اتوماسیون صنعتی, مقالات
درایو فرکانس متغیر یا VFD
فوریه
درایو فرکانس متغیر یا VFD
جالب است بدانید که اولین درایو A.C (400 HP) مبتنی بر WRIM با تغذیه تریترون سیکلوکانورتر[1] در سال 1932 توسط F.E. Alexander Alexanderson از
جنرال الکتریک در نیروگاه لوگان از شرکت گاز و برق اقیانوس آرام نصب شد.
از آن زمان درایوهای صنعتی با تلاش اختصاصی بسیاری از دانشمندان و مهندسان در سرتاسر جهان به سرعت تکامل یافته و منجر به توسعه فناوری پیشرفته درایو مانند درایو فرکانس متغیر (VFD) شده‌است.
VFD یک وسیله مبتنی بر الکترونیک قدرت‌است که یک فرکانس ثابت با ولتاژ ثابت را به یک ، ولتاژ سینوسی با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل می‌کند.
که برای کنترل سرعت موتور القایی استفادهمیشود.
از آنجا که تعداد قطب ها ثابت‌است ، سرعت NS می تواند با تغییر فرکانس مدام متغیر باشد.
عملکرد درایو فرکانس متغیر
هر درایو فرکانس متغیر یا VFD شامل سه مرحله زیر برای کنترل موتور القایی سه فازاست.
مرحله یکسو کننده
یکسو کننده حالت جامد مبتنی بر دیود تمام موج ، قدرت سه فاز 50 هرتز را از یک منبع استاندارد 220 ، 440 یا بالاتر به یک ولتاژ DC ثابت یا قابل تنظیم تبدیل‌می‌کند.
این سیستم ممکن‌است شامل ترانسفورماتورهایی برای سیستم ولتاژ بالاباشد.
مرحله اینورتر
سوئیچ‌های الکترونیکی قدرت مانند IGBT ، GTO یا SCR جریان DC را از یکسو کننده روشن و خاموش می‌کنند تا یک جریان موج یا ولتاژ را در فرکانس جدید مورد نیاز تولید کنند.
در حال حاضر بیشتر اینورترهای منبع ولتاژ (VSI) از مدولاسیون عرض پالس [2](PWM) استفاده‌می‌کنند، زیرا شکل موج جریان و ولتاژ در خروجی در این طرح تقریباً موج سینوسی‌است.
سوئیچ‌های الکترونیکی قدرت مانند IGBT؛ GTO و غیره ولتاژ DC را با سرعت بالا تغییر می‌دهد و یک سری پالس‌های پهنای کوتاه با دامنه ثابت تولید می‌کند.
ولتاژ خروجی با تغییر گین [3]اینورتر متغیراست. فرکانس خروجی با تغییر تعداد پالس در نیم سیکل یا تغییر پریود برای هر سیکل زمانی تنظیم میشود.
جریان حاصل از موتور القایی موج سینوسی از فرکانس خروجی مورد نظر را شبیه سازی می‌کند.
عملکرد سرعت بالای کلید زنی یک اینورتر PWM منجر به کاهش تحریف شکل موج‌میشود و از این رو تلفات هارمونیک را کاهش می‌دهد.
سیستم کنترل
وظیفه سیستم کنترل، کنترل ولتاژ خروجی یعنی بردار ولتاژ اینورتر در حال تغذیه موتور و حفظ نسبت ثابت ولتاژ به فرکانس (V / Hz)است.
این شامل یک مدار الکترونیکی‌است که اطلاعات بازخورد را از موتور دریافت می‌کند و ولتاژ یا فرکانس خروجی را به مقادیر مورد نظر تنظیم‌می‌کند.
سیستم کنترل ممکن‌است مبتنی بر SPWM (Sine Wave PWM) ، SVPWM (Space Vector modulated PWM) یا برخی الگوریتم محاسبات نرم‌باشد.
مشخصه موتور القایی تحت درایو فرکانس متغیر
در موتور القایی ، E با ضرب لغزش فرکانس و شار فاصله هوایی متناسب‌است. در صورت نادیده گرفتن افت استاتور ، ولتاژ ترمینال می تواند متناسب با ضرب فرکانس لغزش در شار تلقی شود.
هرگونه کاهش در فرکانس منبع بدون تغییر ولتاژ ترمینال باعث افزایش شار فاصله هوایی میشود که باعث اشباع مغناطیسی موتورمیشود.
همچنین گشتاور موتور کاهش می‌یابد.
از این رو هنگام کنترل موتور به کمک VFD یا درایو فرکانس متغیر ، ما همیشه نسبت V / f را ثابت نگه می‌داریم.
اکنون متغیر “K” را به صورت زیر تعریف می‌کنیم،
برای عملکرد زیر K <1 یعنی زیر فرکانس نامی ، ما عملکرد شار ثابت داریم. بداین منظور ، جریان ثابت مغناطیس کننده را برای همه نقاط عملیاتی حفظ می‌کنیم.
برای K> 1 یعنی بالاتر از فرکانس نامی ، ولتاژ ترمینال V را ثابت می‌کنیم. در این حالت میدان در نسبت معکوس فرکانس واحد “K” تضعیف‌می‌شود.
و برای مقادیر K = 1 عملکرد گشتاور ثابت داریم و بالاتر از آن کاربری قدرت ثابت داریم.
مزایای استفاده از درایو های فرکانس متغیر
– ذخیره انرژی
وظیفه اصلی VFD در صنعت فراهم آوردن کنترل صاف در کنار صرفه جویی در مصرف انرژی‌است.
سیستم درایو موتور متغیر با سرعت متغیر نسبت به سایر روشهای کنترل از جمله دریچه‌ها ، توربین‌ها ، انتقال هیدرولیک، میراگرها و غیره کارآمدتراست.
