کنترل کننده های دور موتور(VFD) یا اینورتر ها چگونه عمل می کنند؟

کنترل کننده های دور موتور(VFD) یا اینورتر ها چگونه عمل می کنند؟

مقدمه

با توجه به کاربرد فراوان درایو (اینورتر) در صنعت افرادی که با این وسیله سروکار دارند می بایست با نحوه عملکرد آن نیز آشنا باشند.

در این مقاله سعی شده است چگونگی نحوه کار یک درایو فرکانس متغیر به صورت کلی بیان شود، بنابرین برای یادگیری آن تا انتها با ما همراه باشید.

VFD چیست؟

VFD یا درایو فرکانس متغیر یک دستگاه الکترونیکی است که برای کنترل موتور القایی AC یا موتور سنکرون استفاده می شود. یک VFD گشتاور، سرعت و جهت موتور را کنترل می‌کند و به آرامی موتور را راه‌اندازی می‌کند و با شتاب کنترل‌شده به سرعت مورد نظر می‌رساند. کاهش سرعت نیز کنترل می شود و ترمز به عنوان یک آپشن در دسترس است.

مزایای استفاده از درایو

استفاده از درایو فرکانس متغیر (VFD) می تواند در هزینه و مصرف انرژی صرفه جویی کند. VFD ها همچنین می توانند فرآیندها را تحکیم بخشند، تعمیر و نگهداری را کاهش دهند، تولید را افزایش دهند و عمر تجهیزات شما را افزایش دهند.

در صورت انتخاب، نصب و تنظیم صحیح پارامترها، درایوها مزایای زیادی برای سیستم خواهند داشت که از آن جمله موارد زیر را می‌توان نام برد:

1. درایو موتورهای القایی براساس موتور و پارامترهای موتور و روابط اساسی موتورها طراحی و ساخته شده اند پس با استفاده از درایو، موتور کارکرد کاملتر، پایدارتر و محافظت شده‌تری خواهد داشت.
2. وقتی از درایو استفاده می‌کنیم دیگر به ادوات و مدارات قدرت مثل مدارات کنتاکتوری چپ‌گرد و راستگرد، ستاره ‌ مثلث و مدارات تایمر دار نیازی نیست.
3. با توجه به تنظیم نحوه حرکت و شتابگیری و ساختار مکانیکی موتور، بسیاری از تنش‌ها و ضربات از بین می‌رود که باعث طول عمر بیشتر سیستم خواهد شد.
4. پس از استفاده از درایو بانک خازنی و توابع PFC درایو (درصورت وجود) فعال شده در نتیجه به تابلو بانک خازنی خارجی نیاز نخواهد بود.
5. با استفاده از درایو بسیاری از حفاظت‌های مورد نیاز موتور تامین می‌شود لذا موتور در برابر حوادث مقاوم‌تر خواهد بود، طول عمر سیستم بهبود خواهد یافت و نیازی به استفاده از رله‌های تخصصی موتور  نخواهد بود.
6. در بسیاری از کاربردها نیاز به سرعت متغیر داریم که با استفاده از درایو این امر به راحتی و با دقت بالا محقق می‌شود اما برای پیاده سازی سرعت متغیر توسط سیستم‌های مکانیکی به گیربکس، کلاچ و … نیاز است و درنهایت نیز کنترل کاملی بر روی سرعت نخواهیم داشت و تلفات و هزینه سیستم بالارفته و بازده نیز کاهش می‌یابد.
7. اکثر گیربکس‌های موجود در بازار به‌صورت پله‌ایی هستند و به‌صورت گسسته سرعت را تغییر می‌دهند که باعث ایجاد ریپل و ضربه به موتور شده و پس از مدتی به موتور آسیب می‌زنند و گیربکس‌های مکانیکی ضریب پیوسته نیز هزینه بالایی دارند و معمولا به سیستم‌های کنترلی نیاز دارند ولی با استفاده از درایو به آسانی می‌توان به‌صورت دور پیوسته سرعت را کنترل کرد.
8. در برخی از کاربردها مثل پمپ و فن نیاز دائمی به سرعت نامی نیست و با استفاده از درایو می‌توان حداکثر سرعت سیستم را به صورت دائم کار بر روی سرعتی کمتر از سرعت نامی محدود کرد. در بارهایی با رفتار نمایی و خطی کاهش سرعت منجر به کاهش نمایی یا خطی مصرف انرژی می‌شود.
9. با استفاده از درایو با قابلیت کنترل برداری می‌توان گشتاور خروجی را دقیقا کنترل نمود و حتی گشتاورهای نوسانی برای برخی از کاربردها ایجاد کرد ولی پیاده‌سازی این کار با مدارات فرمان امکان‌پذیر نیست؛ با سیستم‌های مکانیکی نیز انجام این موارد بسیار پرهزینه است.
10. با استفاده از درایو در حالت کنترل حلقه بسته با استفاده از انواع انکودر می‌توان سرعت و موقعیت محور روتور را با دقت بسیار بالایی کنترل نمود.
11. با استفاده از توابع اتوتیون در حالات آفلاین و آنلاین، بسیاری از پارامترهای موتور توسط درایو مستقیما اندازه‌گیری شده و یا محاسبه و تخمین زده می‌شوند که این موضوع منجر به افزایش دقت الگوریتم کنترلی و بهبود مصرف توان موتور خواهد شد.
12. با استفاده از درایو بسیاری از آپشن‌ها مثل سنکرون‌سازی سرعت، موقعیت و گشتاور چند موتور قابل انجام است.
13. با استفاده از درایو قابلیت اطمینان، دقت، کیفیت و طول عمر بسیاری از تجهیزات مثل نوارنقاله‌ها، زنجیرها، جرثقیل‌ها، پمپ‌ها، فن‌ها، اکسترودرها و… افزایش چشم‌گیری می‌یابد.
14. با استفاده از درایو بستری هوشمند برای پیاده‌سازی اتوماسیون صنعتی و خانگی و IOT فراهم می‌شود که در این بستر الکترونیکی هوشمند بسیاری از قابلیت‌ها از قبیل انواع شبکه‌ها، انواع سیستم‌های کنترل مثل PID Controller، انواع مانیتورینگ، انواع کنترل و نظارت از راه دور، انواع روش‌های دریافت اطلاعات از طریق سنسورها و سایر تجهیزات و… به وجود می‌آیند.

