستم خورشیدی سه‌فاز به‌عنوان یک منبع انرژی پایدار و بدون وقفه، به گزینه‌ای ایده‌آل برای کارخانه‌ها، کارگاه‌های صنعتی و معادن تبدیل شده است. اما مهم‌ترین سؤال این است که:

«چگونه توان مورد نیاز برق خورشیدی را برای موتورهای سه‌فاز صنعتی سنگین محاسبه کنیم؟»

در این مقاله، با رویکرد کاملاً تخصصی و گام‌به‌گام، فرمول‌ها، عوامل مؤثر، ضرایب مهم، استانداردهای طراحی و نکات کلیدی انتخاب توان سیستم خورشیدی برای بارهای سنگین را بررسی می‌کنیم.

۱. چرا محاسبه توان موتورهای سه‌فاز در سیستم خورشیدی اهمیت دارد؟

برخلاف بارهای سبک مانند روشنایی یا تجهیزات اداری، موتورهای سه‌فازی صنعتی دارای ویژگی‌هایی خاص هستند:

● جریان راه‌اندازی بسیار بالا (Inrush Current)

موتورهای صنعتی معمولاً هنگام استارت، ۵ تا ۸ برابر جریان نامی مصرف می‌کنند. در سیستم خورشیدی، اگر ظرفیت اینورتر و باتری در نظر گرفته نشود، موتور روشن نمی‌شود.

● نیاز به ولتاژ و فرکانس پایدار

برق خورشیدی بدون طراحی دقیق ممکن است نوسان داشته باشد. موتورهای سنگین تحت نوسان، سریع داغ کرده و آسیب می‌بینند.

● گشتاور اولیه سنگین

بارهای مکانیکی مانند پمپ‌های چاه عمیق، الواتورها، سنگ‌شکن‎ها و اکسترودرها نیازمند گشتاور اولیه بالا هستند. بنابراین توان سیستم خورشیدی باید دقیق طراحی شود.

● زمان کارکرد طولانی‌مدت

موتورهای صنعتی اغلب ۸ تا ۳۲ ساعت روزانه تحت بار قرار دارند. پس باید انرژی روزانه و ظرفیت ذخیره‌سازی به‌دقت محاسبه شود.

به همین دلیل، طراحی سیستم خورشیدی برای بارهای سنگین کاملاً متفاوت از طراحی برای مصارف معمولی است.

۲. فرمول پایه محاسبه توان موتور سه‌فاز

برای محاسبه توان مورد نیاز هر موتور، از فرمول زیر استفاده می‌کنیم:

P(kW)=3×V×I×PF/1000P(kW) = \sqrt{3} \times V \times I \times PF / 1000P(kW)=3​×V×I×PF/1000

که در آن:

• $V$ = ولتاژ سه‌فاز (معمولاً ۴۰۰ ولت)

• $I$ = جریان نامی موتور

• $PF$ = ضریب توان (۰.۷۵ تا ۰.۹۵)

• 3\sqrt{3}3​ = عدد ۱.۷۳ که مربوط به سیستم سه‌فاز است

نکته: توان محاسبه‌شده، توان نامی موتور است، نه توان لازم برای موتور در زمان استارت.

۳. محاسبه جریان راه‌اندازی (Starting Current)

جریان استارت معمولاً:

Istart=5 to 8×InominalI_{start} = 5 ~{\rm to}~ 8 \times I_{nominal}Istart​=5 to 8×Inominal​

مثلاً اگر جریان نامی موتوری ۵۰ آمپر باشد:

Istart=250 to 400 AI_{start} = 250 ~{\rm to}~ 400 ~AIstart​=250 to 400 A

بنابراین اینورتر خورشیدی باید توان تحمل پیک لحظه‌ای ۵ تا ۸ برابر جریان نامی را داشته باشد.
اگر اینورتر ضعیف باشد، موتور:

• روشن نمی‌شود

• صدای ویز می‌دهد

• یا بدتر از آن، به سیم‌پیچ آسیب می‌رسد

۴. محاسبه توان مورد نیاز اینورتر سه‌فاز

فرمول انتخاب اینورتر:

Pinverter=1.5×Pmotor(kW)P_{inverter} = 1.5 \times P_{motor(kW)}Pinverter​=1.5×Pmotor(kW)​

به‌طور استاندارد، اینورتر باید ۳۰ تا ۵۰ درصد بزرگ‌تر از توان واقعی موتور باشد.

مثال: موتور ۳۰ کیلووات → اینورتر ۴۵ کیلووات لازم دارد.

برای بارهایی با استارت سنگین مانند پمپ چاه عمیق یا سنگ‌شکن:
این ضریب حتی به ۲.۵ نیز می‌رسد.

۵. محاسبه توان پنل‌های خورشیدی

برای تأمین توان موتور سه‌فاز، ابتدا مقدار انرژی مصرفی در ساعت را محاسبه می‌کنیم:

$$Energy(h)=P(kW)\times t(h)$$

سپس توان مورد نیاز پنل‌ها با احتساب اتلاف‌ها:

PPV=EnergyHsun×0.75P_{PV} = {Energy}{H_{sun} \times 0.75}PPV​=Hsun​×0.75Energy​

که:

• HsunH_{sun}Hsun​ = ساعت تابش مؤثر خورشید (۴ تا ۶ در ایران)

• ضریب ۰.۷۵ = تلفات پنل، کابل، MPPT و اینورتر

۶. محاسبه ظرفیت باتری برای بارهای سنگین

در سیستم‌های خورشیدی صنعتی سه‌فاز، باتری نقش اساسی دارد، زیرا موتور باید در لحظه با جریان کافی تغذیه شود.

