درایوهای فرکانس متغیر (VFD) به طور گسترده در کاربردهای صنعتی برای کنترل سرعت موتورها استفاده می‌شود. با این حال، VFDها سیگنال‌های مدولاسیون پهنای پالس (PWM) با فرکانس بالا تولید می‌کنند که می‌تواند تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد کند، که ممکن است سایر سیستمهای الکتریکی و شبکه‌های ارتباطی را مختل کند. این مقاله به بررسی اهمیت ارتینگ مناسب در تاسیسات شامل VFD برای به حداقل رساندن نویز الکتریکی و اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم می‌پردازد. این مقاله اصول رفتار نویز الکتریکی، از جمله ظرفیت خازنی، اندوکتانس، و امپدانس را مورد بحث قرار می‌دهد و استراتژی‌های ارتینگ دقیقی را برای مدارهای ورودی، خروجی و کنترل VFD ارائه می‌دهد. با اجرای تکنیک‌های ارتینگ توصیه شده، این مقاله نشان می‌دهد که چگونه می‌توان نویز را کاهش داد، یکپارچگی سیگنال را بهبود بخشید و عملکرد عملیاتی را بهینه کرد. در نهایت، پیروی از این شیوه‌ها می‌تواند به افزایش پایداری سیستم و کاهش احتمال خطاهای زمین کمک کند و کارایی کلی بارهای موتور کنترل‌شده با VFD را بهبود بخشد.
برای یادگیری دقیقی و عملی موضوعات مرتبط با سیستمهای زمین می‌توانید دوره ارتینگ ماهر را تهیه کنید.
در مقاله زیر در مورد مفاهیم EMC و EMI به طور مفصل بحث شده است.
مدولاسیون پهنای پالس (PWM)
مدولاسیون پهنای پالس (PWM) تکنیکی است که در VFDها برای ایجاد ولتاژ خروجی متغیر استفاده می‌شود. از آن‌جا که ولتاژ باس DC در درایو ثابت می‌ماند و قابل تنظیم نیست، ولتاژ خروجی متغیر با تغییر پهنای پالس‌ها در شکل موج به دست می‌آید. به عنوان مثال، در یک VFD با ولتاژ ۴۶۰، پالس موتور می‌تواند از ۰ تا ۶۵۰ ولت DC در کمتر از یک میکرو‌ثانیه افزایش یابد. این نرخ افزایش بسیار سریع، که با نرخ بالای تغییر ولتاژ (dV/dt) مشخص می‌شود، می‌تواند جریان‌های نویزی را القا کند که به هادی‌های مجاور متصل می‌شوند و به‌طور بالقوه منجر به تداخل در سیستمهای الکتریکی مجاور می‌شوند. فرکانس پالس، مانند ۴ کیلوهرتز، ثابت می‌ماند و این سیکل وظیفه است که متوسط ولتاژ موثر اعمال شده به موتور را کنترل می‌کند.
اصول اساسی
در ادامه، به برخی از مهمترین اصول مربوط به مدارهای الکتریکی به شکل زیر اشاره می‌شود:
- اصل ۱ : جریان الکتریسیته همیشه در یک حلقه بسته حرکت می‌کند.
- اصل ۲ : بین هر دو هادی همیشه مقداری ظرفیت خازنی وجود دارد.
- اصل ۳ : جریان در خازن به نرخ تغییر ولتاژ بستگی دارد.
اصل ۱: جریان الکتریکی همیشه در یک حلقه بسته حرکت می‌کند
الکتریسیته همواره در یک حلقه بسته جریان می‌یابد، به این معنی که جریان الکتریکی پس از عبور از مدار الزاماً باید به منبع خود بازگردد. هنگام عیب‌یابی مشکلات نویز الکتریکی یا تداخل، ردیابی مسیر برگشت جریان به مبدا آن ضروری است. شناسایی مسیری که جریان در آن جاری است، می‌تواند نقش مهمی در چگونگی تصحیح مؤثر مسائل مربوط به زمین فراهم کند. یک ابزار تشخیصی مفید برای این کار پروب جریان یک اسیلوسکوپ استفاده می‌شود. این ابزار به تکنسین‌ها اجازه می‌دهد تا جریان‌های نویز را تشخیص داده و رفتار آنها را درک کنند و در نهایت امکان شناسایی نقاط ضعف در سیستم زمین را فراهم می‌کند. هنگامی که مسیر تداخل پیدا شد، می‌توان تغییرات مناسبی در سیم‌کشی زمین برای کاهش نویز ایجاد کرد.
