سیگنال کالا با توجه به نیاز موجود به اطلاعات دقیق و به روز در حوزه الکترونیک و همچنین در جهت گسترش دانش و امکان به کارگیری آن در این حوزه، اقدام به جمع‌آوری مقالات معتبری در این زمینه کرده است. مقالات مذکور،جهت سهولت دسترسی به اطلاعات دست اول و  افزایش نوآوری و سهولت در استفاده از ابزار الکترونیکی برای مخاطبان ، توسط سیگنال کالا ترجمه شده و در اختیار عموم قرار گرفته است.

در مقاله زیر که در مورد VFD است، موارد زیر مورد بررسی قرار گرفته اند:

• درایو فرکانس متغیر (VFD) و اصول عملیاتی VFDها چیست؟
• درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟
• عملیات VFDها
• یکسوساز
• باس DC
• اینورتر
• مدار کنترلی
• اپلیکیشن پیاده­سازی VFD
• کاربرد VFD
• مزایای VFD
• صرفه­ جویی در انرژی
• کنترل حلقه بسته
• محدودسازی جریان راه‌­اندازی
• عملیات روان
• ضریب توان بالا
• نصب راحت

درایو فرکانس متغیر (VFD) و اصول عملیاتی VFDها چیست؟

دانستن شیوه کار VFDها یا همان درایوهای فرکانس متغیر مهم است زیرا به خاطرگستره‌ای از مشخصات خود در کاربردهای مبتنی بر موتور AC همانند درایو فرکانس متغیر برای کنترل موتور به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند.

در مقایسه با درایوهای موتور معمولی، VFD کارایی و قابلیت عملیاتی بیش­تری دارد. علاوه بر کنترل سرعت تطبیقی، درایوهای فرکانس متغیر حفاظت‌­هایی از قبیل حفاظت ولتاژ فاز، حفاظت زیرولتاژ و حفاظت اضافه ولتاژ را ارائه می‌­دهند. نرم‌­افزار و گزینه‌­های رابط VFD این امکان را برای کاربر مهیا می‌­کند تا موتورها را در سطوح مورد نظر کنترل کند.

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟

سرعت موتور AC به دو صورت کنترل می‌­شود: با کنترل ولتاژ یا فرکانس. کنترل فرکانس به‌­خاطر چگالی شار ثابت در مقایسه با کنترل ولتاژ به کنترل بهتری منتهی می­‌شود. اینجاست که بهره­‌برداری از VFDها لازم است. این یک دستگاه مبدل توان است که ولتاژ ثابت، فرکانس ثابت، و فرکانس متغیر توان ورودی را به ولتاژ متغیر، و فرکانس متغیر خروجی برای کنترل موتورهای القایی AC تبدیل می­‌کند.

این درایو از دستگاه‌­های الکترونیک قدرت (همانند IGBT و ماسفت)، واحد کنترل مرکزی سرعت بالا (همانند یک ریزپردازنده، DSP) و دستگاه‌­های حس‌گر انتخابی بسته به کاربرد مورد استفاده بهره می‌­برد.

بسیاری از کاربردهای صنعتی مستلزم سرعت­‌های متغیر در شرایط بار اوج و سرعت­‌های ثابت در شرایط کار عادی است. عملیات حلقه بسته VFDها سرعت موتور را در سطح ثابت نگه می­‌دارد حتی اگر اغتشاشات ورودی و بار رخ دهد.

عملیات VFDها

دو ویژگی اساسی درایو فرکانس متغیر عبارتند از سرعت­‌های قابل تطبیق و قابلیت­‌های استارت/توقف نرم. این دو ویژگی باعث می‌­شوند تا VFD به کنترلر قدرتمندی برای کنترل موتورهای AC تبدیل شود. VFD اساساً از چهار بخش تشکیل می­شود: یکسوساز، لینک DC میانی، اینورتر و مدار کنترلی.

یکسوساز

اولین بخش از درایو فرکانس متغیر همین یکسوساز است. یکسوساز توان AC گرفته شده از شبکه برق را به توان DC تبدیل می­کند. در این بخش، یکسوساز می‌­تواند بسته به کاربرد مورد نظر همانند عملیات چهار-ربعی موتور تک جهتی یا دو جهتی باشد. یکسوساز از دیودها، SCRها، و سایر تجهیزات کلیدزنی الکترونیک قدرت بهره می‌­برد.

