آموزش و مشاوره:  |  فروش و اجرا: 43 59 361 0919  |  33 59 361 0919

ایمیل ramacontrol.co@gmail.com

ساعت کاری 8 تا 17

اینورتر یا درایو با فرکانس متغیر (VFD) و کاربرد آن در اتوماسیون صنعتی + ویدیو

راما کنترل > وبلاگ ما > همه مقالات آموزشی > اتوماسیون صنعتی > اینورتر یا درایو با فرکانس متغیر (VFD) و کاربرد آن در اتوماسیون صنعتی + ویدیو
vfd-اینورتر-درایو

اینورتر (VFD) چیست؟

اینورتر VFDامروزه استفاده از موتور الکتریکی اعم از سه فاز و تک فاز در اغلب پمپ های کشاورزی، آسانسور، خط تولید، کارخانه صنعتی و… که از تجهیزات اتوماسیون صنعتی استفاده می کنند دیده می شود و برای استفاده دقیق از آن و کنترل سرعت و گشتاورش به درایو صنعتی VFD یا همان  اینورتر نیاز هست.

یک درایو متغیر فرکانس variable frequency drive  نوعی کنترلر موتور است که با تغییر فرکانس و ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی آن را هدایت می کند.

نامهای دیگر VFD عبارتند از: درایو با سرعت متغیر ، درایو با سرعت قابل تنظیم ، درایو با فرکانس قابل تنظیم ، درایو AC ، میکرودریو و اینورتر.

از نظر ورودی اینورترها  به دو دسته تک فاز و سه فاز تقسیم می گردند. البته خروجی همه آنها سه فاز است برای اینورترهایی باتوان بالا فقط از ورودی سه فاز استفاده می شود.

نحوه ی کارکرد اینورتر ها

همانطور که میدانیم فرکانس (یا هرتز) مستقیماً با سرعت موتور (RPM) مرتبط است. به عبارت دیگر هرچه فرکانس سریعتر باشد ، RPM بیشتر میشود.

اگر در پروژه ای نیاز به یک موتور الکتریکی نداشته باشیم که با سرعت کامل خود کار کند ، از VFD می تواند برای پایین آمدن فرکانس و ولتاژ برای رفع نیازهای بار موتور الکتریکی استفاده شود.

با تغییر الزامات سرعت موتور برنامه ، VFD می تواند سرعت موتور را بالا و پایین برد تا بتواند نیاز سرعت لازمه را برآورده سازد.
سرعت هر موتور AC با تعداد قطب استاتور آن رابطه معکوس و با فرکانس ولتاژ منبع تغذیه رابطه مستقیم دارد.

نحوه ی تغییر سرعت موتور با اینورتر

بنابراین ، برای تغییر سرعت موتور AC ، باید فرکانس یا تعداد قطب استاتور را تغییر دهیم.

از آنجا که تعداد قطب استاتور برای هر موتور ثابت است ، بدیهی است که ما نمی توانیم آنها را تغییر دهیم.

با تغییر فرکانس ولتاژ منبع تغذیه از طریق برخی روش های ساده تر ، می توان سرعت موتور را تغییر داد.

با این وجود ، تغییر فقط فرکانس در ولتاژ ثابت (120 یا 230) باعث می شود مقاومت امپدانس معادل موتور کاهش یابد ، در نتیجه شار مغناطیسی بیشتری ایجاد می شود و باعث می شود موتور شروع به ترسیم جریان های عظیم خطرناک کند.

بنابراین ضروری است که ولتاژ منبع تغذیه نیز به صورت متناسب با فرکانس با نسبت ثابت مشخص کاهش یابد.

عدم انجام این کار باعث می شود شار مغناطیسی موتور اشباع شود و موتور آسیب ببیند.

متغیر بودن فرکانس و ولتاژ به طور متناسب باعث افزایش گشتاور ثابت می شود زیرا میدان مغناطیسی در شکاف های هوا ثابت است.

