امروزه گسترش روز افزون صنعت منجر به استفاده از طیف گسترده و متنوعی از موتورهای الکتریکی شده است. از آنجایی که این موتورها با توان‌ها، سرعت‌ها و گشتاورهای گوناگون مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند، کنترل بهینه و دقیق آنها در صنایع مختلف اهمیت ویژه‌ای دارد. برای دستیابی به این هدف، از تجهیزاتی به نام درایو استفاده می‌شود. درایوها در واقع مجموعه‌ای از مدارات و ادوات الکترونیک قدرت هستند که برای کنترل هر چه دقیق‌تر و منعطف‌تر موتورهای الکتریکی طراحی و تولید می‌شوند. این مقاله قصد دارد که به طور ویژه به درایوهای اینورتری پرداخته و آنها را مورد بررسی قرار دهد.
برای یادگیری استفاده از درایوهای الکتریکی در سیستم‌های اتوماسیون دوره درایو‌من ماهر را به شما پیشنهاد می‌کنیم. در این دوره به صورت کاربردی، مهارت استفاده از درایوهای الکتریکی را فرا می‌گیرید.
آشنایی با درایوهای اینورتری
به‌منظور درک و شناخت هر چه بیشتر درایوهای اینورتری، در ابتدا انواع درایوهای الکتریکی را مرور می‌کنیم که به طور معمول در گروه‌های زیر دسته‌بندی می‌شوند:
- درایوهای جریان مستقیم: درایوهای جریان مستقیم که به درایوهای DC نیز معروف هستند، سرعت موتورهای DC را با تنظیم ولتاژ یا جریان ورودی کنترل می‌کنند. این درایوها به‌دلیل طراحی ساده و مقرون‌به‌صرفه و ویژگی‌های کنترلی ساده پرکاربرد هستند. با این حال، استفاده از آنها به تدریج با افزایش درایوهای AC (که در مجموع ارزانترند) در حال کاهش است.
- درایوهای جریان متناوب (درایوهای فرکانس‌متغیر یا درایوهای اینورتری): درایوهای AC یا درایوهای فرکانس‌متغیر (VFD)، سرعت و گشتاور موتورهای AC را با تغییر فرکانس و ولتاژ ورودی کنترل می‌کنند. این درایوها به دلیل بهره‌وری انرژی بالا، بهبود عملکرد و عمر طولانی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. در درایوهای جریان متناوب، ابتدا ورودی AC به DC تبدیل شده و پس از عبور از یک فیلتر، بار دیگر این ورودی DC به AC تبدیل خواهد شد (این بار با ولتاژ و فرکانسی متفاوت و ضمناً قابل کنترل). از این رو درایوهای AC به درایوهای اینورتری معروف هستند.
- سروو درایوها: کنترل دقیق حرکت سروو موتورها به کمک سروو درایوها امکان‌پذیر خواهد بود. این درایوها از فیدبک موتور برای تنظیم سرعت و موقعیت استفاده می‌کنند و از عملکرد دقیقی در کاربردهایی مانند رباتیک، ماشین‌های CNC و تولید خودکار برخوردار هستند.
- درایو موتورهای پله‌ای: درایوهای پله‌ای برای کنترل موتورهای پله‌ای که در مراحل مجزا حرکت می‌کنند، به کار می‌روند. در این درایوها پالس‌های فرمان با ترتیب و سرعت مناسبی به موتور ارسال می‌شوند، و هر پالس موتور را وادار می‌کند تا یک گام حرکت در‌آید. این ویژگی، درایوهای پله‌ای را برای کاربردهایی که نیاز به موقعیت‌یابی دقیق و کنترل سرعت دارند، مانند چاپگرهای سه‌بعدی و ماشین‌های CNC، ایده‌آل می‌کند.
- درایوهای سرعت متغیر: درایوهای سرعت متغیر (VSD)، دسته‌ای از درایوها هستند که امکان تنظیم سرعت موتور را بر اساس نیاز سیستم فراهم می‌کنند. این درایوها خود می‌توانند در طبقه‌بندی درایوهای AC یا DC قرار گیرند. باید توجه داشت که کاربرد این نوع درایوها عمدتا در شرایطی است که بار متفاوت بوده و راندمان از اهمیت بالاتری برخوردار است.
در ادامه، به طور خاص، ساختمان، ویژگی‌ها و کاربردهای درایوهای جریان متناوب یا درایوهای اینورتری ( فرکانس‌متغیر یا سرعت‌متغیر) را بررسی می‌کنیم.
ساختمان درایوهای اینورتری
به طور کلی، درایوهای اینورتری از سه قسمت یکسوساز، فیلتر DC، و اینورتر تشکیل می‌شوند. در ابتدا، به کمک یکسوکننده جریان AC به DC تبدیل می‌شود، سپس با عبور از یک فیلتر، جریان DC، صاف و تنظیم می‌شود و در نهایت این جریان DC توسط یک اینورتر به یک خروجی AC با فرکانس و ولتاژ قابل تغییر تبدیل خواهد شد. با توجه به شکل ۱ می‌توان به‌سادگی با ساختار یک درایو اینورتری آشنا شد.
اکنون می‌توان با دقت بیشتری عملکرد و ساختمان هر یک از قسمت‌های درایو AC را بررسی کرد.
در مقاله مدار زیر نحوه کار مدار داخلی درایو به طور کامل شرح داده شده است.
یکسوساز
ساده‌ترین نوع یکسوکننده درایو سه فاز AC، یکسوساز دیودی است که به آن پل دیودی ۶ پالسه نیز گفته می‌شود. (هر فاز به دو المان یکسو کننده نیاز دارد – یکی جریان را در نیم سیکل مثبت و دیگری آن را در نیم سیکل منفی هدایت می‌کند. بنابراین، یک سیستم سه‌فاز به شش المان یکسوکننده نیاز دارد در حالی که یک سیستم تکفاز با چهار المان یکسوکننده کار می‌کند). شکل شماره ۲، نحوه آرایش دیودها را برای یکسوساز ۶ پالسه دیودی نمایش می‌دهد.
یکسوکنندههای دیودی ساده و کم‌هزینه هستند، اما فقط اجازه می‌دهند که انرژی در یک جهت جریان یابد: از منبع تغذیه به موتور. بنابراین، هنگامی که موتور سرعت خود را کاهش می‌دهد و به‌عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند، توان تولید شده نمی‌تواند به شبکه الکتریکی بازگردانده شود. که در این حالت این توان الکتریکی تولید‌شده باید از طریق یک سیستم ترمز دینامیکی به خازن لینک DC برگردد.
یکی راه‌حل خوب برای استفاده از توان برگشتی موتور، استفاده از یکسوکنندههای تریستوری به جای دیودی است. برای این منظور، یک پل با شش تریستور به کار می‌رود. هنگامی که موتور در حالت مصرف انرژی الکتریکی قرار دارد پل تریستوری برق AC منبع را یکسو کرده و به سمت اینورتر و متعاقباً موتور میفرستد. وقتی موتور به مود ترمزی می‌رود، این پل، انرژی برگشتی را به شبکه بر می‌گرداند. یعنی تریستوری بودن پل این امکان را فراهم می‌کند که انرژی الکتریکی در هر دو جهت جریان یابد و توان برگشتی، بجای تلف شدن در مقاومت‌های ترمزی، به شبکه بازگردانده شود. شکل ۳ یک نمونه پل تریستوری ۶ پالسه را نمایش می‌دهد.
به غیر از یکسوسازهای پل تریستوری، یک راه دیگر برای استفاده از توان تولید‌شده توسط موتور به‌کارگیری یکسوکنندههایی متشکل از IGBT است. چنین یکسوکنندههایی از شش IGBT و شش دیود ساخته شده‌اند. در نتیجه، انرژی الکتریکی می‌تواند در دو جهت جریان پیدا کند. این یکسو‌کننده‌ها هارمونیک‌های مرتبه پایین را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهند، ولی در عین حال باعث شکل‌گیری هارمونیک‌های مرتبه بالاتر می‌شوند. از این رو، یک فیلتر اضافی مورد نیاز است تا هارمونیک‌ها را تضعیف نماید و این امر خود باعث افزایش هزینه می‌شود. درایوهای AC که از المان IGBT در بخش یکسو‌کنندۀ خود استفاده می‌کنند به‌عنوان درایوهای دوطرفه (Active front) شهرت دارند. در شکل ۴ یک نمونه از این یکسوساز‌ها نشان داده شده است.
فیلتر DC
این بخش برای فیلتر کردن جریان الکتریکی DC که به اینورتر وارد می‌شود، به کار می‌رود. عملکرد اصلی فیلتر در واقع حذف نوسان و ریپل از جریان الکتریکی DC تولید‌شده توسط یکسوکننده خواهد بود. این قسمت عمدتاً از خازن‌هایی ساخته می‌شود که امواج DC حاوی نوسان و ریپل را فیلتر کرده و همچنین آن را ذخیره می‌کند. بسته به نوع و میزان نوسان امواج DC، ممکن است المان‌های دیگری نظیر سلف یا دیود به کار روند. با توجه به شکل ۵ می‌توان با ساختار یک فیلتر آشنا شد.
اینورتر
در این بخش جریان الکتریکی DC به AC (با فرکانس قابل تنظیم) تبدیل می‌شود. لازم به ذکر است که در ساختمان اینورتر المان‌های IGBT به کار می‌روند و سوئیچینگ سریع آنها ولتاژ متناوبی را در خروجی فراهم می‌کند. همچنین توجه به این نکته الزامی است که در واقع فرکانس AC خروجی را فرکانس سوئیچینگ IGBTها تعیین خواهد کرد. نرخ سوئیچینگ IGBTها خود از طریق واحد کنترل قابل تنظیم است. شکل ۶ آرایش داخلی یک اینورتر را به نمایش می‌گذارد.
واحد کنترل
واحد کنترلی در حقیقت بخشی است که وظیفه کنترل عملکرد سوئیچینگ، فرکانس خروجی، و توان خروجی یک درایو را بر عهده دارد. این واحد شامل یک ریزپردازنده مجزا است که برای کنترل بخش یکسوکننده و اینورتر برنامه‌ریزی می‌شود. در صورت بروز هرگونه خطا واحد کنترلی در مدت‌زمان میکر‌وثانیه واکنش نشان می‌دهد. همچنین، داده‌های به‌دست‌‌آمده از سنسور سرعت برای نظارت هر چه بهتر بر سرعت و تنظیم آن بر اساس نیاز استفاده می‌شوند.
انواع درایوهای اینورتری
تاکنون دسته‌بندی‌های متنوعی برای درایوهای اینورتری مطرح شده‌اند. ولی به طور معمول، درایوهای اینورتری در سه دسته پرکاربرد زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
- درایوهای اینورتری منبع ولتاژ
- درایوهای اینورتری منبع جریان
- درایوهای اینورتری با مدولاسیون پهنای پالس
درایوهای اینورتری منبع ولتاژ (VSI)
اینورتر منبع ولتاژ رایج‌ترین نوع درایوهای فرکانس‌متغیر (VFD) است. این اینورتر شکل موجی صاف از ولتاژ را ارائه می‌دهد که به فرکانس خروجی بستگی دارد. ساختار آن متشکل از یکسوساز دیودی ساده با یک خازن برای فیلتر کردن و ذخیره انرژی DC است. سپس ولتاژ DC با استفاده از یک اینورتر به AC تبدیل می‌شود. این اینورتر سرعت عملکرد بسیار خوبی دارد و امکان کنترل چندین موتور را فراهم می‌کند. در شکل ۷ بلوک دیاگرام کلی این نوع درایو نشان داده شده است.
مزایای درایوهای اینورتری منبع ولتاژ را به شکل زیر می‌توان بیان کرد:
- طراحی بسیار ساده
- بسیار ارزانتر و مقرون
- محدوده سرعت عملیاتی بسیار خوب
- امکان کنترل چندین موتور
در مقابل، درایوهای اینورتری منبع ولتاژ دارای تعدادی نقاط ضعف به صورت زیر هستند:
- ضریب توان بسیار کم مخصوصاً در سرعت‌های پایین که باعث می‌شود موتور به زیر فرکانس ۶ هرتز برسد
- لرزش موتور در هنگام راه‌اندازی و توقف
- تولید هارمونیک‌های مختلف در خروجی
- عدم امکان بازگشت توان تولید‌شده توسط موتور در حالت ژنراتوری به شبکه
درایوهای اینورتری منبع جریان(CSI)
تفاوت اصلی بین VSI و CSI در ویژگی های ورودی، روش های کنترل خروجی و میزان سازگاری با بار است. بر خلاف VSIها که دارای ورودی ولتاژ ثابت هستند و ولتاژ خروجی را با تنظیم الگوهای سوئیچینگ تنظیم می‌کنند، CSIها دارای ورودی جریان ثابت هستند و با کنترل امپدانس بار، جریان خروجی را تنظیم می‌نمایند. انتخاب بین VSI و CSI به نوع کنترل مورد نظر و نوع باری که باید به اینورتر متصل شود بستگی دارد. در ساختمان CSI، از یکسوکنندههای مبتنی بر تریستور برای تبدیل جریان AC به DC، به همراه یک سری سلف برای فیلتر کردن و ذخیره جریان DC استفاده شده است. در نهایت، اینورتر جریان DC را به جریان متناوب تبدیل می‌کند. در شکل ۸ بلوک دیاگرام این نوع درایو ملاحظه می‌شود.
از نقاط مثبت این اینورتر به موارد زیر می‌توان اشاره کرد:
- امکان بازگشت توان تولید‌شده توسط موتور در حالت ژنراتوری به شبکه
- منبع جریان ثابت برای پشتیبانی از موتورهای پرقدرت
- طراحی بسیار ساده
- قابل اطمینان بالاتر نسبت به VSI
برخی از نقاط ضعف آن عبارتند از:
- ضریب توان بسیار کم مخصوصاً در سرعت‌های پایین
- سلف‌های بزرگ و گران قیمت
- هزینه بالاتر نسبت به VSI
- لرزش موتور در هنگام راه‌اندازی و توقف
- عدم امکان کنترل چندین موتور
درایوهای اینورتری با مدولاسیون پهنای پالس (PWM)
PWM یا مدولاسیون پهنای پالس تکنیکی است که در آن سیکل وظیفه (Duty Cycle) یک سیگنال به منظور ایجاد تغییر در میانگین توان تحویلی، تغییر می‌کند. درایو فرکانس متغیر مبتنی بر PWM از پالس‌های ولتاژ DC ثابت در سیکل وظیفه‌های مختلف برای شبیه‌سازی شکل موج سینوسی استفاده می‌کند. به عبارت دیگر، این نوع درایو، حالتی بهبود‌یافته از VSI است، بنابراین، ولتاژ پایدار با ضریب توان بالاتر را فراهم می‌کند. در ساختمان این درایوها یک پل دیودی ساده وجود دارد که جریان AC را به DC تبدیل می‌نماید. همچنین، واحد کنترل طوری برنامه‌ریزی شده است که سیکل وظیفه خروجی را با تنظیم سرعت سوئیچینگ اینورتر کنترل کند. به علاوه، یک رگولاتور اضافی در خروجی لازم است تا پالس‌های ولتاژ را تنظیم کند و شکل موجی صاف از ولتاژ و جریان ارائه دهد. شکل ۹ بلوک دیاگرام این نوع درایو را به نمایش می‌گذارد.
نقاط قوت این نوع درایو را به شکل زیر می‌توان برشمرد:
- ضریب توان بهبود یافته
- عدم لرزش موتور در هنگام راه‌اندازی و توقف
- کارایی بسیار بهتر نسبت به VSI و CSI
و نقاط ضعف آن عبارتند از:
- طراحی و پیاده‌سازی پیچیده
- نیاز به رگولاتور و مدار سخت‌افزاری اضافی
- نسبت به VSI و CSI گران‌تر است
مزایا و معایب درایوهای AC فرکانس‌متغیر (VFD)
در این بخش، صرف‌نظر از نوع درایو AC فرکانس متغیر (VFD)، به بررسی نقاط قوت و ضعف این دسته از درایوهای الکتریکی پرداخته می‌شود.
برخی از ویژگی‌های مثبت این درایوها عبارتند از:
- بهره‌وری بالاتر
- کنترل دقیق
- جریان هجومی محدود
- عمر مکانیکی بالا
- کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری
- نصب آسان
با این وجود این از نوع درایوهای AC دارای مشکلاتی به شرح زیر هستند:
- هزینه نصب بالا
- تولید هارمونیک
- ساختار پیچیده
- عدم کارایی مناسب در مکان‌هایی با شرایط محیطی سخت
کاربرد درایوهای AC فرکانس‌متغیر (VFD)
این درایوها در بخش‌های مختلف صنعت، انرژی، نیروگاهی، ساختمان‌سازی و … کاربرد دارند. در ادامه به شکل دقیق‌تر نحوه استفاده از درایوهای AC فرکانس‌متغیر را شرح می‌دهیم.
- کنترل پمپ: در صنایعی که جریان سیال باید تنظیم شود، مانند مجتمع‌های تصفیه آب یا کارخانجات محصولات شیمیایی، درایوهای VSI می‌تواند سرعت پمپ را متناسب با نرخ تغییر جریان سیال مورد نیاز تنظیم کنند.
- کنترل فن: در سیستم‌های تهویه مطبوع، درایوهای VSI به کنترل سرعت فن‌ها، جریان یافتن هوا و بهره‌وری انرژی کمک می‌کنند.
- سیستم‌های نوار نقاله: در خطوط تولید و بسته‌بندی، این درایوها امکان تنظیم دقیق سرعت نوار نقاله را که برای هماهنگ‌سازی و کارایی فرآیند ضروری است، فراهم می‌کنند.
- نوار نقاله‌های سنگین: در صنایعی مانند معدن یا تولید فولاد، که نوار نقاله‌ها تحت بارهای متفاوتی قرار می‌گیرند، درایوهای CSI گشتاور و کنترل مورد نیاز را تامین می‌کنند.
- پمپ‌ها و فن‌های بزرگ: در شرایطی که پمپ‌ها و فن‌ها نیاز به راه‌اندازی تحت بار سنگین دارند، درایوهای CSI می‌توانند گشتاور راه‌اندازی لازم را بدون ایجاد تنش بیش از حد بر روی سیستم ایجاد کنند.
- جرثقیل‌ها و بالابرها: برای بلند‌کردن اجسام سنگین، گشتاور خروجی ثابت درایوهای CSI عملکرد نرم و ایمن را برای این تجهیزات تضمین می‌کند.
- ماشین آلات اتوماسیون: برای تجهیزاتی که نیاز به کنترل دقیق سرعت دارند، مانند خطوط بسته‌بندی یا مونتاژ از درایوهای اینورتری با مدولاسیون پهنای پالس استفاده می‌شود.
- سیستم‌های تهویه مطبوع: در این دستگاه‌ها، درایوهای PWM به مدیریت موثر سرعت فن برای دستیابی به کنترل هر چه بهینه‌تر کمک می‌کنند.
برای آشنایی با معتبرترین برندهای درایوهای الکتریکی و دانلود منوال آنها می‌توانید مقالات زیر را بخوانید.
تفاوت درایوهای VSD و VFD
به طور کلی، VFD یک اصطلاح رایج‌تر و گسترده‌تر است که طیف وسیعی از وسایل مورد استفاده برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی با کمک تغییر فرکانس و ولتاژ را در بر‌می‌گیرد. VFDها معمولاً از یکسوکننده، فیلتر DC و اینورتر تشکیل شده‌اند و با تنظیم فرکانس توان الکتریکی عرضه شده، سرعت موتور را کنترل می‌کنند.
از سوی دیگر، VSD یک اصطلاح عمومی‌تر است که به هر دستگاه یا سیستمی اشاره دارد که امکان کنترل سرعت موتور را فراهم می‌کند. این اصطلاح نه تنها می‌تواند شامل VFDها باشد، بلکه فناوری‌های دیگری مانند درایوهای هیدرولیک یا سیستم‌های انتقال مکانیکی را که امکان دستیابی به سرعت‌های متغیر دارند، در بر می‌گیرد.
به طور خلاصه، VFD نوع خاصی از VSD است که به طور ویژه به دستگاه‌هایی اطلاق می‌شود که از فرکانس متغیر برای کنترل سرعت موتور استفاده می‌کنند. از سوی دیگر، VSD یک اصطلاح گسترده‌تر است که شامل هر سیستم یا دستگاهی است که برای دستیابی به کنترل سرعت متغیر استفاده می‌شود، که ممکن است شامل VFD و همچنین فن‌آوری‌های دیگر باشد.
جمع‌بندی
درایوهای AC فرکانس متغیر (VFD) از پرکاربردترین تجهیزات کنترل سرعت و گشتاور در موتورهای جریان متناوب به شمار می‌روند. ساختمان آنها از سه قسمت اصلی یکسوساز، فیلتر DC، و اینورتر تشکیل شده است. همچنین این درایوها در سه گروه درایوهای اینورتری منبع ولتاژ، درایوهای اینورتری منبع جریان، و درایوهای اینورتری با مدولاسیون پهنای پالس تقسیم‌بندی می‌شوند. درایوهای VFD کاربردهای گوناگون و گسترده‌ای در صنایع نفت و گاز، انرژی، ساختمان سازی و تصفیه آب دارند.
سوالات متداول
یکسوسازهای بر اساس پل تریستوری و یکسوسازهای دارای IGBT
درایوهای اینورتری منبع جریان CSI
VSD یک اصطلاح گسترده‌تر است که شامل هر سیستم یا دستگاهی است که برای دستیابی به کنترل سرعت متغیر استفاده می‌شود، که ممکن است شامل VFD و همچنین فناوری‌های دیگر باشد.
منابع
https://www.electricaltechnology.org/2021/11/vfd-variable-frequency-drive.html
What are VFD Types?