اصل ۲: بین هر دو هادی همیشه مقداری ظرفیت خازنی وجود دارد
ظرفیت خازنی یک ویژگی طبیعی است که بین هر دو هادی وجود دارد، خواه این دو بخشی از یک مدار باشند یا متعلق به مدارهایی کاملاً مستقل، ولی در مجاورت هم باشند. این ظرفیت به دلیل میدان‌های الکتریکی ایجاد شده بین هادی‌ها هنگام انتقال ولتاژ ایجاد می‌شود. در سیستمهای VFD، جایی که سوئیچینگ فرکانس بالا رایج است (مانند PWM)، ظرفیت خازنی بین هادی‌ها می‌تواند منجر به جریان‌های ناخواسته در سیستم شود. این جریان‌ها، اگرچه کوچک هستند، اما اگر به درستی از طریق ارتینگ و شیلدینگ مناسب محدود نشوند، می‌توانند به EMI و تخریب سیگنال کمک کنند.
اصل ۳: جریان در خازن به نرخ تغییر ولتاژ بستگی دارد
جریان عبوری از یک خازن مستقیماً با نرخ تغییر ولتاژ خازن ارتباط دارد. این رابطه با فرمول (I=CdV/dt)، که در آن I جریان، C ظرفیت خازنی، و dV/dt نرخ تغییر ولتاژ است، بیان می‌شود. در مورد VFDها، مدولاسیون پهنای پالس (PWM) می‌تواند پالس‌های ولتاژ بسیار سریعی ایجاد می‌کند که منجر به نرخ تغییر ولتاژ بزرگی بشوند (شکل ۴). این تغییرات سریع ممکن است که جهش‌های جریانی را به ویژه در سیم‌های زمین ایجاد کنند.
ملاحظات ارتینگ در درایو‌ها
نصب درایو فرکانس متغیر (VFD) مستلزم توجه دقیق به زمین در سه ناحیه اصلی برای اطمینان از ایمنی، کاهش نویز الکتریکی و حفظ کیفیت سیگنال‌ها است. این مناطق عبارتند از:
- ارتینگ ورودی VFD
- ارتینگ خروجی VFD
- ارتینگ بخش کنترل و ارتباطی VFD
روش‌های اتصال زمین مناسب هم برای درایو و هم برای موتور بسیار مهم است، زیرا به اطمینان از ایمنی و جلوگیری از نویز الکتریکی کمک می‌کند. نحوه ارتینگ می‌تواند به طور قابل توجهی بر میزان تداخل در سیستم تأثیر بگذارد. علاوه بر این، از آن‌جا که VFDها دارای ورودی‌ها و خروجی‌های آنالوگ و دیجیتال (I/O) برای سیستمهای کنترل و پروتکل‌های ارتباطی مانند Modbus یا Ethernet هستند، اتصال زمین این کابل‌ها نیز برای به حداقل رساندن نویز الکتریکی حیاتی است.
ارتینگ ورودی VFD
در ایالات متحده، اتصالات جانبی ورودی VFD معمولاً با استفاده از یکی از روش‌های زمینی زیر انجام می‌شود:
- اتصال ستاره مستقیماً زمین‌شده
- اتصال زمین با مقاومت بالا
- اتصال به زمین با مثلث زاویه‌ای
- اتصال به زمین باز با مثلث زاویه‌ای
- اتصال مثلث با ساق بلند
- اتصال مثلث زمین نشده
هر کدام از این روش‌ها مزایا و چالش‌های خاص خود را دارند. اتصال زمین سمت ورودی مناسب برای کاهش نویز الکتریکی، اطمینان از ایمنی سیستم و ارائه یک مرجع ولتاژ پایدار برای VFD ضروری است. در ایران عمدتاً ارتینگ شبکه‌های فشار‌ضعیف (۴۰۰/۲۳۰ ولت)، خواه در شبکهٔ عمومی، خواه در تاسیسات اختصاصی مصرف‌کنندگان، به روش اتصال ستاره مستقیماً زمین‌شده، انجام می‌شود.
اتصال ستاره مستقیماً زمین شده
این روش، رایج‌ترین و ارجح‌ترین راه برای اتصال زمین در سمت ورودی است. ولتاژ متعادلی را برای زمین فراهم می‌کند و مسیر مستقیمی را برای جریان زمین ارائه می‌دهد. هر گونه موج گذرای ورودی در ولتاژ به زمین هدایت شده و از رسیدن آنها به VFD جلوگیری می‌شود. این سیستم همچنین تضمین می‌کند که جریان‌های نویزی می‌توانند از موتور به زمین وارد شده و به VFD برگردند و به این ترتیب از انتشار نویز به سمت بالا‌دست جلوگیری گردد.