فرمول ذخیره انرژی:

$$Battery(Wh)=P(kW)\times Hours\times Backup$$

نکات کلیدی:

• برای موتورهای سنگین، باتری باید نرخ دشارژ بالا (High Discharge) داشته باشد.

• بهتر است از لیتیوم صنعتی یا باتری OPzV استفاده شود.

• عمق دشارژ (DOD) معمولاً ۷۰ تا ۸۰ درصد در نظر گرفته می‌شود.

۷. مثال واقعی محاسبات برای یک موتور ۳۰ کیلووات

۱. مشخصات موتور

• توان: ۳۰ kW

• جریان نامی: ۵۵ A

• ضریب توان: 0.85

• مدت کارکرد: ۸ ساعت

۲. محاسبه توان واقعی

Preal=1.73×400×55×0.85/1000=32.3kWP_{real} = 1.73 \400 \ 55 \ 0.85 / 1000 = 32.3 kWPreal​=1.73×400×55×0.85/1000=32.3kW

۳. انتخاب اینورتر

Pinv=32.3×1.5=48.5kWP_{inv} = 32.3 \ 1.5 = 48.5 kWPinv​=32.3×1.5=48.5kW

پس اینورتر ۵۰ کیلووات سه‌فاز صنعتی نیاز است.

۴. محاسبه توان پنل‌ها

$$Energy=32.3\times 8=258.4kWh$$

اگر منطقه ۵ ساعت تابش مفید داشته باشد:

PPV=258.45×0.75=68.9kWP_{PV} = {258.4}{5 \0.75} = 68.9 kWPPV​=5×0.75258.4​=68.9kW

→ پس باید ۷۰ کیلووات پنل خورشیدی نصب شود.

۵. محاسبه باتری

$$Battery=32.3\times 8=258.4kWh$$

با در نظر گرفتن ۷۰٪ عمق دشارژ:

$$Capacity=258.4/0.7=369kWh$$

→ پس باید ۳۷۰ کیلووات ساعت باتری صنعتی تهیه شود.

۸. عوامل مؤثر در افزایش یا کاهش ظرفیت سیستم خورشیدی

۱. نوع بار مکانیکی

بارهای سنگین شامل:

• سنگ‌شکن‌ها

• پمپ‌های شناور چاه عمیق

• اکسترودرها

• نوار نقاله‌های طولانی

• میکسرهای صنعتی

برای این‌ها توان بیشتری نیاز است.

2. روش راه‌اندازی موتور

• DOL (مستقیم) → بیشترین جریان راه‌اندازی

• Soft Starter → کاهش جریان تا ۴۰٪

• اینورتر صنعتی (VFD) → بهترین حالت برای خورشیدی

3. دمای محیط

در دماهای بالا راندمان پنل کاهش پیدا می‌کند؛ بنابراین باید کمی ظرفیت اضافه کرد.

4. نوع پنل

پنل‌های مونوپرک راندمان بیشتری دارند.

۹. انتخاب بهترین اینورتر برای موتورهای سنگین

ویژگی‌های ضروری:

• خروجی سینوسی خالص

• توان پیک بالا

• THD کمتر از ۳٪

• قابلیت تحمل Inrush

• حفاظت در برابر Overload

• قابلیت سنکرون با شبکه یا ژنراتور

اینورترهای چینی ضعیف معمولاً مناسب موتورهای سنگین نیستند؛ زیرا جریان استارت را نمی‌توانند تأمین کنند.

۱۰. توصیه‌های مهم طراحی برای بارهای سه‌فاز صنعتی

• استفاده از تابلو برق تخصصی با بالانس فاز

• کابل‌کشی مطابق استاندارد IEC

• طراحی دقیق SPD و ارتینگ

• پیش‌بینی فضای کافی برای تهویه باتری

• استفاده از VFD برای جایگزین کردن استارت DOL

• انتخاب پنل اضافی بین ۱۰ تا ۳۰ درصد ظرفیت

جمع‌بندی نهایی

برای محاسبه توان مورد نیاز سیستم خورشیدی سه‌فاز که قرار است توان مورد نیاز موتورهای صنعتی را تامیین کند، باید چند عامل کلیدی را در نظر گرفت:

1. توان نامی موتور

2. جریان راه‌اندازی (۵ تا ۸ برابر)

3. توان اینورتر با ضریب ایمنی ۳۰–۵۰٪

4. محاسبه انرژی روزانه

5. ظرفیت پنل با توجه به تابش منطقه

6. ظرفیت باتری با درنظرگرفتن عمق دشارژ

7. نوع بار و روش راه‌اندازی

سیستم خورشیدی صنعتی زمانی موفق و پایدار خواهد بود که طراحی آن بر اساس محاسبات دقیق مهندسی انجام شده باشد. هرگونه خطای کوچک در برآورد توان، می‌تواند موجب عدم روشن شدن موتور، آسیب به تجهیزات و کاهش طول عمر سیستم شود.

بنابراین، نصب چنین سیستمی باید زیر نظر متخصصین برق صنعتی و مهندسین نیروگاه خورشیدی انجام گیرد.
در نهایت، اگر طراحی اصولی انجام شود، سیستم خورشیدی سه‌فاز می‌تواند بهترین و به‌صرفه‌ترین منبع توان مورد نیاز موتورهای صنعتی سنگین باشد و برق پایدار و بدون وقفه را تضمین کند.