– قابلیت اطمینان افزایش یافته است
سیستم های قابل تنظیم درایو موتور با قابلیت تنظیم سرعت قابل اطمینان بالاتری نسبت به روشهای مکانیکی سنتی مانند استفاده از دریچه‌ها ، چرخ دنده‌ها ، یا توربین‌ها برای کنترل سرعت و گردش می‌باشد.
بر خلاف سیستم کنترل مکانیکی ، آنها هیچ بخش متحرک ندارند از این رو بسیار قابل اعتماد هستند.
– تغییرات سرعت
فراتر از صرفه جویی در مصرف انرژی ، کاربردهایی مانند سنگ شکن‌ها ، نقاله‌ها و آسیاب‌های سنگ زنی می توانند از بسته‌های موتور و VFD برای ارائه تغییرات سرعت بهینه استفاده‌کنند.
در برخی از کاربردهای مهم ، محدوده سرعت کار می‌تواند گسترده‌باشد، که یک موتور با منبع تغذیه فرکانس ثابت قادر به فراهم کردن آن نیست.
در مورد نوار نقاله‌ها و آسیاب‌ها ، سیستم VFD و موتور حتی می تواند یک سیستم ضد “خزیدن” را فراهم‌کند و نیاز به درایوهای اضافی برای برطرف این مشکل نیست.
– راه اندازی نرم
هنگامی که درایوهای فرکانس متغیر موتورهای بزرگی را راه اندازی می‌کنند،
اشکالاتی در رابطه با جریان ورودی بزرگ (یعنی جریان راه اندازی) (استرس سیم پیچ، گرمای بیش از حد سیم پیچ و افت ولتاژ در باس متصل) از بین می‌رود.
این امر احتمال آسیب در سیم پیچ و عایق‌ها را کاهش می‌دهد و عمر طولانی موتور را فراهم‌می‌کند.
– عمر طولانی ماشین و نگهداری کمتر
VFD باعث کاهش شدید فرسایس موتور ، افزایش عمر تجهیزات و کاهش هزینه های نگهداری‌میشود.
با توجه به کنترل ولتاژ و کنترل فرکانس بهینه ، محافظت بهتری در برابر موتور از قبیل اضافه بارهای الکتریکی ، خطای فاز ، ولتاژ ، آندر ولتاژ و غیره ایجاد می‌کند.
وقتی موتور را با کمک VFD راه اندازی می‌کنیم ،موتور در معرض “شوک ” قرار نمی‌گیرد، از این رو پارگی تسمه، دنده و قرقره کمتری وجوددارد.
– ضریب توان بالا
قدرت تبدیل شده به نیروی مکانیکی ، گرما ، صدا و غیره به عنوان انرژی فعال گفته‌می‌شود و بر حسب کیلووات (کیلو وات) اندازه گیری‌می‌شود.
قدرتی که باعث ایجاد میدان های مغناطیسی یا شارژ خازن‌میشود ، توان راکتیو نامیده میشود و بر حسب kVAR اندازه گیری میشود. مقدار بردار kW و kVAR قدرت ظاهری‌است و
بر حسب KVA اندازه گیری میشود. ضریب توان نسبت kW / KVA است. موتورهای AC معمولی ممکن‌است یک ضریب توان بار کامل از 0.7 تا 0.8 داشته باشند.
با کاهش بار موتور ، ضریب توان کم میشود. مزیت استفاده از VFD این‌است که شامل خازن هایی در خود باس DCاست که ضریب توان بالا را در سمت خط درایو فرکانس متغیر حفظ‌می‌کند.
این امر نیاز به بانکهای خازن گران قیمت اضافی را ازبین می‌برد.
– بازیابی قدرت لغزش
قدرت اساسی ای که به روتور توسط استاتور داده میشود، قدرت فاصله هوایی Pg نام دارد.
وقدرت مکانیکی توسعه یافته به صورت زیراست:
اصطلاح “sP” به اصطلاح قدرت لغزش گفته میشود.
اگر لغزش بسیار بزرگ باشد یعنی سرعت کم باشد پس اتلاف انرژی زیادی وجود دارد ، یک نمونه رایج درایوهای کوره صنعت سیمان‌است.
این نیرو را می توان از طریق طرح بازیابی لغزش ذخیره کرد. در این طرح توان لغزش ابتدا از طریق جاروبک های WRIM جمع آوری‌میشود.
این قدرت لغزش بازیابی شده سپس به فرکانس خط اصلاح و وارونه‌می‌شود و از طریق ترانسفورماتور کوپلینگ به داخل آن تزریق میشود. این طرح در شکل زیر نشان داده شده‌است.
کاربردهایی از درایو فرکانس متغیر
1- آنها بیشتر در صنایع برای موتورهای القایی بزرگ (که با بار متغیر سروکار دارند) مورداستفاده قرار می‌گیرند
که قدرت نامی آنها از چند کیلو وات تا چند مگاوات‌است.
2- درایو فرکانس متغیر در سیستم کشش استفادهمیشود. در هندوستان توسط شرکت ریلی مترو دهلی استفادهمیشود.
3- آنها همچنین در آسانسورها، پله برقی ها و سیستم های پمپاژ مدرن استفاده‌می‌شوند.
امروزه از آنها در یخچال و فریزرهای با بازده بالا، AC و سیستم‌های تهویه نیز استفاده‌می‌شوند
مقالات مرتبط :
درایو موتورهای القایی | راه اندازی، کنترل سرعت، ترمز موتور القایی
طبقه بندی درایوهای الکتریکی یا انواع درایوهای الکتریکی
لینک زبان اصلی مقاله :