1. مقدمه ای بر درایوهای AC (درایوهای فرکانس متغیر) در قلمرو کنترل صنعتی مدرن یک......
بیشتر بخوانیددرایو فرکانس متغیر ولتاژ پایین - که معمولاً به اختصار LV VFD نامیده می شود - یک دستگاه کنترل الکترونیکی قدرت است که سرعت و گشتاور یک موتور القایی AC را با تغییر فرکانس و ولتاژ منبع الکتریکی تحویل داده شده به آن تنظیم می کند. به جای اینکه موتور را با سرعت ثابتی که فرکانس شبکه دیکته می کند (بسته به منطقه شما 50 هرتز یا 60 هرتز) راه اندازی کنید، یک VFD ولتاژ پایین به شما امکان می دهد دقیقاً سرعت چرخش موتور را در هر نقطه از نزدیک صفر تا سرعت کامل و گاهی اوقات فراتر از آن را شماره گیری کنید.
نام "ولتاژ پایین" به محدوده ولتاژ کاری اشاره دارد - معمولاً زیر 1000 ولت AC، با رایج ترین رتبه بندی های صنعتی 208 ولت، 230 ولت، 380 ولت، 400 ولت، 460 ولت و 480 ولت. این درایوهای LV را از VFD های ولتاژ متوسط متمایز می کند که بالای 1000 ولت کار می کنند و در کاربردهای بزرگتر و تخصصی تر مانند کمپرسورهای بزرگ، نیروی محرکه کشتی و ایستگاه های پمپاژ در مقیاس شهری استفاده می شوند. اکثریت قریب به اتفاق کاربردهای کنترل موتور تجاری و صنعتی کاملاً در دسته ولتاژ پایین قرار می گیرند.
در هسته آن، الف درایو فرکانس متغیر ولتاژ پایین از طریق یک فرآیند سه مرحلهای کار میکند: ابتدا برق AC ورودی را از طریق یک مرحله یکسوکننده به DC تبدیل میکند، آن DC را از طریق یک باس DC با خازنها صاف میکند و سپس آن را با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) به خروجی AC با فرکانس متغیر برمیگرداند. این خروجی برق متناوب متناوب را در هر فرکانسی که شما فرمان دهید تقلید می کند، که موتور آن را به عنوان سرعت چرخشی متناظر می خواند.
درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ پایین در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها ظاهر می شوند. توانایی آنها در کنترل دقیق سرعت موتور و در عین حال کاهش چشمگیر مصرف انرژی آنها را به یکی از تأثیرگذارترین تجهیزات الکتریکی در صنعت مدرن تبدیل می کند. هنگامی که متوجه شدید که آنها چه کاری انجام می دهند، تقریباً در همه جاهایی که از موتورهای AC استفاده می شود، فرصت هایی را برای آنها مشاهده می کنید.
رایج ترین حوزه های کاربردی عبارتند از:
انتخاب اشتباه درایو فرکانس متغیر برای یک برنامه یک اشتباه رایج و پرهزینه است. برگه داده برای هر LV VFD حاوی ده ها پارامتر است، اما مجموعه ای متمرکز از مشخصات برای انتخاب صحیح بیشترین اهمیت را دارد. درک این موارد قبل از صحبت با یک تامین کننده یا ثبت سفارش باعث صرفه جویی در زمان و جلوگیری از استفاده نادرست می شود.
VFD های LV برای برق ورودی تک فاز (1Ø) و سه فاز (3Ø) در دسترس هستند. درایوهای ورودی تک فاز معمولاً تا حدود 3-5 کیلو وات در دسترس هستند و در کاربردهای تجاری یا مسکونی سبک استفاده می شوند. درایوهای ورودی سه فاز طیف کاملی از کیلووات کسری تا چند صد کیلووات را پوشش می دهند و استانداردی برای مصارف صنعتی هستند. همیشه تأیید کنید که منبع تغذیه موجود شما 208 ولت، 230 ولت، 380 ولت، 400 ولت یا 480 ولت است - درایو باید برای ولتاژ ورودی خاص شما رتبه بندی شود.
توان خروجی درایو باید با توان نامی موتوری که کنترل می کند مطابقت داشته باشد یا بیشتر از آن باشد. با این حال، اندازه صحیح فراتر از مطابقت با پلاک kW است. همچنین باید نوع بار را در نظر بگیرید - یک VFD که یک پمپ گریز از مرکز (بار گشتاور متغیر) را هدایت میکند، اغلب میتواند به اندازه HP نامی موتور باشد، در حالی که یک VFD که یک سنگ شکن یا بالابر را هدایت میکند (گشتاور گسست ثابت یا زیاد) ممکن است نیاز به اندازه یک فریم داشته باشد تا بتواند بار و بارهای جریان بالاتر را در هنگام راهاندازی تحمل کند.
جریان – نه قدرت – چیزی است که در واقع بر IGBT ها و سیستم مدیریت حرارتی VFD فشار وارد می کند. همیشه درجه جریان خروجی پیوسته درایو را با آمپراژ تمام بار موتور (FLA) بررسی کنید. برای کاربردهای سخت، ظرفیت جریان اضافه بار درایو را نیز بررسی کنید - معمولاً به صورت 110٪ یا 150٪ به مدت 60 ثانیه بیان می شود، که در برابر جهش بار موقت بدون خاموش شدن در جریان اضافه محافظت می کند.
فرکانس حاملی که سوئیچهای IGBT در آن کار میکنند – معمولاً ۲ تا ۱۶ کیلوهرتز – بر نویز موتور، گرمایش موتور و بار حرارتی درایو تأثیر میگذارد. فرکانسهای حامل بالاتر، شکل موج خروجی نرمتر و ساکتتری تولید میکنند که موتور آن را دوست دارد، اما گرمای بیشتری را در خود درایو تولید میکند. بسیاری از درایوها اجازه میدهند فرکانس حامل در راهاندازی تنظیم شود تا عملکرد آکوستیک در برابر دمای درایو متعادل شود، که گاهی اوقات نیاز به کاهش جریان خروجی در تنظیمات بالاتر دارد.
محفظه درایو باید با محیط نصب مطابقت داشته باشد. IP20 یا NEMA 1 برای پانل های کنترل تمیز و داخلی قابل قبول است. IP54 یا NEMA 12 مناسب محیط های صنعتی گرد و غبار یا کمی مرطوب است. IP65 یا NEMA 4 برای نصب و راه اندازی شستشو یا خارج از منزل مورد نیاز است. نصب درایو IP20 در محیطی که به IP54 نیاز دارد منجر به خرابیهای مرتبط با آلودگی، ضمانتهای باطل و خطرات احتمالی ایمنی میشود.
اندازه مناسب یک درایو AC ولتاژ پایین یک فرآیند سیستماتیک است، نه یک جستجوی ساده. این مراحل را دنبال کنید تا به یک انتخاب قابل اعتماد برسید:
درایوهای مدرن با سرعت متغیر ولتاژ پایین، حالتهای کنترلی متعددی را ارائه میکنند که هر کدام برای نیازهای کاربردی مختلف مناسب هستند. درک تفاوت ها به شما کمک می کند تا درایو مناسب را انتخاب کنید و در هنگام راه اندازی آن را به درستی پیکربندی کنید.
| حالت کنترل | چگونه کار می کند | بهترین برنامه | رمزگذار مورد نیاز است؟ |
| V/Hz (اسکالر) | نسبت ولتاژ به فرکانس ثابت را حفظ می کند | فن ها، پمپ ها، بارهای گشتاور متغیر ساده | خیر |
| بردار حلقه باز (SVC) | شار و گشتاور را بدون بازخورد تخمین می زند | نوار نقاله، میکسر، گشتاور ثابت عمومی | خیر |
| بردار حلقه بسته (FOC) | از بازخورد رمزگذار برای کنترل دقیق گشتاور/سرعت استفاده می کند | بالابر، سیم پیچ، ماشین ابزار، موقعیت یابی | بله |
| کنترل مستقیم گشتاور (DTC) | به طور مستقیم گشتاور و شار را محاسبه و کنترل می کند | فرآیندهای صنعتی با کارایی بالا | اختیاری |
برای اکثر کاربردهای پمپ و فن، کنترل V/Hz کاملاً کافی است و راه اندازی آن ساده تر است. کنترل برداری حلقه باز برای کاربردهای عمومی نقاله و فرآیند صنعتی که در آن گشتاور بهتر در سرعت پایین و تنظیم سرعت دقیق تر اهمیت دارد، مورد استفاده قرار می گیرد. بردار حلقه بسته و DTC برای کاربردهای سختی که نیاز به موقعیتیابی دقیق، گشتاور راهاندازی بالا در سرعت صفر، یا پاسخ بار دینامیکی در محدوده میلیثانیه دارند، رزرو شدهاند.
نصب نادرست مسئول بخش بزرگی از خرابی های LV VFD و مشکلات عملکرد در این زمینه است. پیروی از این دستورالعمل های نصب به طور قابل توجهی خطر سفرهای مزاحم، خرابی زودرس قطعات و تداخل مرتبط با EMI با تجهیزات اطراف را کاهش می دهد.
اتصال زمین مناسب با نصب VFD غیر قابل مذاکره است. ترمینال PE (زمین حفاظتی) درایو باید با استفاده از یک هادی کوتاه و ضخیم به یک زمین با امپدانس کم متصل شود - در حالت ایدهآل یک میله زمین اختصاصی در پانل به جای یک زمین زنجیردار از طریق تجهیزات دیگر. از کابلهای موتور محافظ استفاده کنید که محافظ آن هم به پایانه خروجی درایو و هم در جعبه ترمینال موتور با استفاده از گلدستههای کابل EMC 360 درجه ختم میشود، نه پیگ دم. پایانه های Pigtail به طور چشمگیری اثربخشی محافظ در برابر EMI فرکانس بالا را کاهش می دهد.
هرگز کابل های موتور را موازی برای کنترل کابل های سیگنال یا کابل های ارتباطی در سینی کابل یا مجرای یکسانی اجرا نکنید. نویز سوئیچینگ فرکانس بالا روی کابل موتور به سیمکشی سیگنال سطح پایین متصل میشود و باعث رفتار نامنظم در حسگرها، PLCها و شبکههای ارتباطی میشود. حداقل 200 میلیمتر (8 اینچ) جداسازی فیزیکی را حفظ کنید، یا کابلها را در گذرگاههای 90 درجه که امکان جداسازی وجود ندارد، هدایت کنید. کابلهای برق ورودی، کابلهای موتور و کابلهای کنترل باید در کانالهای مجزا یا سینیهای مجزا باشند.
راکتورهای خط ورودی (که به آنها چوک خط AC نیز گفته می شود) از درایو در برابر افزایش ولتاژ و تغییرات گذرا در شبکه تغذیه محافظت می کنند، در حالی که تزریق جریان هارمونیک به منبع تغذیه را نیز کاهش می دهند. زمانی که ترانسفورماتور منبع تغذیه کمتر از 10 برابر امتیاز kVA درایو باشد، یا زمانی که منبع دارای مشکلات شناخته شده کیفیت توان باشد، اکیداً توصیه می شود. راکتورهای خروجی dV/dt یا فیلترهای موج سینوسی برای طول کابل موتور بالای 50 متر، برای موتورهای قدیمی یا غیر اینورتر و برای کاربردهایی که طول عمر عایق موتور حیاتی است توصیه می شود.
VFD ها گرما تولید می کنند - معمولاً 2 تا 3٪ از توان نامی خود را به عنوان اتلاف گرما - و برای ماندن در محدوده دمای عملیاتی به جریان هوای کافی نیاز دارند. حداقل الزامات فاصله تولید کننده را در بالا، پایین و کنار درایو (معمولاً 100 میلی متر بالا و پایین، 50 میلی متر طرفین) دنبال کنید. درایوها را بدون محاسبه بار حرارتی و ارائه تهویه اجباری یا مبدل های حرارتی در محفظه های مهر و موم شده نصب نکنید. درایوی که به طور منظم در نزدیکی محدودیت های حرارتی خود کار می کند، عمر خازن الکترولیتی آن - و در نتیجه عمر کلی آن - به طور چشمگیری کاهش می یابد.