هدف از VFD به طور خاص برای کنترل سرعت موتور AC با رعایت دقیق پارامترهای فوق در نظر گرفته شده است. در اینجا سرعت موتور با تغییر اندازه ولتاژ ورودی و همچنین فرکانس با نسبت ثابت تغییر می کند و بدین ترتیب موتور قادر است حتی در سرعت های پایین تر گشتاور ثابت را حفظ کند.

نسبت ولتاژ به فرکانس

یکی از ویژگی های اصلی موتورهای AC این است که نسبت ولتاژ به فرکانس باید در محدوده کاری موتور ثابت باشد.

این دقیقاً همان چیزی است که VFD ها برای حفظ آن طراحی شده اند و هدف اصلی یک VFD است.

با گفتن این نکته ، این مهم نیز خواهد بود که بدانیم سرعت موتور AC نمی تواند فراتر از سرعت پایه خاص آن (سرعت اسمی) باشد.

عبور از این حد باعث ضعف میدان ، کاهش گشتاور و رفتار غیر خطی یا ناگهانی موتور خواهد شد.

مدار داخلی VFD ها

مدار الکترونیکی در یک VFD به طرز نامحسوس به سه مرحله اصلی تقسیم می شود.

  • مبدل ورودی (مرحله یکسو کننده پل)
  • باس DC (مرحله فیلتر)
  • اینورتر خروجی (با استفاده از میکروکنترلرها و IGBT).

اینورتر VFD

 

بیایید ببینیم که هر مرحله چگونه عمل میکند

مبدل ورودی

مبدل ورودی کانورتر

این مرحله شامل دیودهای پرقدرت است که در یک پیکربندی مرتب قرار گرفته اند.

شبکه AC اعمال شده در این مرحله اصلاح می شود و به DC تبدیل می شود.

اما این DC از اجزای باقیمانده AC و هارمونیک ها خلاص نیست و نیاز به فیلتر بیشتر دارد.

مبدل از شش دیود تشکیل شده است ، که مشابه شیرهای چک مورد استفاده در سیستم های لوله کشی است.

آنها اجازه می دهند جریان تنها در یک جهت جریان یابد.

به عنوان مثال ، هرگاه ولتاژ فاز A از ولتاژ فاز B یا C مثبت تر است ، آن دیود باز می شود و عبور جریان را ممکن میسازد.

وقتی فاز B از فاز A مثبت تر شود ، دیود فاز B باز می شود و دیود فاز A بسته می شود.

در مورد 3 دیود موجود در سمت منفی نیز همین موضوع صادق است. بنابراین ، با باز شدن و بسته شدن هر دیود ، شش “پالس” فعلی دریافت می کنیم.

به این روش “VFD شش پالس” گفته می شود که پیکربندی استاندارد برای درایوهای فرکانس متغیر فعلی است.

DC BUS

DC BUS

در اینجا DC اصلاح شده از هارمونیک های سمت چپ و باقیمانده های AC با استفاده از سلف و خازن فیلتر می شود.

این مرحله باعث می شود که خروجی  کاملا ایده آل برای موتورهای AC باشد.

با اضافه کردن یک خازن می توانیم از شر موجی بودن  در قسمت DC خلاص شویم.

این خازن قسمت موج دار AC را جذب می کند و ولتاژ DC صافی را تحویل می دهد.

موج دار شدن AC در باس DC معمولاً كمتر از 3 ولت است. بنابراین ، ولتاژ در باس DC به تقریبا همان 650 ولت DC  تبدیل می شود.

این مقدار ولتاژ خروجی به موارد زیر بستگی دارد

  • میزان ولتاژ خط AC که درایو را تغذیه می کند
  • میزان عدم تعادل ولتاژ در سیستم برق
  • بار موتور
  • امپدانس سیستم نیرو و هرگونه راکتور یا فیلتر هارمونیک درایو

اینورتر

اینورتر همانطور که از نام آن مشخص است ، این مرحله ولتاژ مستقیم از باس DC را به AC تغییر میدهد ، اما به روشی بسیار خاص که قلب یا به اصطلاح مغز مدار را تشکیل می دهد.

