اینورتر چیست؟ درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟

این دستگاه در صنعت با نام های اینورتر، درایو، درایو AC، درایو فرکانس متغیر، درایو سرعت متغیر، VFD و VSD شناخته می شود. و در واقع نوعی کنترل کننده سرعت الکتروموتور است.

نکته: در این مطلب منظور از موتور، الکتروموتور می باشد.

اینورتر موتور الکتریکی را با تغییر فرکانس و ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی به حرکت در می آورد. به بیان ساده تر برق شبکه مستقیما به موتور نمی رسد و اینورتر با تغییر فرکانس و ولتاژ برق ورودی الکتروموتور، سرعت آن را کنترل می کند.  

فرکانس (یا هرتز) به طور مستقیم با سرعت موتور (RPMs) مرتبط است. به عبارت دیگر، هرچه فرکانس بیشتر باشد، سرعت الکتروموتور RPM بیشتر می شود.

اگر در یک کاربری به  الکتروموتور با سرعت نامی آن نیاز نداشته باشیم، می توان از VFD برای کاهش فرکانس و ولتاژ به منظور کاهش سرعت موتور استفاده کرد.

با تغییر نیاز به سرعت موتور در برنامه، اینورتر (VFD) می تواند به سادگی سرعت موتور را کم یا زیاد کند تا سرعت مورد نیاز را تامین کند.

یک اینورتر  (درایو فرکانس متغیر) چگونه کار می کند؟

اولین مرحله از درایو AC فرکانس متغیر یا VFD، مبدل (کانورتر – Converter) است.

مبدل (کانورتر – Converter) از شش دیود تشکیل شده است که مشابه چک ولو (شیر یک طرفه) مورد استفاده در سیستم های لوله کشی است. این شیرها یا دیود ها اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت حرکت کند. جهت نشان داده شده توسط فلش در نماد دیود.

به عنوان مثال، هر گاه ولتاژ فاز A (ولتاژ را مشابه فشار در سیستم‌های لوله‌کشی در نظر بگیرید) مثبت‌تر از ولتاژ فاز B یا C باشد، آن دیود باز می‌شود و به جریان اجازه عبور می‌دهد. هنگامی که فاز B نسبت به فاز A مثبت تر می شود، دیود فاز B باز می شود و دیود فاز A بسته می شود. همین امر برای 3 دیود در سمت منفی نیز صادق است. بنابراین، با باز و بسته شدن هر دیود، شش “پالس” جریان دریافت می کنیم. این موضوع “VFD شش پالسی” نامیده می شود، که در حال حاضر پیکربندی استاندارد درایوهای فرکانس متغیر فعلی است.

فرض کنید درایو بر روی یک سیستم برق 480 ولت کار می کند. عدد 480 ولت “rms” یا ولتاژ موثر نامیده می شود. در یک سیستم 480 ولت پیک ولتاژ 679 ولت می باشد. همانطور که می بینید، باس DC در اینورتر دارای یک ولتاژ dc با ریپل AC است. و ولتاژ تقریباً بین 580 تا 680 ولت است.

خلاص شدن از شر موج AC!

ما می توانیم با اضافه کردن یک خازن از شر موج AC در باس DC خلاص شویم. یک خازن تقریبا شبیه به یک مخزن یا باتری در یک سیستم لوله کشی عمل می کند. این خازن امواج AC را جذب می کند و یک ولتاژ DC صاف را ارائه می دهد. موج AC در باس DC معمولا کمتر از 3 ولت است. بنابراین، ولتاژ در باس DC “تقریبا”  650VDC می شود. ولتاژ واقعی به عواملی از جمله: سطح ولتاژ خط AC تغذیه کننده درایو، سطح عدم تعادل ولتاژ در سیستم قدرت، بار موتور، امپدانس سیستم قدرت و هر راکتور یا فیلتر هارمونیک روی درایو بستگی دارد.

مبدل های موجود در درایو فرکانس متغیر و دلیل نامگذاری آن ها

مبدل (کانورتر – Converter) پل دیودی که AC به DC را تبدیل می کند، گاهی اوقات فقط به عنوان مبدل (کانورتر – Converter) نامیده می شود. مبدلی که DC را به AC تبدیل می کند نیز در اصل یک مبدل است! اما برای تمایز آن از مبدل دیودی، معمولاً به آن “اینورتر” (inverter) می گویند. همچنین در صنعت رایج شده است که به هر مبدل DC به AC با عنوان اینورتر یاد می شود. (مانند مبدل برق باطری خودرو به برق شهری که به آن اینورتر می گویند.)

پس در حقیقت در یک درایو فرکانس متغیر ما دو بار عمل تبدیل را انجام می دهیم. 

1. تبدیل برق ورودی AC به DC (به این مبدل اصطلاحا کانورتر Converter می گوییم)
2. تبدیل برق DC به AC با ولتاژ و فرکانس مورد نیاز (به این مبدل اصطلاحا اینورتر inverter می گوییم)

توجه داشته باشید که در یک VFD واقعی، سوئیچ های نشان داده شده در واقع ترانزیستور هستند. (مربوط به تصویر)

نحوه کنترل فرکانس خروجی در اینورتر (درایو فرکانس متغیر)

وقتی یکی از سوئیچ بالایی اینورتر را می بندیم، آن فاز موتور به باس مثبت DC متصل می شود و ولتاژ آن فاز مثبت می شود.

وقتی یکی از سوئیچ پایین مبدل را می بندیم، آن فاز به باس منفی DC متصل می شود و منفی می شود.