صرفه جویی در انرژی که با یک درایو فرکانس متغیر ولتاژ پایین قابل دستیابی است، یکی از قانع کننده ترین توجیهات برای سرمایه گذاری است، به ویژه در کاربردهای پمپاژ و فن که توسط قوانین وابستگی کنترل می شوند. این قوانین فیزیکی بیان می کنند که جریان به صورت خطی با سرعت تغییر می کند، فشار با مجذور سرعت تغییر می کند و قدرت با مکعب سرعت تغییر می کند.
| سرعت موتور (% از سرعت کامل) | خروجی جریان (%) | برق مصرفی (%) | صرفه جویی در انرژی در مقابل سرعت کامل |
| 100% | 100% | 100% | 0% |
| 90% | 90% | 73% | 27% |
| 80% | 80% | 51% | 49% |
| 70% | 70% | 34% | 66% |
| 60% | 60% | 22% | 78% |
در عمل، یک موتور پمپ 75 کیلوواتی که به جای سرعت کامل با سرعت 80 درصد کار میکند، تنها حدود 38 کیلو وات مصرف میکند که 37 کیلووات در ساعت صرفهجویی میکند. حتی با قیمت متوسط برق، دوره بازپرداخت سرمایه گذاری VFD در چنین کاربردهایی اغلب کمتر از دو سال و اغلب کمتر از دوازده ماه در برنامه هایی است که موتور به طور مداوم با بار جزئی کار می کند. ترکیبی از صرفه جویی در انرژی، کاهش سایش مکانیکی و عمر طولانی موتور، ROI را برای VFD های ولتاژ پایین در میان قوی ترین فناوری های بهره وری انرژی موجود امروزی قرار می دهد.
حتی درایوهای AC ولتاژ پایین که به خوبی انتخاب شده و به درستی نصب شدهاند، گهگاه بر روی ایراد میافتند. درک رایجترین کدهای خطا و دلایل اصلی آنها به طور چشمگیری عیبیابی را سرعت میبخشد و زمان خرابی را کاهش میدهد. اکثر VFD های مدرن تاریخچه خطا را با مهر زمانی ثبت می کنند که برای تشخیص تصادفی یا تکراری بودن یک خطا بسیار ارزشمند است.
درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ پایین مدرن دیگر دستگاههای مستقل نیستند - آنها اجزای شبکهای در اتوماسیون یکپارچه و سیستمهای مدیریت ساختمان هستند. قابلیت های ارتباطی یک VFD به طور قابل توجهی بر نحوه نظارت، کنترل و ادغام آن در زیرساخت های دیجیتال گسترده تر تأثیر می گذارد.
پروتکل های رایج فیلدباس و شبکه صنعتی که توسط پلتفرم های LV VFD فعلی پشتیبانی می شوند عبارتند از:
هنگام تعیین یک VFD ولتاژ پایین برای یک برنامه شبکه، تأیید کنید که پروتکل مورد نیاز یا به صورت بومی در درایو تعبیه شده است یا به عنوان یک ماژول ارتباطی پلاگین موجود است. همه پروتکلها برای همه اندازههای درایو یا انواع فریم در دسترس نیستند - این جزئیاتی است که اغلب تا زمانی که پانل ساخته نشده است، فراموش میشود و منجر به تغییرات مهندسی در لحظه آخر میشود.
بازار جهانی برای درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ پایین به خوبی توسعه یافته است، با پیشنهادات قوی از بازیگران شناخته شده و جایگزین های رقابتی جدیدتر. به جای توصیه برندهای خاص، رویکرد مفیدتر این است که بدانید چه چیزی یک درایو قابل اعتماد و پشتیبانی شده را از یک درایو که سردردهای طولانی مدت ایجاد می کند متمایز می کند.
یک درایو فرکانس متغیر ولتاژ پایین یک دارایی بلند مدت است - اکثر درایوهای با کیفیت در صورت مشخص شدن و نگهداری صحیح، عمر مفیدی بین 10 تا 20 سال دارند. ارزیابی هزینه کل مالکیت، نه فقط قیمت خرید، به طور مداوم منجر به تصمیمات بهتر و پشیمانی کمتر می شود.