این برنامه از IC های میکروکنترلر پیچیده طراحی شده و برنامه ریزی شده است به خصوص برای تغییر فرکانس خروجی متناسب با ولتاژ و همچنین ایجاد یک خروجی سه فاز از ورودی تک فاز.

این مرحله بویژه VFD ها را برای کنترل سرعت موتور AC بسیار منحصر به فرد و ایده آل می کند.

توجه داشته باشید که در یک VFD واقعی ، سوئیچ های نشان داده شده در واقع ترانزیستور هستند.

فناوری PWM

فرمان از مرحله فوق (میکروکنترلرهای IC) به IGBT های خروجی ارسال می شود که ولتاژ دریافت شده از باس DC را به مراحل خرد شده باریک (کاملاً مشابه با اصل مورد استفاده در سوئیچ های دیمر) تبدیل می کند.

برای این کار ، IC ها از فناوری PWM استفاده می کنند و DC را به امواج شبه سینوسی تبدیل می کنند.

هرچه زمان تعویض این امواج طولانی تر باشد ، ولتاژ موجود در خروجی به موتور و بالعکس بیشتر است.

 این روش در واقع وظیفه دو عمل مهم را بر عهده دارد

1-تغییر ولتاژ خروجی بدون هدر رفت برق

2-و نکته ی مهم تر تغییر فرکانس آن به طور هم زمان با سرعت مشخص برای نگه داشتن گشتاور و شار مغناطیسی.

وقتی یکی از سوئیچ های بالا را در اینورتر ببندیم ، آن مرحله از موتور به باس dc مثبت وصل می شود و ولتاژ در آن فاز مثبت می شود.

وقتی یکی از سوئیچ های پایین را در مبدل ببندیم ، آن مرحله به قسمت منفی DC وصل می شود و منفی می شود.

بنابراین می توانیم هر مرحله را مثبت ، منفی یا صفر قرار دهیم. و از این طریق می توانیم فرکانس مورد نظر خود را تولید کنیم.

PWM

توجه کنید که خروجی VFD یک شکل موج “مستطیلی” است ، و VFD خروجی سینوسی تولید نمی کند.

این شکل موج مستطیل انتخاب خوبی برای یک سیستم توزیع نیست ، اما برای یک موتور کاملاً مناسب است.

موج سینوسی آبی فقط برای مقاصد مقایسه نشان داده شده است. درایو این موج سینوسی را ایجاد نمی کند.

به این حالت Pulse Width Modulation یا PWM گفته می شود.

تصور کنید که می توانیم با روشن کردن و خاموش کردن شیر با سرعت زیاد ، فشار را در یک خط آب کنترل کنیم.

اگرچه این امر برای سیستم های لوله کشی عملی نخواهد بود ، اما برای VFD بسیار خوب کار می کند.

توجه داشته باشید که در طول چرخه نیمه اول ، ولتاژ در نیمی از زمان روشن و نیمی از زمان خاموش است.

بنابراین ، ولتاژ متوسط ​​نیمی از 480V یا 240V است.

درواقع با نحوه ی پالس کردن ، می توانیم به هر ولتاژ متوسط ​​در خروجی VFD برسیم.

ساختمان داخلی درایو صنعتی(اینورتر ها)

در شکل زیر ساختمان داخلی یک VFD را مشاهده می کنید

ساختار داخلی اینورترمزایا استفاده از VFD در سیستم های اتوماسیون صنعتی

1.کاهش مصرف انرژی و هزینه های انرژی

اگر برنامه ای دارید که نیازی به اجرای آن با سرعت کامل نیست ، می توانید با کنترل موتور با درایو فرکانس متغیر ، هزینه های انرژی را کاهش دهید ، که این یکی از مزایای درایوهای متغیر فرکانس است. VFD ها به شما امکان می دهند تا سرعت تجهیزات محرکه را با نیاز بار مطابقت دهید.