اگر یکسوساز از دیودها بهره ببرد، توان DC تبدیل شده در حین استفاده از SCR یک خروجی کنترل نشده است و توان خروجی DC توسط کنترل گیت تغییر داده می­‌شود. حداقل ۶ دیود برای مبدل سه فاز لازم است به همین دلیل واحد یکسوساز به عنوان مبدل شش پالسی در نظر گرفته می­‌شود.

باس DC:

توان DC حاصل از بخش یکسوساز به لینک DC داده می‌­شود. این بخش از خازن­‌ها و القاگرهایی تشکیل شده است تا ریپل­‌ها را تسطیح کرده و توان DC را ذخیره کرد. عملکرد اساسی لینک DC عبارتست از دریافت، ذخیره‌سازی و تحویل توان DC.

اینورتر:

این بخش از کلیدهای الکترونیکی همانند ترانزیستورها، تریستورها، IGBT و غیره تشکیل شده است. این بخش توان DC را از لینک DC دریافت کرده و آن را به توان AC تبدیل می­‌کند که در اختیار موتور قرار می­‌گیرد. این بخش از روش­های مدولاسیون همانند مدولاسیون پهنای پالس برای تغییر فرکانس خروجی در کنترل سرعت موتور القایی بهره می‌­برد.

مدار کنترلی:

این مدار از یک واحد ریزپردازنده تشکیل می­شود و عملکردهای مختلفی همانند کنترل، پیکربندی تنظیمات درایو، شرایط خطا، و پروتکل­های ارتباط رابطه­ای را انجام می­دهد. این مدار سیگنال فیدبک را از موتور به شکل مرجع سرعت جریان دریافت می­کند و سپس نسبت ولتاژ به فرکانس را برای کنترل سرعت موتور تنظیم می­کند.

اپلیکیشن پیاده­سازی VFD

می­‌توان VFD را توسط مدار ریزکنترلر پیاده‌­سازی کرد که در شکل زیر دیده می­‌شود. همانند VFD، این شکل هم از بخش یکسوساز، فیلترینگ، و سپس بخش اینورتر تشکیل می­‌شود. در اینجا، بخش اینورتر پالس­‌های آتش را از ریزکنترلر برنامه­‌ریزی شده دریافت می‌­کند تا ولتاژ و فرکانس متغیر را به بار تحویل دهد. این پروژه تحت عنوان مبدل تک‌فاز به سه فاز با استفاده از SVPWM شناخته می­‌شود که ولتاژ و فرکانس AC دو سر بار را کنترل می­‌کند.

کاربرد VFD

کاربرد VFD کنترل سرعت موتور ac توسط سیکلوکانورترهاست.

توان گرفته شده از شبکه برق وارد مدار یکسوساز می­شود که AC ثابت را به DC ثابت تبدیل می­‌کند. مبدل­های سه پایه از دو دیود متصل شده به­ صورت موازی برای هر فاز بهره می­‌برند به طوری که هرگاه یکی از فازها به طور چشمگیری مثبت یا منفی‌­تر باشد یکی از دیودها هدایت می‌­کند.

ولتاژ DC پالس‌­دار تولید شده در یکسوساز بر روی مدار لینک DC اعمال می‌­شود. این مدار میانی از القاگرها و خازن­‌ها تشکیل می­‌شود که DC پالس‌­دار را با کاهش مقدار ریپل فیلتر می­‌کند و سطح ثابتی به توان DC می‌­دهد.

برای تأمین ولتاژ متغیر و فرکانس متغیر در موتور، توان DC حاصل از لینک DC باید توسط اینورتر به AC متغیر تبدیل شود. اینورتر از IGBTها به عنوان دستگاه­های کلیدزنی تشکیل می­شود که توسط روش PWM کنترل می‌شود.

