آموزش الکترونیک

مدار درایو فرکانس متغیر VFD چیست؟ انواع و کاربرد ها

بسیاری از کارخانه ها و نیروگاه ها در جهان وجود دارند که از نوع متفاوتی از موتورهای پرقدرت استفاده می کنند. با توجه به مصرف زیاد انرژی ، کارخانه ها و نیروگاه ها در نهایت مبلغ بالایی برای صورت حساب انرژی پرداخت می کنند. برای غلبه بر مصرف انرژی بالا و افزایش راندمان ، VFD چهار دهه پیش معرفی شد اما جریان آن به اندازه کافی قوی نبود.

VFD مخفف درایو فرکانس متغیر (Variable Frequency Drive) یا درایو فرکانس قابل تنظیم است. فرکانس RPM موتور را مشخص می کند و با کنترل فرکانس AC می توان RPM موتور را کنترل کرد. انواع مختلفی از VFD ، از برنامه های کوچک مربوط به موتور، تا موتورهای القایی با قدرت بالا ، در بازارهای الکتریک و الکترونیک در دسترس هستند. به غیر از VFD های سه فاز ، VFD های تک فاز نیز موجود هستند.

مدار VFD و عملکرد آن

یک مدار VFD از سه قسمت تشکیل شده است.

  1. بخش یکسوساز
  2. بخش فیلتر
  3. بخش تعویض یا اینورتر

در تصویر زیر سه بخش در داخل نمودار بلوک نشان داده شده است. این یک نمودار بلوک مدار پایه از VFD سه فاز است.

مدار VFD و عملکرد آن

بخش یکسو کننده مدار VFD

بخش یکسو کننده از 6 دیود استفاده می کند. دیودهای D1 ، D2 و D3 با ریل مثبت به هم متصل شده و دیودهای D4 ، D5 و D6 با ریل منفی متصل می شوند. این 6 دیود به عنوان یک پل دیود عمل می کنند که سیگنال AC سه فاز را به یک ریل DC تبدیل می کند. سه فاز R ، B و Y در سراسر دیود متصل هستند. بسته به قطبیت موج سینوسی ، دیودها بایاس یا معکوس می شوند، بنابراین یک پالس مثبت یا یک پالس منفی را در هر دو ریل مثبت و منفی ارائه می دهند.

بخش یکسو کننده مدار VFD

بخش فیلتر مدار VFD

همانطور که میدانیم دیودهای استاندارد یکسوکننده فقط سیگنال AC را به DC تبدیل می کنند، اما خروجی سیگنال DC به اندازه کافی صاف نیست، زیرا موج های AC وابسته به فرکانس نیز، با آن همراه هستند. برای اصلاح‌ موج AC و ایجاد خروجی صاف برای DC ، نوعی از فیلتر های رد امواج مورد نیاز است. مولفه استاندارد فیلتر، استفاده از انواع خازن ها و القاگر های بزرگ است. در بخش فیلتر ، به طور عمده، خازن ها موج AC را فیلتر می کنند و خروجی DC را صاف ارائه می دهند.

بخش فیلتر مدار VFD

در بعضی موارد ، از انواع دیگر فیلترها نیز برای کاهش اختلال های ورودی AC و هارمونیک ها استفاده می شود.

بخش سوئیچینگ یا اینورتر از مدار VFD

بخش سوئیچینگ یا اینورتر، DC را به AC تغییر می دهد. در این بخش  از انواع مختلفی سوئیچ های الکترونیکی استفاده می شود ، از جمله ترانزیستورهای پرقدرت ، IGBT یا MOSFET. سوئیچ ها به سرعت روشن یا خاموش می شوند و بار ولتاژ  pulsating را دریافت می کنند که بسیار مشابه AC است. فرکانس خروجی متناسب با سرعت سوئیچینگ است. سرعت بالای سوئیچینگ ، خروجی فرکانس زیاد را ارائه می دهد، در حالی که سرعت پایین سوئیچینگ ، خروجی با فرکانس پایین را فراهم می کند.

حتما ببینید :  کاربرد آردوینو در صنعت (ساخت PLC با برد صنعتی آردوینو)

بخش سوئیچینگ یا اینورتر از مدار VFD

انواع مختلف درایو کردن فرکانس متغیر

با توجه به چگونگی تبدیل برق AC  به برق DC با VFD و یکسو سازی آن، انواع دیگری از VFD در بازار وجود دارد.