ارتینگ خروجی VFD
وجود اتصال زمین در خروجی VFD برای کاهش نویز الکتریکی و اطمینان از اینکه جریان‌های خازنی از کابل‌های موتور و خود موتور به درستی به سمت DC درایو برگشت داده می‌شوند، حیاتی است. این جریان‌ها که توسط پالس‌های مدولاسیون پهنای پالس (PWM) القا می‌شوند، باید یک مسیر حلقوی را تا باس DC درایو تشکیل دهند تا تداخل را به حداقل برسانند. ارتینگ مناسب در خروجی به جلوگیری از انتشار نویز به تجهیزات دیگر کمک می‌کند. در شکل ۶، با استفاده از ارتباطی که فیلتر EMC به زمین ایجاد می‌کند، مسیر بازگشت جریان نویزی به درایو فراهم می‌گردد. اگر این فیلتر EMC نباشد، جریان باید به نول ترانسفورماتور رفته، سپس از طریق سیم‌های فاز ورودی، به درایو برگردد.
تزویج خازنی و جریان‌های نویزی
موتور و کابل‌های آن اغلب به دلیل تزویج (کوپلینگ) خازنی جریان‌های نویز را در محیط منتشر می‌کنند. این جریان‌های نویزی به زمین رفته و سعی می‌کنند به باس DC درایو بازگردند. از آن‌جا که باس DC منبع پالس‌های PWM است، جریان باید برای عملکرد صحیح به درایو بازگردد. فیلتر EMC با ایجاد مسیری برای بازگشت این جریان‌ها به درایو، می‌تواند در این فرآیند نقش داشته باشد. با این حال، اگر اتصال فیلتر EMC باز باشد، جریان نویزی باید قبل از بازگشت به درایو به نول ترانسفورماتور و سپس کابل‌های برق ورودی درایو برود.
قوانین زمین‌کردن برای سمت خروجی VFD
- اختصاص یک سیم زمین از موتور به VFD: یک سیم زمین اختصاصی باید مستقیماً از موتور به VFD اتصال یابد. این کار، تضمین امر می‌کند که هر نویزی که از سیم‌پیچ موتور به محفظه موتور راه پیدا می‌کند توسط سیم زمین به درایو منتقل می‌شود. این جریان نویز از فیلتر EMC متصل به داخل درایو عبور کرده و در نهایت به گذرگاه DC درایو باز می‌گردد. مسیریابی صحیح سیم زمین از موتور به VFD پتانسیل تداخل نویز در سیستم را به حداقل می‌رساند.
- اتصال شیلد از هر دو طرف هنگام استفاده از کابل محافظ : اگر از کابل شیلددار (شیلد در نقش PE) بین VFD و موتور استفاده شود، شیلد باید در دو انتها وصل شود. این امر با اطمینان از اتصال صحیح محافظ در موتور و VFD، پتانسیل EMI را کاهش می‌دهد. اتصال شیلد در دو طرف به هدایت هر نویز القایی مستقیماً به زمین کمک نموده و از تأثیر آن بر سیگنال‌های کنترلی و ارتباطی جلوگیری می‌کند.
نتیجه اتصال به زمین مناسب VFD
هنگامی که VFD به درستی زمین شود، جریان نویز به حداقل می‌رسد. همانطور که در شکل ۸ نشان داده شده است، زمین ورودی (سمت چپ) و زمین موتور (سمت راست) سطوح مختلفی از جریان نویز را حمل می‌کنند. قابل توجه است که سیم زمین موتور به طور قابل توجهی جریان نویز بیشتری نسبت به سیم زمین ورودی دارد.
نحوه ایجاد زمین مناسب در تابلوی VFD
در یک تابلوی VFD، برق موتور و سیم زمین موتور باید مستقیماً به درایو متصل شوند، تا اطمینان حاصل شود که جریان نویز از طریق سیم‌ها یا اجزای دیگر روی پانل عبور نمی‌کند. سیم برق ورودی باید به یک الکترود زمین و سپس به درایو متصل شود. مهم است که اطمینان حاصل شود الکترود زمین به درستی روی تابلو در محلی که رنگ زیر آن پاک شده، نصب گردیده و اتصال الکتریکی محکمی دارد. این تنظیم اتصال به زمین معمولاً توسط تجهیزات دیگری مانند ترانسفورماتورهای قدرت کنترلی، PLCها و منابع تغذیه مشترک است که همه آنها به یک میله زمین متصل هستند.
ارتینگ بخش کنترل و ارتباطی VFD
اتصال زمین مناسب مدارهای کنترلی و ارتباطی یک درایو فرکانس متغیر (VFD) برای حفظ یکپارچگی سیگنال، کاهش نویز الکتریکی و اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اطمینان بسیار مهم است. زمین سیستمهای کنترلی، از جمله ورودی‌های منطقی، خروجی‌ها، ورودی/خروجی آنالوگ و ارتباطات سریال، باید با دقت انجام شود تا از حلقه‌های زمین و آلودگی نویز جلوگیری شود. در زیر ملاحظات مهم و قوانین پایه برای سمت کنترل و ارتباط تاسیسات VFD آورده شده است:
مرجع مشترک برای مدارهای کنترلی
مدارهای کنترل VFD (ورودی‌های منطقی، خروجی‌ها، I/O آنالوگ و سیگنال‌های ارتباطی سریال) یک مرجع مشترک دارند. با این حال، این مرجع مشترک به صورت داخلی در درون VFD زمین نشده است. فرض آن است که این مرجع در کنترل کننده سیستم یا PLC به زمین متصل شود. شناور ماندن این مرجع، به ویژه هنگامی که از کابل‌های PE استفاده می‌شود، می‌تواند منجر به مشکلات نویز الکتریکی شود.
