درایو فرکانس متغیر چگونه کار می‌کند؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: در این مقاله درباره ساختمان، نحوه کار و دلایل استفاده ار درایو فرکانس متغیر (VFD) اطلاعات مناسبی گردآوری و ارائه شده است.

 

درایو فرکانس متغیر یا Variable Frequency Drive که به صورت مخفف VFD نامیده می‌شود، نوعی کنترل کننده موتور است که با تغییر دادن فرکانس و ولتاژ اعمال شده به الکتروموتور آن را به گردش در می‌آورد. نام‌های دیگر VFD:درایو سرعت متغیر، درایو سرعت قابل تنظیم، درایو فرکانس قابل تنظیم، درایو AC، میکرودرایو و اینورتر هستند. فرکانس (یا هرتز) به طور مستقیم با سرعت موتور (RPM) مرتبط است. به عبارت دیگر، فرکانس بیشتر باعث گردش سریعتر موتور و افزایش RPM می‌شود. اگر یک کاربرد نیاز ندارد که موتور در سرعت کامل نامی خود کار کند، VFD را می‌توان جهت کاهش فرکانس و ولتاژ، برای تطبیق با نیازمندی‌های بار موتور الکتریکی مورد استفاده قرار داد. اگر کاربری سرعت مورد نیازش تغییر کند، VFD به آسانی با افزایش یا کاهش سرعت موتور می‌تواند موتور را با این نیاز تطبیق دهد.

درایو فرکانس متغیر چگونه کار می‌کند؟

اولین طبقه درایو AC فرکانس متغیر، یا VFD، کانورتر (مبدل) است. کانورتر شامل ۶ عدد دیود است؛ که شبیه شیر یک طرفه در سیستم‌های لوله کشی عمل می‌کنند. این دیود‌ها اجازه می‌دهند جریان فقط در یک جهت که با پیکان در نماد دیود مشخص شده است جاری شود. برای مثال، هنگامیکه ولتاژ فاز A. (ولتاژ مشابه با فشار در سیستم‌های لوله کشی است) مثبت‌تر از ولتاژ فاز‌های B. یا C. است آنگاه دیود آن باز شده و جریان برقرار می‌شود. هنگامیکه فاز B. مثبت‌تر از فاز A. شود سپس دیود فاز B. باز خواهد شد و فاز A. بسته می‌شود. این موضوع برای دیود‌هایی که در بخش منفی باس قرار دارند نیز برقرار و صادق است. بدینسان، ما با خاموش و روشن شدن هر دیود ۶ پالس جریان را داریم. این روش VFD شش پالس نامیده می‌شود، که ترکیب استاندارد برای درایو‌های فرکانس متغیر جریان است.

 

برای مثال فرض کنیم که درایو در یک سیستم قدرت ۴۸۰ V. کار می‌کند. ۴۸۰ V. ولتاژ موثر (rms) است. پیک ولتاژ در یک سیستم ۴۸۰ V. مقدار ۶۷۹ ولت است. همان طور که می‌بینید، باس dc درایو فرکانس متغیر دارای یک ولتاژ dc با ریپل AC است. ولتاژ تقریبا بین ۵۸۰ V. و ۶۸۰ V. نوسان می‌کند.

 

ما می‌توانیم با اضافه کردن یک خازن بر روی باس DC از ریپل AC خلاص شویم. یک خازن مانند یک مخزن یا انباره در سیستم لوله کشی عمل می‌کند. این خازن ریپل AC را جذب کرده و یک ولتاژ صاف تحویل می‌دهد. ریپل AC بر روی باس DC نوعا کمتر از ۳ ولت است. بنابراین، ولتاژ روی باس DC تقریبا ۶۵۰ VDC می‌شود. ولتاژ حقیقی بستگی به عواملی مانند سطح ولتاژ خط AC تغذیه کننده درایو، سطح عدم تعادل ولتاژ روی سیستم قدرت، بار موتور، امپدانس سیستم قدرت، و هر راکتور یا فیلتر هارمونیکی که بر روی درایو قرار گرفته اند. دارد. مبدل پل دیود که ولتاژ AC را به DC تبدیل می‌کند. بعضی اوقات تنها با عنوان کانورتر شناخته می‌شود. مبدلی که ولتاژ DC را به ولتاژ AC بر می‌گرداند نیز یک کانورتر است، اما برای تمایز دادن از مبدل دیودی، با عنوان اینورتر شناخته می‌شود. در صنایع متداول شده است که هر مبدلی که DC را به AC تبدیل می‌کند به عنوان اینورتر شناخته می‌شود.

 

 

توجه کنید که در یک VFD واقعی، سوئیچ‌های نشان داده شده در عمل ترانزیستور هستند. وقتی ما یکی از کلید‌های بالایی اینورتر را می‌بندیم. فازی از موتور که به آن متصل است به مثبت باس DC متصل می‌گردد و ولتاژ مثبت روی آن فاز می‌افتد؛ و هنگامی که یکی از کلید‌های پایینی را در اینورتر می‌بندیم. فاز به منفی باس dc متصل شده و ولتاژ آن منفی می‌شود. بدین سان، ما می‌توانیم هر فازی را که می‌خواهیم مثبت یا منفی کنیم و بدین تزتیب فرکانس مورد نظر خود را تولید نماییم. ما می‌توانیم هر فاز را مثبت، منفی یا صفر کنیم. 