بنابراین، ما می‌توانیم کاری کنیم که هر فاز روی موتور به میل ما مثبت یا منفی شود و در نتیجه می‌توانیم هر فرکانسی را که می‌خواهیم تولید کنیم. پس می توانیم هر فازی را مثبت، منفی یا صفر کنیم. [و این یعنی قدرت کنترل فرکانس که در نهایت منجر به کنترل سرعت موتور خواهد شد].

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

شکل موج خروجی اینورتر

توجه داشته باشید که خروجی VFD یک شکل موج “مستطیلی” است. VFD ها خروجی سینوسی تولید نمی کنند. این شکل موج مستطیلی انتخاب خوبی برای یک سیستم توزیع عمومی نیست، اما برای یک موتور کاملاً مناسب است.

تغییر مقدار ولتاژ rms در اینورتر

اگر بخواهیم فرکانس موتور را به 30 هرتز کاهش دهیم، به سادگی ترانزیستورهای خروجی اینورتر را آهسته تر سوئیچ می کنیم. اما، اگر فرکانس را به 30 هرتز کاهش دهیم، باید ولتاژ را نیز به 240 ولت کاهش دهیم تا نسبت V/Hz (V/f) را حفظ کنیم . سوال مهم: اگر تنها ولتاژی که داریم 650VDC است چگونه می خواهیم ولتاژ را کاهش دهیم؟؟؟

این عمل مدولاسیون پهنای پالس (Pulse Width Modulation or PWM) نامیده می شود. تصور کنید که می‌توانیم فشار را در یک خط آب با روشن و خاموش کردن یک شیر با سرعت بالا کنترل کنیم.در عمل این کار در یک سیستم لولکه کشی کاربردی ندارد، اما در VFD بسیار خوب عمل می کند.

 فرض کنید که در نیم چرخه اول، ولتاژ در نیمی از زمان روشن و نیمی از زمان خاموش باشد. بنابراین، ولتاژ متوسط نصف 480 ولت یا 240 ولت است. با کنترل پالس های خروجی، می توانیم به هر ولتاژ متوسطی در خروجی VFD دست پیدا کنیم.

برای درک اینکه قسمت های مختلف یک درایو در واقعیت چگونه هستند، تصاویر زیر را ببینید.

دلایل استفاده از اینورتر (درایو فرکانس متغیر VFD)

1 – کاهش مصرف و هزینه انرژی با استفاده از اینورتر

اگر در برنامه‌ای نیازی به سرعت کامل موتور ندارید، می‌توانید با کنترل موتور توسط اینورتر (درایو فرکانس متغیر) هزینه‌های مربوط به انرژی را کاهش دهید. VFD ها به شما این امکان را می دهند که سرعت تجهیزات موتوری را مطابق با بار آن تنظیم کنید. هیچ روش دیگری برای کنترل موتور الکتریکی AC وجود ندارد که به شما این امکان را بدهد.

امروزه بیش از 65 درصد از برق مصرفی در صنعت مربوط به موتور های الکتریکی  است. بهینه سازی سیستم های کنترل موتور با نصب یا ارتقاء به اینورتر VFD ها می تواند مصرف انرژی در تاسیسات شما را تا 70 درصد کاهش دهد. علاوه بر این، استفاده از VFD ها کیفیت محصول را بهبود می بخشد و هزینه های تولید را کاهش می دهد. با ترکیب مشوق‌های مالیاتی بهره‌وری انرژی و تخفیف‌های آب و برق، بازگشت سرمایه تهیه و نصب  VFD می‌تواند به 6 ماه برسد.

2 – افزایش تولید از طریق کنترل دقیق تر فرآیند

اگر موتورها با سرعتی که متناسب با نیاز شما است کار کنند، اشتباهات کمتری رخ می دهد و در نتیجه سطح تولید افزایش می یابد که درآمد بیشتری را برای شرکت شما به ارمغان می آورد. همچنین در نوار نقاله ها و تسمه ها، تکان های هنگام راه اندازی از بین می برید.

3 – افزایش عمر تجهیزات و کاهش تعمیر و نگهداری

هنگامی که تجهیزات شما توسط اینورتر VFD ها کنترل می شوند و همواره با سرعت بهینه کار می کنند، موتور ها عمر بیشتری خواهند داشت و زمان شات دان آن ها به حداقل می رسد. چرا که دفعات کمتری برای تعمیر و نگهداری می روند.

به دلیل کنترل بهینه فرکانس و ولتاژ موتورتوسط اینورتر VFD، اینورتر محافظت بهتری برای موتور شما در برابر مسائلی مانند اضافه بار های الکتریکی حرارتی، حفاظت فاز، ولتاژ پایین، اضافه ولتاژ و غیره ارائه می‌کند.

وقتی بار را با اینورتر VFD راه‌اندازی می‌کنید، موتور یا بار را در معرض “شوک لحظه ی راه اندازی” قرار نمی دهد، بلکه سیستم در سرتاسر مسیر به آرامی و نرمی شروع به کار می کند. در نتیجه سایش تسمه، دنده و یاتاقان ها را از بین می برد. همچنین یک راه عالی برای کاهش و/یا حذف چکش آب (ضربه قوچ) در پمپ ها است زیرا می‌توانیم چرخه‌های شتاب گیری و کاهش سرعت نرمی داشته باشیم.

برای دریافت راهنمایی جهت انتخاب اینورتر (درایو) مناسب با کاربری خود با ما تماس بگیرید. فروشگاه آپرین صنعت با طیف وسیعی از برند های معتبر ایرانی و خارجی آماده تامین نیاز شما در رابطه با انواع اینورتر می باشد.

تماس با ما