کار با درایو چندان پیچیده نیست اما تنظیم اشتباه پارامترها ممکن است بسیاری از مشکلات مختلف را به‌وجود آورد و مزایای استفاده از درایو را تحت شعاع قرار دهد لذا همواره پیشنهاد می‌شود نصب و تنظیم درایو موتورهای الکتریکی توسط افراد ماهر انجام شود.

سیستم درایو(VFD) از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟

• یک موتور AC:

اغلب یک موتور القایی سه فاز، اما گاهی اوقات یک موتور تک فاز یا سنکرون.

• یک درایو(اینورتر):

با استفاده از یک سیستم تبدیل الکترونیک قدرت حالت جامد شامل مبدل پل یکسو کننده، یک لینک DC یا فیلتر، و یک بخش سوئیچینگ یا اینورتر.

• یک رابط مانیتورینگ و کنترل:

فراهم کردن پورتکلی برای اپراتور یا PLC به منظور راه اندازی و توقف موتور، تنظیم سرعت، تغییر جهت و غیره. این رابط همچنین اطلاعاتی در مورد عملکرد موتور، سلامت درایو و غیره ارائه می دهد. ارتباط با یک PLC ممکن است از طریق تعدادی از پروتکل های ارتباطی سریال انجام شود یا ممکن است از طریق ورودی ها و خروجی های رله “Old School” همراه با سیگنال های آنالوگ4-20 mA  یا 0-10 V باشد.

نحوه عملکرد درایو (اینورتر) از دیدگاه سخت افزاری

به طور کلی می‌توان گفت یک درایو فرکانس متغیر از سه بخش اصلی یعنی، یکسوکننده، فیلتر و اینورتر تشکیل شده است به این صورت که ولتاژ و فرکانس AC ثابت را به یک پل یکسوکننده برای تبدیل ولتاژ به DC می‌برد، از بانک خازن و سلف‌ها برای فیلتر کردن DC استفاده می‌کند، سپس ولتاژ DC را به AC برمی‌گرداند و آن را در فرکانس مورد نظر به موتور می‌فرستد.

دیاگرام اصول کار VFD ساده شده در زیر نشان داده شده است. سه بخش اصلی  به شرح زیر است:

همانگونه که گفته شد، درایو از سه بخش تشکیل شده است، در اینجا به بررسی عملکرد آنها می‌پردازیم:

1. یکسوکننده یا یکسوساز (Rectifier)

مدار یکسوساز استفاده شده در درایوها معمولا یکسوساز پل تمام موج کنترل نشده‌است که با توجه به تکفاز یا سه‌فاز بودن ورودی درایو تعداد دیودها (تریستورها) به ترتیب چهار یا شش دیود می‌باشد که به طور هوشمندانه چیده شده اند تا ولتاژ منبع تغذیه AC را به ولتاژ تغذیه DC تبدیل کنند. سیگنال خروجی چنین مداری بدون توجه به قطبیت سیگنال AC ورودی همیشه از همان قطبیت برخوردار است.

لازم به ذکر است که درایوهایی نیز وجود دارد که از یکسوساز نیمه‌کنترل شده یا تمام کنترل شده بهره می‌برند اما گستردگی آنها نسبت به نمونه کنترل نشده بسیار کمتر است.

2. فیلتر لینک DC

در درجه اول، فیلتر لینک DC از یک بانک خازن بزرگ تشکیل شده است. اغلب از سلف و خازن استفاده می شود. سلف هنگام استفاده، به بافر بانک خازن از خط AC کمک می کند و به کاهش هارمونیک های مرتبه بالاتر کمک می کند.

3. اینورتر

بخش اینورتر یا سوئیچینگ که از ترانزیستورهای قدرت یا IGBT تشکیل شده است، ولتاژ DC ثابت را با به AC متناوب با فرکانس قابل تنظیم تبدیل می کند. آنها به سرعت سوئیچ می کنند تا ولتاژ متناوب را در خروجی فراهم کنند. فرکانس سوئیچینگ آن فرکانس AC خروجی را تعیین می کند. در حالی که نرخ سوئیچینگ IGBT ها از طریق واحد کنترل کنترل می شود. 6 عدد IGBT در درایوها برای تبدیل برق سه فاز استفاده می شود.

نحوه عملکرد درایو (اینورتر) از دیدگاه نرم‌افزاری

• یک ریزپردازنده یا پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) با PLC و کاربر (از طریق HMI یا صفحه کلید) ارتباط برقرار می کند، بر عملکرد موتور نظارت می کند و عیوب را بررسی می کند.
• مدار کنترل سوئیچینگ کلیدهای قدرت را برای فعال کردن قطعات قدرت، با ترتیب درست هماهنگ می کند. سرعت موتور با تغییر ولتاژ و فرکانس ارائه شده توسط دستگاه های خروجی تغییر می کند.
• VFD های پایه با ثابت نگه داشتن نسبت ولت به فرکانس، گشتاور موتور را حفظ می کنند. واحدهای پیشرفته از الگوریتم‌های هوشمندتر و تطبیقی برای بهبود عملکرد موتور استفاده می‌کنند.

به طور خلاصه، یک VFD، ولتاژ و فرکانس را به ولتاژ و فرکانس دیگری تبدیل می کند تا سرعت موتور را بدون از دست دادن گشتاور تغییر دهد.

سخن پایانی :

در این مقاله تلاش کردیم به صورت خلاصه نحوه کارکرد یک درایو فرکانس متغیر (VFD) را برای شما بیان کنیم. هر کدام از قسمت هایی که به توضیح آن پرداخته شد می تواند یک مقاله مجزا باشد. بنابراین به افرادی که نیاز دارند تا نحوه عملکرد هر کدام از این بخش ها را به طور کامل یاد بگیرند (علی الخصوص تعمیرکاران گرامی) پیشنهاد می شود به سایر مقالات مرتبط با این محبث که در سایت موجود می باشد مراجعه کنند.