سه نوع اصلی VFD ، VSI و CSI و PWM هستند.

نوع VCI از VFD ها

VSI مخفف اینورتر منبع ولتاژ (Voltage-source inverter) است.  این رایج ترین نوع درایور فرکانس متغیر (variable-frequency drive یا به اختصار VFD) است. در این نوع VFD ها ، از یک پل دیود ساده برای تبدیل سیگنال AC(جریان متناوب) به سیگنال DC(جریان مستقیم) استفاده می شود و از یک خازن برای ذخیره انرژی استفاده می شود. مدار سوئیچینگ اینورتر از انرژی ذخیره شده در خازن استفاده می کند و خروجی را تأمین می کند.

اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید.

نوع VCI از VFD ها

مزیت ها

  1. دارای محدوده سرعت خوبی است.
  2. امکانات کنترل موتور چند برابر است.  چندین موتور را می توان با VSI از نوع VFD متصل کرد.
  3. طراحی ساده.
  4. از نظر تولید و نصب، مقرون به صرفه است.

معایب

  1. به دلیل اثر گشتاور cogging ، بار موتور در طول شروع و توقف ، تکان می خورد.
  2. خروجی ، انواع مختلفی از هارمونیک ها و سر و صدا را ایجاد می کند.
  3. اگر سرعت موتور کنترل شود یا کاهش یابد ، ضریب توان کلی تا حد زیادی مختل می شود ک منجر به ضعیف شدن ضریب توان می شود.

نوع CSI از VFD ها

CSI مخفف اینورتر منبع جریان (current source inverter) است. نوع VSI از VFD هابه گونه ای طراحی شده است که بسته به محدوده فرکانس متغیر ، می تواند ولتاژ یکنواخت را فراهم کند اما در نوع CSI از VFD   ، ساختار به جای ولتاژ به جریان وابسته است.  همچنین در مورد CSI به جای یکسو کننده پل دیود از مبدل پل تریستور (SCR)استفاده می شود.  انرژی خروجی با استفاده از القاگر های سری به عنوان جایگزین خازن ها برای خروجی جریان هموار فیلتر می شود.  نوع CSI از VFD ها مانند ژنراتور جریان ثابت عمل می کنند.  به جای موج مربعی از ولتاژ ، نوع CSI از VFD ها قادر به ارائه موج مربع جریان هستند.

نوع CSI از VFD ها

مزیت ها

  1. نوع VSI از VFD قابل اطمینان است
  2. از موتورهای القایی با اسب بخار بالاتر پشتیبانی می کند چون که VSI انتخاب مناسبی نیست.
  3. طراحی ساده.
  4. بازسازی خوب

معایب

  1. ضریب توان کلی ضعیف است ، به خصوص در RPM کم.
  2. اثر Cogging وجود دارد و می تواند در هنگام کار، لرزش محور موتور را بگیرد.
  3. از نظر VSI، مناسب برای عملکردهای چند موتوره نیست.

نوع PWM از VFD ها

این یک نسخه بهبود یافته و اصلاح شده از نوع VSI VFD است. PWM  مخفف pulse width modulation. با استفاده از PWM تکنیک ، VFD ها قادر به ارائه ولتاژ پایدار ولتاژ با نسبت فرکانس هستند. ساخت و ساز ، از یک پل دیود برای اصلاح سیگنال AC در سیگنال DC استفاده می کند. مدار سوئیچینگ ، چرخه وظیفه را در یک محدوده فرکانس متغیر کنترل می کند. از یک تنظیم کننده ی اضافی برای تنظیم خروجی PWM برای تامین ولتاژ پایدار و مناسب و جریان به بار استفاده می شود.

نوع PWM از VFD ها

مزایا

  1. بدون گرفتگی یا اثر تکان دهنده.
  2. سرعت و دامنهِ کنترلِ گسترده.
  3. شامل انواع مختلفی از مدارهای محافظتی می شود.
  4. شامل ضریب نیرو است.
  5. ایجاد راندمان بسیار بالا.
  6. انرژی کارآمد.