منابع تغذیه سوئیچینگ در VFD
VFDها از منابع تغذیه سوئیچینگ برای استخراج سطوح مختلف ولتاژ مورد نیاز برای مدارهای کنترلی خود استفاده می‌کنند. فرکانس سوئیچینگ این منابع بالا بوده (معمولاً ۵۰ کیلوهرتز تا ۱۰۰ کیلوهرتز) و از این فرکانس بالا برای تبدیل ولتاژ باس DC به ولتاژهای AC مورد نیاز استفاده می‌کنند. اگر درایو به درستی به زمین متصل نباشد، نویز فرکانس بالای حاصل از فرآیند سوئیچینگ ممکن است روی سیگنال‌های کنترل سوار شود و بر عملکرد سیستم تأثیر بگذارد.
در مقاله زیر منابع تغذیه سوئیچینگ به طور مفصل بررسی شده‌اند.
خازن برای فیلتر کردن نویز فرکانس بالا
هنگام کار با کابل‌های طولانی، به خصوص زمانی که زمین در نقاط مختلف ممکن است در پتانسیل‌های متفاوتی باشد، توصیه می‌شود از یک خازن برای انتقال نویز فرکانس بالا به زمین استفاده کرد. این امر کمک می‌کند تا در فرکانس پایین (مانند ۶۰ هرتز) از ایجاد یک حلقه زمین که می‌تواند نویز را به مدارهای کنترل القا نماید، جلوگیری شود.
تفکیک مسیرهای سیم‌کشی
یکی از موثرترین راه‌ها برای جلوگیری از تداخل نویز در سیم‌کشی کنترل و ارتباط، حفظ تفکیک فیزیکی خوب بین مدارهای برق و کنترل است. نویز الکتریکی از سر سیم‌بندی‌های موتور، به ویژه، می‌تواند به سیگنال‌های کنترلی یا ارتباطی متصل شود، اگر به اندازه کافی جدا نشده باشند.
جمع‌بندی
درک جریان نویز الکتریکی و نحوه تعامل آنها با سیستم الکتریکی برای به حداقل رساندن تأثیر آنها بر مدارهای کنترلی و سیگنال‌های ارتباطی ضروری است. سوئیچینگ سریع خروجی PWM در VFDها می‌تواند به راحتی نویز را به مدارهای مجاور منتقل کرده و باعث تداخل با مدارهای کنترلی و دیگر کابل‌های ارتباطی شود. با استفاده از تکنیک‌های صحیح زمین کردن و اتصال صحیح هادی‌های حفاظتی، می‌توان اثرات نویز الکتریکی را به میزان قابل توجهی کاهش داده و از عملکرد قابل اعتماد بارهای موتور و کنترل موثر در سیستمهای صنعتی اطمینان حاصل کرد. در مقاله‌ای که خواندید، مفاهیم مربوط به نویز الکتریکی و راهکارهای کنترل آن را بررسی کردیم.
سوالات متداول
اتصال زمین در تاسیسات VFD برای کاهش نویز و تداخل الکتریکی ضروری است که می‌تواند بر سیگنال‌های کنترلی، سیستمهای ارتباطی و سایر تجهیزات تاثیر بگذارد. زمین مناسب به حفظ یکپارچگی سیگنال، بهبود عملکرد و کاهش خطر خطاهای سیستم ناشی از نویز یا حلقه‌های زمین کمک می‌کند.
VFDها از طریق خروجی PWM خود نویز الکتریکی تولید می‌کنند که شامل تعویض سریع ولتاژ برای کنترل سرعت موتور می‌شود. این باعث ایجاد نوک ولتاژ با فرکانس بالا و گذرا می‌شود که می‌تواند به مدارهای مجاور متصل شود و باعث تداخل الکترومغناطیسی (EMI) شود.
نقش هادی حفاظتی مهم است زیرا به جلوگیری از تاثیر جریان‌های نویز موتور و کابل موتور بر سایر قسمت‌های سیستم کمک می‌کند. کابل‌های PE، زمانی که در هر دو انتها به درستی به زمین متصل شوند، نویز را از سیگنال‌های کنترلی و ارتباطی دور کرده و تداخل را به حداقل می‌رساند.