روش دیگری برای کنترل موتور الکتریکی AC وجود ندارد که بتواند این کار را انجام دهد.

امروزه سیستم های موتور برقی بیش از 65٪ از انرژی مصرفی را در صنعت بر عهده دارند.

بهینه سازی سیستم های کنترل موتور با نصب یا به روزرسانی به VFD ها ، می توانید مصرف انرژی در تاسیسات شما را تا 70٪ کاهش دهد.

علاوه بر این ، استفاده از VFD کیفیت محصول را بهبود می بخشد و هزینه های تولید را کاهش می دهد.

 2.افزایش تولید را از طریق کنترل کارآمد تر فرآیند

با کار کردن موتورهای شما با کارآمدترین سرعت برای درخواست شما ، تعداد اشتباهات کمتری رخ می دهد و به این ترتیب سطح تولید افزایش می یابد و این باعث می شود شرکت شما درآمد بالاتری داشته باشد.

 3.طول عمر تجهیزات را افزایش و تعمیر و نگهداری را کاهش دهید

روش‌ های تک سرعتی موتور را به طور ناگهانی استارت می‌زنند و آن را در معرض گشتاور استارت بالا و نوسانات جریان قرار می‌دهند که تا ۱۰ برابر جریان بار کامل است.

از سوی دیگر، اینورتر های AC به طور یکنواخت و تدریجی موتور را تا سرعت عملیاتی بالا می‌ برند تا موجب کاهش تنش مکانیکی و الکتریکی، کاهش هزینه‌ های تعمیر و نگهداری و افزایش عمر موتور و تجهیزات مربوطه شوند.

راه اندازهای نرم یا سافت استارترها(SOFT STARTER )  قادر به افزایش سرعت موتور به طور تدریجی هستند.

اما به دلیل قابلیت کنترل کردن ولتاژ تنها میتوانند جریان راه اندازی ۱۰ برابری را به ۵ برابر کاهش دهند.

اما در درایوها ما شاهد آن هستیم که جریان راه اندازی به ندرت بالاتر از جریان نامی موتور افزایش میابد.

و VFD ها را می‌توان از طریق پی ال سی ها برنامه ‌نویسی کرد تا سرعت موتور را به طور بسیار تدریجی‌ تر و هموارتر بالا ببرند و می‌توانند موتور را با سرعتی کمتر از سرعت کامل به کار اندازند تا سایش و پارگی را کاهش دهند.

تجهیزات شما با کنترل بیشتر توسط VFD که از سرعت مطلوب موتور استفاده می کنند ، به دلیل تعمیر و نگهداری ، مدت زمان طولانی تری خواهند داشت.

به دلیل کنترل بهینه VFD بر روی فرکانس و ولتاژ موتور ، VFD محافظت بهتری را برای موتور شما در مواردی از قبیل اضافه بارهای الکتریکی برقی ، محافظت فاز ، ولتاژبالا و … ایجاد می کند.

این روش موتور و یا بارمحرکه را تحت تأثیرشوک ناگهانی در طول خط قرار نمی دهد ، اما می تواند هموار شروع به کار کند ، از این طریق کمربند ، دنده و سایش بلبرینگ را از بین می برد.

4.کاربرد اینورتر در ایجاد گشتاور متغیر

بارهایی که به درایو های AC اعمال می‌ شود به دو گروه تقسیم می شود

  •  گشتاور ثابت
  •  گشتاور متغیر

توانایی صرفه‌ جویی انرژیی بارهای گشتاور متغیر، بسیار بیشتر از بارهای گشتاور ثابت است.

 بارهای گشتاور متغیر

شامل پمپ‌ ها و فن‌ های گریز از مرکز است که اکثرا کاربردهای HVAC که مخفف کلمه های  Heating, ventilation, and air conditioning هست را در اتوماسیون صنعتی دارند.

که به مجموعه تکنولوژی های مربوط به گرمایش، تهویه و تهویه‌ مطبوع گفته می‌شود که در برگیرنده فناوری‌ های مربوط به ایجاد آسایش از طریق تهویه و ایجاد شرایط دمایی مطبوع برای محیط‌ های داخلی ساختمان وهوشمند سازی ساختمان ها می باشد.

بارهای گشتاور ثابت

شامل نوار نقاله ارتعاشی، پرس پانچ، سنگ شکن، ماشین ابزارها و کاربردهای دیگری هستند که در آنها درایو از نسبت ثابت V/F پیروی می‌کند یعنی به آن اندازه که فرکانس تغییر می کند به همان نسبت ولتاژ تغییر خواهد کرد.

5.اینورتر قابلیت PID دارد

اکثر اینورتر ها دارای قابلیت PID برای کاربردهای فن و پمپ هستند،که اجازه می‌ دهد تا اینورتر نقطه تعیین شده را بر اساس بازخورد واقعی از فرایند حفظ کند.

از سنسورها و یا فرستنده برای تشخیص متغیرهای فرایند مانند سطح فشار، سرعت جریان مایع، سرعت جریان هوا و یا سطح مایع استفاده می‌شود، سپس سیگنال به PLC فرستاده می‌شود که بازخورد را از فرایند به درایو ارسال می‌کند.

درایو از این بازخورد مستمر برای تنظیم خود برای حفظ نقطه تعیین‌ شده استفاده می‌کند.

در مقاله ای جداگانه به بررسی سیستم پی آی دی و کاربرد آن در اتوماسیون صنعتی پرداخته ایم.

6- اضافه شدن امکانات نرم افزاری برای مدیریت عملکرد کنترل دور

در سیستم هایی اتوماسیون صنعتی در هنگامی که از پی ال سی ها استفاده میکنیم میتوانیم امکان برنامه نویسی و کنترل از راه دور سرعت و فرکانس موتور ها را عملی کنیم

در این کاربرد مهم با استفاده از پی ال سی (PLC)ها و اچ ام آی (HMI)ها و امکان شبکه کردن آن ها با اینورتر از طریق شبکه مدباس قابلیت کنترل از راه دور سرعت موتور و یا چپگرد و راستگرد بودن آن توسط یک صفحه نمایشگر لمسی یا از طریق سیستم های اندورید امکان پذیر می باشد.

 

کاربرد اینورتر ها در اتوماسیون صنعتی

از نظر کاربرد اینورترها به دسته های مختلفی تقسیم می شوند.

برای راه اندازی پمپ ها و فن ها و آسانسورها و جرثقیل و نوارهای نقاله دستگاه های اکسترودر و … از اینورتر استفاده می شود

  • برای پمپ و فن از اینورترهایی با گشتاور متغیر استفاده میشود

    اینورتر پمپ

  • برای آسانسور و نوار نقاله و جرثقیل از اینورتر با گشتاور ثابت

    درایور اسانسور

  • و برای اکسترودرها(روش شکل دهی که برای پلاستیک ها و پلیمرهای شکل پذیر کاربرد دارد) از اینورتر با فیدبک  PG  بهره برداری می کنند.اکسترودر درایور

 

اینورتر ها معمولا به دستگاهی وصل می شود که در زمان استارت ما نباید ضربه داشته باشیم.

مثال بارز آن آسانسور هست که همه ما از آسانسور استفاده کرده ایم، اگر دقت کرده باشید به هنگام حرکت کردن آسانسور، یک سرعت کنترل شده و آهسته داریم و بعد به سرعت عادی خودش می رسد و قبل از توقف سرعت کم می شود تا در نهایت توقف کند.

این کار را درایو صنعتی یا همان اینورتر ها انجام می دهد.

برای اطلاعات بیشتر و انجام پروژه های صنعتی  با گروه راما کنترل  در ارتباط باشید.

برای آشنایی بیشتر با اینورتر ها توجه شما را به ویدیویی که برای شما آماده کردیم جلب می کنیم.

لینک ویدیو در آپارات

لینک ویدیو در تماشا

 

پاسخی بگذارید

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

No Favorites Has Been Added!