همانند مدار یکسوساز، کلیدهای اینورتر نیز به دو گروه مثبت و منفی تعلق دارند. IGBT سمت مثبت مسئول پالس مثبت و IGBT سمت منفی مسئول پالس منفی در خروجی اینورتر است. به همین دلیل، خروجی به دست آمده یک جریان متغیر است که بر روی موتور اعمال می­‌شود.

تغییر دوره تناوب کلیدزنی همزمان به کنترل ولتاژ و فرکانس در اینورتر می‌­پردازد. VFD پیشرفته از آخری تکنیک­‌های کنترلی همانند کنترل اسکالر، برداری و گشتواز مستقیم برای کنترل کلیدهای اینورتر در دستیابی به توان متغیر بهره می‌­برد.

شکل فوق نحوه‌­ی تغییر ولتاژ و فرکانس توسط درایو فرکانس متغیر را نشان می‌­دهد. به عنوان نمونه، منبع ولتاژ ۴۸۰ ولت AC و فرکانس ۶۰ هرتز بر روی یک VFD اعمال می­‌شود که به ولتاژ و فرکانس را برای داشتن کنترل سرعت تغییر می‌­دهد.

به ازای تغییر فرکانس، سرعت موتور نیز کاهش پیدا می‌کند. در شکل فوق، متوسط توان اعمالی به موتور در حال کاهش است در حالی‌که هم ولتاژ و هم فرکانس را کاهش می­‌دهد در عین حال نسبت این دو پارامتر ثابت باقی می‌ماند.

مزایای VFD

درایوهای فرکانس متغیر نه تنها سرعت­‌های قابل تطبیق را برای کاربردهای کنترلی دقیق ارائه می­‌دهند بلکه مزایای بیش­تری از نظر کنترل فرآیند و تبدیل انرژی دارند. برخی از این مزایا در زیر آورده شده است:

صرفه­‌جویی در انرژی

بیش از ۶۵٪ از توان مصرفی توسط موتورهای برقی در صنایع مصرف می­‌شود. هر دو روش کنترل دامنه و فرکانس هرگاه سرعت متغیر توسط موتور لازم باشد برای تغییر سرعت به توان کمی مصرف می­کنند. به همین دلیل، مقدار زیادی از انرژی توسط VFDها حفظ و صرفه‌­جویی می­‌شود.

کنترل حلقه بسته

VFD مکان­یابی دقیق سرعت موتور را با مقایسه همزمان سرعت مرجع در تغییرات شرایط بارگذاری و اغتشاشات ورودی همانند نوسانات ولتاژ میسر می­‌سازد.

محدودسازی جریان راه­اندازی

موتور القایی جریانی را می‌­کشد که ۶ تا ۸ برابر جریان عادی در زمان راه‌­اندازی است. در مقایسه با استارترهای معمولی، VFD نتایج بهتری می­‌دهد زیرا فرکانس پایینی را در زمان راه‌­اندازی به همراه دارد. به­‌خاطر فرکانس پائین، موتور جریان کمی می‌­کشد و این جریان هرگز فراتر از مقدار اسمی در راه‌­اندازی و عملیات نمی­‌رود.

عملیات روان

این درایو عملیات روانی را در راه‌­اندازی و توقف ارائه می­‌دهد و همچنین فشار حرارتی و مکانیکی بر روی موتورها و تسمه نقاله‌­ها را کاهش می­‌دهد.

ضریب توان بالا

مدار تصحیح ضریب توان تعبیه‌­ای در لینکDC در VFD نیاز به دستگاه‌­های تصحیح ضریب قدرت بیش­تر را مرتفع می­‌کند.

ضریب قدرت برای موتور القایی برای کاربردهای به­‌طور خاص بی‌­بار بسیار کم است در حالیکه در بار کامل برابر با ۰.۸۸ تا ۰.۹ است. ضریب قدرت پایین به مصرف کم توان منجر می‌­شود که اشی از تلفات بالای توان راکتیو است.

نصب راحت

VFDهای از قبل برنامه‌­ریزی و سیم‌­کشی شده در کارخانه روشی آسان برای اتصال و تعمیر و نگهداری ارائه می­‌دهند.

منبع:

https://www.elprocus.com/brief-explaination-about-working-of-vfds/