 

موج سینوسی آبی رنگ تنها برای مقایسه نشان داده شده است. درایو در حالت واقعی این موج سینوسی را تولید نمی‌کند. توجه کنید که خروجی از VFD یک شکل موج مستطیل شکل است. VFD‌ها خروجی سینوسی تولید نمی‌کنند. این شکل موج مربعی انتخاب خوبی برای سیستم توزیع توان نیست، اما برای استفاده در موتور کاملا مناسب است. اگر ما بخواهیم فرکانس موتور را به ۳۰ Hz کاهش دهیم، آنگاه ما به راحتی خروجی اینورتر را خیلی آهسته‌تر سوئیچ زنی می‌کنیم. اما، اگر ما فرکانس را به ۳۰ Hz کاهش دهیم، آنگاه به منظور ثابت نگه داشتن نسبت V/Hz بایستی ولتاژ را به ۲۴۰ V. کاهش دهیم. (به تئوری درایو V/F ثابت مراجعه کنید). چگونه ما خواهیم توانست ولتاژ را کاهش دهیم در حالی که تنها ولتاژی که داریم ولتاژ باس ۶۵۰ VDC است؟ این کار مدولاسیون پهنای پالس نامیده می‌شود. تصور کنید که ما بتوانیم فشار آب مسیر را با باز و بسته کردن بسیار سریع شیر موجود، کنترل کنیم. ذر حالیکه انجام این کار در سیستم‌های لوله کشی عملی نخواهد بود، به خوبی در مورد VFD‌ها به کار گرفته می‌شود. توجه کنید در طی نیم سیکل اول، در نصف زمان‌های یک سیکل ولتاژ را در خروجی داریم و در نیم سیکل دیگر ولتاژی نداریم. از اینرو، متوسط ولتاژ خروجی ۲۴۰ V، معادل نصف ولتاژ باس تغذیه ۴۸۰ V. است. با کنترل پالس‌های خروجی، می‌توانیم هر ولتاژ متوسطی که بخواهیم بر روی خروجی VFD ایجاد کنیم.

چرا از یک VFD استفاده می‌کنیم؟

۱- مصرف انرژی را کاهش داده و در هزینه‌های انرژی صرفه جویی می‌کند. اگر شما یک کاربری دارید نیاز به کار در سرعت کامل ندارد، انگاه، شما می‌توانید هزینه‌های انرژی خود را با کنترل موتور توسط یک درایو فرکانس متغیر کاهش دهید. این یکی از مزایای درایو‌های فرکانس متغیر است. VFD‌ها به شما اجازه می‌دهند که سرعت تجهیزات گردان متصل به موتور را با توجه به نیازمندی بار منطبق کنید. روش دیگری برای این کار وجود ندارد. امروزه بیش از ۶۵ درصد توان مصرفی در شبکه مربوط به مصارف الکتروموتور‌ها است. بهینه سازی سیستم‌های کنترل موتور با نصب کردن و یا ارتقای VFD‌ها می‌تواند مصرف انرژی در تاسیسات شما را به میزان ۷۰ درصد کاهش دهد. علاوه بر این، استفاده از VFD‌ها کیفیت محصولات را افزایش داده و هزینه‌های تولید محصول را کاهش می‌دهد. ترکیب مشوق‌های مالیاتی مربوط به کاهش مصرف انرژی و تخفیف شرکت برق، می‌تواند باعث بازگشت سرمایه خیلی کوتاه مدت ۶ ماهه شود.

۲- تولید محصول را با کنترل دقیق‌تر افزایش می‌دهد. با کارکرد موتور‌ها در موثرترین سرعت برای کاربرد مورد نیاز شما، اشتباهات کمتری رخ داده و از اینرو، میزان تولید افزایش خواهد یافت، در نتیجه درآمد شرکت شما افزایش می‌یابد. با نصب بر روی کانوایر‌ها و تسمه‌ها ضربه راه اندازی حذف می‌گردد و پروسه انجام کار سریعتر می‌شود.

۳- عمر تجهیزات را افزایش داده و نیاز به تعمیرات و نگهداری را کاهش می‌دهد. در صورت استفاده از VFD عمر تجهیزات افزایش یافته و زمان خواب دستگاه برای تعمیرات و نگهداری کاهش می‌یابد. هنگامی که موتور‌ها با VFD کنترل می‌شوند سرعت بهینه موتور تامین می‌شود. چونکه VFD‌ها ولتاژ و فرکانس را بطور بهینه کنترل می‌کنند، VFD حفاظت بهتری از موتور در مواردی نظیر اضافه بار‌های حرارتی الکتریکی، حفاظت فاز، اضافه ولتاژ و یا کم بودن ولتاژ و ... انجام می‌دهند. در صورتی که موتور با استفاده از VFD راه اندازی گردد موتور یا بار گردان در معرض شوک لحظه‌ای راه اندازی مستقیم با ولتاژ خط قرار نخواهد گرفت؛ و به نرمی و خیلی آرام راه اندازی می‌شود و از اینرو فرسایش جعبه دنده و تسمه‌ها حذف می‌شود. همچنین یک روش بسیار مناسب برای کاهش ضربه قوچ (آن گونه که نامیده می‌شود) است. چون که می‌تواند سیکل‌های شتاب گیری و شتاب دهی خیلی نرم داشته باشد.

 

منبع: موتوردرایو