درایو صنعتی

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟ مزایا و کاربرد

اتوماسیون صنعتی / درایو فرکانس متغیر (VFD)

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟

درایو فرکانس متغیر (VFD) یک دستگاه الکترونیکی برای تغییر منبع برق شهری به فرکانس متغیر برای کنترل موتور AC در عملکرد سرعت متغیر است. از آنجایی که بار موتور القایی ثابت نیست و میتواند بر اساس نیاز بار متفاوت باشد سرعت باید بر حسب افزایش یا کاهش بار تغییر کند. اگر ولتاژ تغذیه کاهش یابد، گشتاور موتور نیز کاهش می یابد. سرعت موتور مستقیماً متناسب با فرکانس ورودی آن است. از این رو برای حفظ ولتاژ منبع تغذیه، سرعت و فرکانس باید بر این اساس متفاوت باشد.
درایو فرکانس متغیر (VFD) یکی از روش های کنترل سرعت است که می تواند برای ماشین های الکتریکی یا ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. در این روش برای کنترل سرعت ماشین های الکتریکی یا ژنراتور از تجهیزات الکترونیک قدرت استفاده می شود. تجهیزات الکترونیک قدرت برای تغییر فرکانس برق ورودی به موتور و کنترل سرعت ماشین های الکتریکی استفاده می شوند. با استفاده از درایو فرکانس متغیر (VFD) کنترل بیشتر و دقیق تر می شود.

 

حتما بخوانید:

درایو/اینورتر میکرومستر چیست؟

الکتروموتور یا موتور الکتریکی چیست؟

 

تاریخچه درایو VFD :

درايو هاي AC سرعت متغير برای اولين بار دهه 60 ميلادی معرفی شدند اما قيمت و ابعاد آنها برای بسياری از كاربردها مناسب نبود. همچنين به دليل فركانس كليدزنی عملکرد چندان مطلوبی نداشتند. در اوایل دهه 80 با افزایش قيمت انرژی و پيشرفت فناوری توجه به این موتور ها افزایش یافت و طی دهه 90 استفاده از درایو های AC فراگير شد و اساساً جایگزین روش های سنتی كنترل سرعت و موتورهای DC جاروبک دار گردید.
در حال حاضر درايو های AC شامل موتور و مبدل قدرت از نظر قيمت با درايو هاي DC قابل مقایسه و حتی ارزانتر از آنها است. علاوه بر این، درایو های AC به نگهداری كمتری نياز داشته، قابليت اطمینان بيشتری دارند همچنين ابعاد و وزن موتورهای AC كمتر از موتورهای DC با توان مشابه است. كنترل سرعت و گشتاور موتورهای AC نياز به روش های كنترلی بسيار پيچيده تری نسبت به موتورهای DC دارد كه فقط با پردازشگرهای دیجيتال بسيار سریع ميسر شده است. در واقع دو عامل اساسی باعث پيشرفت درایو های الکتریکی در سالهای اخير شده است:

  • ساخت ادوات نيمه هادی قدرت با توانايی تحمل جریان و ولتاژ زیاد و همچنين سرعت كليدزنی بالا
  • پيشرفت قابل توجه در ساخت مدارات مجتمع برای پردازش سيگنال دیجيتال

 

انواع درایو VFD :

  1. درایو با اینورتر منبع ولتاژی VSI
  2. درایو با اینورتر منبع جریان CSI
  3. درایو با اینورتر 6 پله‌ای
  4. درایو با داشتن اینورتر جا به ‌جا کننده بار
  5. درایو سیکلوکانورتر یا ماتریسی
  6. درایو با سیستم بازیافت لغزش با تغذیه دوسویه

 

مزایای درایو :

  • افزایش عمر اجزای دوار به دلیل سرعت راه اندازی کمتر
  • کاهش مصرف انرژی خصوصا در سرعت های پایین
  • قابلیت ترمز با کاهش تلفات
  • قابلیت اتصال به شبکه های صنعتی مانند Profibus
  • قابلیت صدور فرمان بر اساس کنترل کننده PID
  • قابلیت کنترل و صدور فرمان از طریق کامپیوتر
  • کاهش مقدار نویز و لرزش
  • کاهش تنش های حرارتی و مکانیکی

 

کاربرد های درایو :

درایو فرکانس متغیر معمولاً در فن ها، دمنده ها، پمپ ها، نوار نقاله ها و… استفاده می شود. کاربرد HVAC آن در موتور القایی سه فاز است. اگرچه در برخی از کاربرد های کوچکتر ممکن است از موتور القایی تک فاز استفاده کنند. برای صرفه جویی در انرژی از درایو فرکانس متغیر استفاده میشود. در ادامه “مدل سیستم کنترل موتور القایی توسط درایو” را مشاهده میکنید.

کاربرد درایو VFD

شرح کلی عملکرد درایو فرکانس متغییر(VFD) :

در داخل درایو، ولتاژ ورودی به یکسوساز پل دیودی متصل می شود که ولتاژ AC ورودی را به ولتاژ DC تبدیل می کند. ولتاژ DC خازن های داخل درایو را تغذیه می کند. این کار برای صاف کردن شکل موج الکتریکی انجام میشود که منبع تغذیه مناسبی را برای مرحله بعدی فراهم می کند. سپس ولتاژ از طریق خازن ها به اینورتر می رسد که ولتاژ DC را به ولتاژ AC خروجی که به موتور می رود تغییر می دهد.

 

حتما بخوانید:

نقش درایو در پمپ چیست؟

روشهای راه اندازی الکتروموتور

 

بخش اینورتر

در این قسمت شش ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده (IGBT)داریم. که به عنوان سوئیچ های برق بسیار سریع عمل میکند. آنها بنا به دلایلی که مشخص خواهد شد دیودها هرزگردی را به صورت موازی (Flywheel Diode) با خود دارند.
اکنون می توانیم IGBT بالا و پایین را سوئیچ کرده و مسیر فعلی را از طریق هر دو اتصال موتور فراهم کنیم. برای سوئیچ کردن IGBT ، به راحتی چند ولت به گیت می دهیم (در اینجا بدون اتصال نشان داده شده است). سپس IGBT در جهت پیکان، جریان را هدایت می کند. بسته به اینکه کدام IGBT را سوئیچ کنیم، می توانیم مسیر جریان مثبت یا منفی را از طریق موتور ایجاد کنیم. از این رو می توانیم AC را از DC تولید كنیم.
کاری که نباید انجام دهیم این است که یکIGBT بالا و پایین را که مستقیما در بالای یکدیگر قرار دارند را نباید همزمان سوئیچ کرد چون باعث ایجاد اتصال کوتاه به باس DC می شود.

 

مدولاسیون عرض پالس (PWM)

اگر IGBT ها را با توالی دقیق کنترل شده روشن و خاموش کنیم، می توانیم یک جریان سه فاز در سیم پیچ موتور ایجاد کنیم. اگر زمان روشن و خاموش کردن IGBT را تغییر دهیم ، می توانیم این جریان را کنترل کنیم.
دلیل آن این است که جریان موتور خیلی سریع تغییر نمی کند. بنابراین با افزایش و کاهش زمان روشن ماندن آن می توانیم تقریباً با هر فرکانسی که بخواهیم جریان موج سینوسی را در موتور ایجاد کنیم. این البته همان کاری است که می خواهیم برای کنترل دور موتور انجام دهیم. با استفاده از همین تکنیک می توانیم ولتاژ موثر را کنترل کنیم که به نوبه خود میدان مغناطیسی را کنترل میکند. این کنترل زمان خاموش و روشن بودن، مدولاسیون عرض پالس(PWM) نامیده می شود و به طور ساده در تصویری که در ادامه آمده، نشان داده شده است. سوئیچینگ شش IGBT مسیرهای جریان به موتور را ایجاد می کند و اجازه می دهد تا جریان موج سینوسی سه فاز شارش پیدا کند و موتور را با سرعت مطلوب بچرخاند.

 

درایو VFD 1

 

مقدار فرکانس مورد نیاز برا سوئیچینگ IGBT ها

اگر چندین هزار بار در ثانیه IGBT خود را سوئیچ کنیم (معمولاً بین 4 تا 16 کیلوهرتز) می توانیم شکل موج جریانی کاملا مطلوبی ایجاد کنیم. دقیقا همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است.

 

درایو VFD 3

 

توجه داشته باشید که ولتاژ خروجی به جای یک موج سینوسی خوب از تعداد زیادی پالس تشکیل شده است. موتور جریان را به موج سینوسی کمی دندانه دار صاف میکند. اما ولتاژ هنوز از شکل موج PWM حاصل از IGBT تشکیل شده است که این می تواند مشکلاتی را ایجاد کند. با این وجود موتور با جریان دندانه دار به کار خود ادامه میدهد و با سرعت لازم می چرخد. جریان موتور به دلیل ضریب قدرت موتور با ولتاژ “متوسط” هم فاز نیست.

 

نقش دیود هرزگرد(FlyWheel Diode) در اینورتر 

دیود ها در اینورتر چه کاری انجام می دهند؟ همانطور که میدانید جریان در موتور خیلی سریع تغییر نمیکند. بنابراین وقتی IGBT را خاموش می کنیم جریان باید ادامه یابد در غیر این صورت مشکلاتی بوجود می آید.
دیود ها با سوئیچ کردن یا تغییر دادن جریان، این مسیر جریان را به طور خودکار ایجاد می کنند. از این رو دیود های جا به جا گر یا دیود هرزگرد نامگذاری می شود.

 

نحوه کنترل اینورتر 

کنترل اینورتر ها بسیار دشوار است و اینکه انتظار وقوع اتصال کوتاه در آن ها می رود. اما نیمه هادی های قدرت مدرن بسیار قدرتمند هستند و پردازنده های سیگنال دیجیتال سریع و قدرتمند امکان کنترل دقیق و سوئیچینگ را فراهم می کنند.

 

مقدار ولتاژ باس DC در درایو های تکفاز و سه فاز

به هر حال قسمت قدرت درایو فرکانس متغیر همه به منبع تغذیه AC متصل است و در ولتاژ های DC از 300 ولت (با ورودی 230 ولت (AC تا 600 – 900 ولت با منابع سه فاز صنعتی کار میکند.
بنابراین جداسازی داخلی بین مدارهای کنترل، رابط های کاربری و قسمت قدرت از نظر ایمنی مهم است.

 

روش های کنترلی درایو VFD 
  • کنترل اسکالرV/F
  • کنترل برداری Vector Control
  • کنترل مستقیم گشتاورDTC

 

کنترلی درایو VFD

 

شرایط مهم انتخاب درایو به غیر از پلاک موتور :

  • مقدار جریان درایو زیر بار
  • مقدار اضافه بار قابل تحمل برای درایو (مقدار بار هنگام راه اندازی، منظور باری است که بصورت متناوب بر روی درایو قرار دارد)
  • نوع کاربری درایو(سنگین کار یا سبک کار) با گشتاور (ثابت یا متغییر)
  • مقدار ارتفاع از سطح دریا در محل نصب درایو (اگر بیشتر ازمقدار استاندارد آن باشد، باید نوع با قابلیت بالاتر انتخاب شود)
  • مقدار دمای قابل تحمل درایو در شرایط کاری
  • فرکانس Carrier باعث کاهش مقدار جریان خروجی و ایجاد تلفات گرمایی و… در درایو می شود.
  • مقدارIP درایو( مقدارعدم نفوذپذیری مایعات و جامدات)

 

نحوه نصب تجهیزات:

 

نحوه نصب تجهیزات

 

چرا باید از درایو فرکانس متغیر (VFD) استفاده کنید؟

موتورهای الکتریکی نقش بسیار مهمی در تجارت و زندگی روزمره ما دارند. همه این موتورها با برق کار می کنند. برای انجام کار خود در تامین گشتاور و سرعت به مقدار متناظر انرژی الکتریکی نیاز دارند. همه این موتورها برای تامین گشتاور یا سرعت مورد نیاز برق مصرف می کنند. اگر این گشتاور یا سرعت خیلی زیاد یا خیلی کم باشد، از کنترل های مکانیکی برای کاهش سرعت یا کنترل خروجی استفاده می شود. که باعث تلف شدن مقدار زیادی از انرژی می شوند. سرعت موتور باید دقیقاً مطابق با آنچه فرآیند مورد نیاز است مطابقت داشته باشد. بدون روش بهتری برای کنترل سرعت، انرژی زیادی هدر می‌رود و این از نظر اقتصادی خوب نیست.

 

حتما بخوانید: اتوماسیون صنعتی چیست؟

 

این موتورها هستند که به شما کمک می کنند مصرف انرژی و انتشار CO2 را کاهش دهید یا حتی راه حل های کارآمدتری برای مشتریان خود پیدا کنید. پمپ ها، فن ها و کمپرسورها اغلب با سرعت ثابت کار می کنند و کنترل دبی و مقصد با باز و بسته شدن دستی شیرها در خطوط لوله انجام می شود. این معمولاً فرآیند راه‌اندازی را بسیار سخت می‌کند. زیرا برای مثال راه‌اندازی یک ایستگاه پمپاژ ممکن است تا یک ساعت طول بکشد. هزینه های نیروی کار با پرسنل افزایش می یابد که گاهی اوقات مجبورند مسافت های طولانی را به مکان های دور سفر کنند. در برخی از تأسیسات این فرآیند خودکار است اما مصرف انرژی ضعیف است.

 

استفاده از درایو فرکانس متغیر (VFD) :

استفاده از درایو فرکانس متغیر (VFD) برای کنترل موتورها می تواند منجر به صرفه جویی زیادی شود. تقریباً 70 درصد از کل انرژی الکتریکی مصرفی صنعتی، صرف تأمین انرژی موتورهای الکتریکی می شود. مانند پمپ هایی که سیالات را حرکت می دهند تا فن هایی که هوا را به کمپرسورها، نوار نقاله ها منتقل می کنند و هر نوع ماشینی که برای انجام کار خود به نیروی دوار وابسته است.
استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) منجر به صرفه جویی فوری در مصرف انرژی می شود و در عین حال مزیت های رقابتی طولانی مدتی را نیز به همراه دارد. هر فرآیندی که از موتورهای الکتریکی استفاده می کند، می تواند با استفاده از درایوهای سرعت متغیر، صرفه جویی مالی و مزایای مهمی را به دست آورد. ممکن است بخواهید به عملکردها و فرآیندهای خود، صرف نظر از اینکه چقدر بزرگ یا کوچک هستند، نگاهی بیندازید تا ببینید که کجا استفاده هدفمند از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) می تواند به شما کمک کند بازپرداخت سریع مالی و مزیت های رقابتی طولانی مدت داشته باشید.

 

حتما بخوانید: آشنایی با تجهیزات آسانسور

 

نتیجه‌گیری:

نهایتا به این نتیجه رسیدیم که وقتی موتور با سرعت کمتر کار میکند، مصرف انرژی کمتری خواهد داشت. بنابراین می توان با کمک درایو فرکانس متغیر (VFD) مقدار قابل توجهی در مصرف برق صرفه جویی کرد. با تغییر فرکانس و ولتاژ تغذیه موتور القایی می توان سرعت موتور القایی را تغییر داد. بنابراین درایو فرکانس متغیر (VFD) می تواند هم در مورد کنترل سرعت و هم برای صرفه جویی در انرژی کار کند.
همانطور که می دانیم حفظ انرژی یکی از مهمترین نیازها در سراسر جهان است. بنابراین پس از مطالعه کنترل سرعت موتور القایی با استفاده از درایو فرکانس متغیر (VFD)، به راحتی می توان سرعت موتور القایی را تغییر داد و همچنین در مصرف انرژی صرفه جویی کرد.
گروه صنعتی سپیانی آماده ارائه خدمات در زمینه طراحی، راه اندازی و نگهداری سیستم های اتوماسیون صنعتی با استفاده از انواع درایو، با توجه به نوع کاربری پروژه شما است. استفاده از درایو باعث صرفه جویی در هزینه ها‌ی انرژی، تعمیرات موتور های الکتریکی و باعث افزایش بهره وری تولید می شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر میتوانید فرم درخواست مشاوره را تکمیل کنید تا مهندسین مجرب ما در کمترین زمان ممکن با شما تماس بگیرند.

بازگشت به لیست

مطالب مرتبط

دیدگاهی در مورد “درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟ مزایا و کاربرد

  1. سعید حسینی گفت:

    ممنون بابت مقاله تخصصی و مفیدتون.

    1. مدیر سایت گفت:

      سپاس از توجه شما

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.