معایب

  1. طراحی پیچیده.
  2. پیچیده از نظر اجرا.
  3. به سخت افزار اضافی نیاز دارد.
  4. تولید نویز رسا در مدار درایور.
  5. راه حل پر هزینه.
حتما ببینید :  ارتباط سریال UART و RS485 چیست؟ (تفاوت و بررسی)

چگونه برای پروژه VFD انتخاب کنم؟

برای انتخاب VFD های مناسب برای برنامه ی خاص ، درک خوبی از بار مورد نیاز است. انواع مختلفی از موتورها ، انواع متفاوتی از گشتاور را ایجاد می کنند. در برخی از برنامه ، گشتاور ثابت لازم است درحالیکه در برنامه های دیگر گشتاور باید کنترل شود. همچنین بار سراسر موتور ضریب تعیین کننده ی مشخصات موتور است ،علی الخصوص رتبه بندی قدرت.

برای انتخاب VFD متناسب برای برنامه ی مناسب ، ما باید موارد زیر را ارزیابی کنیم یا در نظر بگیریم.

  1. اسب بخار موتور
  2. هزینه
  3. محیط عملیاتی VFD و موتورها
  4. تک فاز یا سه فاز
  5. VFD منفرد با موتور منفرد یا VFD با موتورهای متعدد
  6. ویژگی های کنترل اضافی مورد نیاز

مزایای درایو کردن فرکانس متغیر

دلایل زیادی وجود دارد که باعث می شود VFD یک انتخاب محبوب برای مصرف کننده باشد در صورتی که سایر کنترل کننده ها به راحتی در دسترس هستند. مهمترین دلیل محبوبیت VFD ، کمبود توان مصرفی انرژی و هزینه اولیه راه اندازی است. VFD  از نظر مصرف انرژی در مقایسه با دستگاههای کنترل کننده در همان بخش ، راندمان بالایی را ارائه می دهد. به همین دلیل ، هرگاه کارخانه های بزرگ و نیروگاه ها که به موتورهای اسب بخار بزرگتر احتیاج دارند ، VFD مصرف کمتری از انرژی را ارائه می دهد. در نتیجه مقدار قبض انرژی را کاهش داده و فرصت هایی برای صرفه جویی در هزینه را فراهم می کند.

VFD  جریان ورودی را در هنگام شروع و پایان کار موتور کنترل می کند ، همچنین باعث کاهش بار ورودی در خط مبنا می شود  و همچنین بودجه احتیاطی را برای موتورهای گران قیمت فراهم می کند.

به غیر از مزایای فوق VFD می تواند هزینه نگهداری سیستم را کاهش دهد. هیچگونه عملیات اتصال برق و کنترل اضافی پر هزینه ای لازم نیست. گزینه هایی برای اتصال چندین موتور وجود دارد که می توان با استفاده از VFD منفرد کنترل کرد و در نتیجه باعث کاهش بیشتر هزینه تنظیم سیستم اضافی می شود.

معایب درایو کردن فرکانس متغیر

با وجود مزایای فوق ، معایب کمی نیز در سیستم VFD وجود دارد. اشکال اصلی سیستم VFD سرمایه اولیه راه اندازی است. برای کارخانه یا نیروگاه ها که چندین موتور اسب بخار با قدرت با استفاده از VFD ها باید کنترل شوند ، نیاز به سرمایه بالایی دارد.

همچنین ، VFD باعث گرم شدن موتور می شود و مورد نیاز برای ساخت موتورهای خاص است. ساخت و ساز به انواع مخصوصی از عایق های موتوری نیاز دارد ، همانگونه که موتورها باید برای inverter rated applications مشخص شوند.

مهمترین نقطه ضعف VFD این است که خط اصلی منبع انرژی با اعوجاج ، هارمونیک های شکاف خط، بسیار مختل شده است. به همین دلیل ، سایر دستگاه های متصل به همان خط برق نیز در شرایط عملیاتی دچار مشکل می شوند.

با این حال ، پیشرفت در صنعت نیمه رسانا مدرن ، ساخت سیستم های مدرن VFD را به شدت بهبود بخشیده است. قبل از دوران دستگاه حالت جامد ، ماشین های فرز، اصلی ترین عنصر مورد استفاده در ساخت VFD ها هستند. در دوره ریزپردازنده مدرن ، VFD ها با انواع حفاظ از جمله ولتاژ ، اضافه ولتاژ ، حفاظت از اضافه بار حرارتی و غیره با امکانات کنترل مناسب مجهز شده اند. برنامه موتور در صنعت، مسئولیت 25٪ از مصرف انرژی الکتریکی جهان را دارد که می توان با استفاده از VFD به طور کارآمد کنترل شود.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا