صفر تا صد انتخاب اینورتر مدیوم ولتاژ

برای انتخاب اینورتر مدیوم ولتاژ مناسب باید ابتدا با انواع توپولوژی اینورتر مدیوم ولتاژ آشنا شویم. سپس مزایا و معایب آن ها را بشناسیم تا بتوانیم انتخاب درست تر و دقیق تری داشته باشیم. در این مقاله به معرفی اینورتر مدیوم ولتاژ، مزایا و معایب آن و نکات انتخاب اینورتر مدیوم ولتاژ میپردازیم.

فهرست مطالب

درک مزایای توپولوژی درایو چند سطحی در کاربردهای موتور ولتاژ متوسط (MV)

درایوهای چند سطحی (Multi-Level Drives) به طور فزاینده‌ای در کاربردهای موتور ولتاژ متوسط (MV) مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع درایوها به دلیل مزایای متعددی که ارائه می‌دهند، محبوبیت بیشتری یافته‌اند. از جمله این مزایا می‌توان به کاهش هارمونیک‌ها، افزایش کیفیت سیگنال و بهبود عملکرد کلی موتور اشاره کرد.

CTL2404 MAG2 F2a POWER MV drives Yaskawa Fig1 low voltage VFD real slider — شکل 1- درایو ولتاژ پایین

قابلیت اطمینان عایق موتور و امواج منعکس شده: چه مواردی را هنگام انتخاب یک درایو فرکانس متغیر (VFD) در نظر بگیریم؟

یکی از مهم‌ترین نکات در انتخاب یک درایو فرکانس متغیر (VFD) برای موتورهای ولتاژ متوسط، قابلیت اطمینان عایق موتور است. امواج منعکس شده که به دلیل تغییرات ناگهانی در ولتاژ یا جریان در سیستم ایجاد می‌شوند، می‌توانند به عایق موتور آسیب برسانند. به همین دلیل، هنگام انتخاب درایو مناسب، باید توجه ویژه‌ای به طراحی و ویژگی‌های فنی درایو مدیوم ولتاژ داشته باشید تا از قابلیت اطمینان و عمر طولانی موتور خود اطمینان حاصل کنید.

بینش‌های توپولوژی درایو خروجی چند سطحی

درک تأثیر امواج منعکس شده ممکن است نیازمند مرور اصول اولیه درایوهای فرکانس متغیر و قابلیت اطمینان عایق موتور باشد. درایوهای ولتاژ متوسط چند سطحی که به صورت کاسکاد طراحی شده‌اند، نیاز به استراتژی‌های مؤثری دارند تا خطر بازتاب ولتاژ را بر روی سیستم‌های عایق موتور کاهش دهند، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به کابل‌های بلند برای موتور دارند.

توجه به رزونانس برای کاهش خطر شکست عایق موتور و افزایش قابلیت اطمینان آن

برای کاهش خطر شکست عایق موتور و بهبود قابلیت اطمینان آن، باید رزونانس را در نظر گرفت. درایوهای فرکانس متغیر (VFD) در اکثر کاربردهای صنعتی موتور، از جمله پمپاژ، فشرده‌سازی، دمش، حمل و نقل، اکستروژن و مخلوط کردن، رایج هستند.

زمانی که موتورهای صنعتی به صورت مستقیم بر روی شبکه برق 60 هرتز راه‌اندازی می‌شوند، کارایی موتور محدود به یک محدوده بسیار باریک در اطراف سرعت و گشتاور نامی آن است. درایوهای مدیوم ولتاژ این امکان را فراهم می‌کنند که موتورها در بازه وسیع‌تری از سرعت‌ها با حداکثر کارایی عمل کنند، در حالی که نیازهای متنوع گشتاور را برآورده کرده و فشار به موتور و جریان شروع را کاهش می‌دهند.

اصول درایوهای فرکانس متغیر

برای هر موتوری، ولتاژ و فرکانس تأمین بهینه با تغییر نیازهای سرعت و گشتاور کاربرد متفاوت است. زمانی که یک موتور 460 ولت 60 هرتز به صورت مستقیم راه‌اندازی می‌شود، تنها می‌تواند با ولتاژ و فرکانس ارائه‌شده توسط شبکه برق کار کند. درایوها با تنظیم مداوم ولتاژ و فرکانس خروجی، این محدودیت را برطرف می‌کنند و شرایط بهینه عملکرد را برای بار کاربردی فراهم می‌سازند.

درایوهای ولتاژ پایین (LV: کمتر از 1000 ولت) معمولاً شامل سه بخش هستند. جریان برق از سمت چپ (تأمین انرژی) به سمت راست (موتور) در شکل 1 جریان دارد.

بخش‌های اصلی درایو

پل دیودی: این بخش، قدرت سه‌فاز تأمین‌شده از شبکه برق را از جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند.
باس DC: این قسمت به عنوان یک باتری عمل می‌کند. باس انرژی را که از پل دیودی دریافت می‌کند، ذخیره می‌کند تا زمانی که آن انرژی توسط بخش اینورتر نیاز باشد.
اینورتر: ترانزیستورهای بایپولار با گیت عایق (IGBTs) در این بخش به عنوان سوئیچ‌هایی عمل می‌کنند که با سرعت بسیار بالایی (هزاران بار در ثانیه) روشن و خاموش می‌شوند. یک درایو نمی‌تواند یک موج سینوسی آنالوگ واقعی تولید کند که با تأمین انرژی شبکه مطابقت داشته باشد. با این حال، با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM)، درایو یک سری از پالس‌های کوتاه و طولانی تولید می‌کند که در نهایت نمایانگر یک شکل موج ولتاژ سینوسی هستند، همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است. هنگامی که این پالس‌ها توسط القای سیم‌پیچ‌های موتور صاف می‌شوند، جریان موتور تقریباً سینوسی می‌شود.

CTL2404 MAG2 F2a POWER MV drives Yaskawa Fig2 Three Level Drive Output Waveform — شکل 2- شکل موج خروجی اینورتر مدیوم ولتاژ PWM

مثال: این به اصل کار یک دیمری با لامپ رشته‌ای شباهت دارد. دیمری در واقع ولتاژ اوج را به لامپ کاهش نمی‌دهد، بلکه به سرعت آن را روشن و خاموش می‌کند تا پالس‌ها قابل درک نباشند و روشنایی متوسط کاهش یابد.

برای آشنایی بیشتر با نحوه عملکرد اینورتر مدیوم ولتاژ به مقاله “بررسی جامع و تخصصی درایو مدیوم ولتاژ” مراجعه کنید.

ملاحظات قابلیت اطمینان عایق موتور: موج منعکس شده

در مواردی که امکان نصب اینورتر مدیوم ولتاژ در نزدیکی موتور (در فاصله کمتر از 50 متر) وجود داشته باشد، معمولاً نیاز به اقدامات اضافی نیست. خواص القایی و خازنی کابل‌های موتور به طول کابل بستگی دارد. زمانی که طول کابل کوتاه باشد (<50 متر)، القا و ظرفیت کابل به قدری کم است که تأثیر چشم‌گیری بر سیستم ندارد.

تأثیر طول کابل در امواج منعکس شده

در برخی کاربردها، نصب اینورتر مدیوم ولتاژ در نزدیکی موتور امکان‌پذیر نیست و با افزایش طول کابل، خواص القایی و خازنی کابل افزایش می‌یابد. هنگامی که پالس‌های فرکانس بالای PWM در کابل موتور به دلیل تفاوت امپدانس سیم‌پیچ‌های موتور بازتاب پیدا می‌کنند، بازتاب‌های ولتاژ ایجادشده با پالس‌های ورودی ترکیب می‌شوند. این بازتاب‌ها می‌توانند ولتاژی تا دو برابر مقدار اوج ولتاژ خروجی درایو را در موتور ایجاد کنند. بدون اقدامات پیشگیرانه، فشار ولتاژ بالایی که توسط این پدیده ایجاد می‌شود، ممکن است از ظرفیت عایق کابل یا سیستم موتور فراتر رفته و به شکست عایق و در نهایت خرابی موتور یا کابل منجر شود.

استانداردهای حفاظتی NEMA

بخش IV قسمت 31 استاندارد NEMA MG-1، خطر نوسانات ولتاژ را با الزام به استفاده از سیستم‌های عایق تقویت‌شده در موتورهای مخصوص استفاده با درایو فرکانس متغیر (VFD) کاهش می‌دهد. این موتورها باید قادر به تحمل دو برابر مقدار اوج ولتاژ (Vpeak = √2*VRMS) به‌علاوه 10 درصد حاشیه ایمنی باشند. در هنگام استفاده از درایوهای مدیوم ولتاژ، مهم است که اطمینان حاصل کنید سیستم عایق موتور به گونه‌ای طراحی شده که برای استفاده با درایو مناسب باشد، نه فقط برای اتصال به شبکه برق.

راه‌حل‌های رایج: استفاده از فیلترهای dV/dt یا سینوسی

یکی دیگر از راه‌حل‌های متداول استفاده از راکتور بار، فیلترهای dV/dt یا فیلترهای موج سینوسی در خروجی درایو است. اضافه کردن القا در خروجی درایو، زمان افزایش هر پالس را افزایش داده و شکل موج را صاف‌تر می‌کند و شدت بازتاب موج در موتور را کاهش می‌دهد. اگرچه این فیلترها در کاهش نوسانات ولتاژ مؤثر هستند، اما اضافه کردن فیلترها به سیستم درایو باعث افزایش هزینه، وزن و فضای مورد نیاز می‌شود، افت ولتاژ و حرارت اضافی ایجاد کرده و بازده کلی سیستم را کاهش می‌دهد.

درایوهای ولتاژ متوسط با خروجی چند سطحی کاسکاد(Cascade H bridge)

برای موتورهای با توان کمتر از 250 اسب بخار که از درایوهای ولتاژ پایین استفاده می‌کنند، افزایش سطح عایق و استفاده از فیلترهای خروجی استراتژی‌های مؤثری برای کاهش خطر بازتاب ولتاژ در سیستم‌های عایق موتور هستند، به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به کابل موتور طولانی دارند.

این استراتژی‌های حفاظتی در درایوهای با ظرفیت بالاتر نیز قابل استفاده هستند. اما برای کاربردهای بالای 250 اسب بخار، از نظر اقتصادی استفاده از توپولوژی درایو چند سطحی ولتاژ متوسط منطقی‌تر است. با استفاده از خروجی چند سطحی درایو، می‌توان شکل موج خروجی تقریباً سینوسی ایجاد کرد و خطر فشار ولتاژ بازتابی را در منبع آن برطرف کرد. این توپولوژی به وفور در اینورتر مدیوم ولتاژ استفاده میشود.

ساختار و عملکرد درایوهای چند سطحی

بیشتر درایوهای چند سطحی از اجزای مشابه درایوهای ولتاژ پایین، از جمله پل دیودی، باس خازن و IGBTهای خروجی تشکیل شده‌اند. اما به جای روشن و خاموش کردن یک باس DC واحد، درایوهای چند سطحی از توپولوژی کاسکاد استفاده می‌کنند که در آن پتانسیل چندین باس خازن DC به صورت مجموعه‌ای از پله‌های کوچک با هم جمع می‌شوند. همانند جریان آب در یک آبشار پله‌ای که از روی مجموعه‌ای از پله‌های کوچک عبور می‌کند، توپولوژی درایو کاسکاد نیز به ولتاژ خروجی اجازه می‌دهد که با مراحل تدریجی کوچک تغییر کند، به جای اینکه از وضعیت کامل روشن به وضعیت کامل خاموش سوئیچ کند (همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است).

توپولوژی‌های مختلف درایوهای چند سطحی

توپولوژی درایو با خروجی سه سطحی که در شکل 1 نشان داده شده، شامل یک باس DC برای ذخیره انرژی و شش IGBT سوئیچ برای ایجاد شکل موج سه‌فاز خروجی است.

توپولوژی درایو با خروجی 17 سطحی که در شکل 3 نمایش داده شده، شامل 12 باس DC مستقل برای ذخیره انرژی و مجموعه‌ای از 48 IGBT کاسکاد است. در این توپولوژی، هر یک از IGBTهای کاسکاد بخشی کوچک از ولتاژ خروجی کامل را سوئیچ می‌کنند. شکل موج ولتاژ خروجی به دست آمده که در شکل 4 نشان داده شده، نرم و تقریباً سینوسی است.

CTL2404 MAG2 F2a POWER MV drives Yaskawa Fig3 17 Level Drive Topology — شکل 3- توپولوژی اینورتر مدیوم ولتاژ Cascade H bridge 17 سطحی

CTL2404 MAG2 F2a POWER MV drives Yaskawa Fig4 17 Level Drive Output Waveform — شکل 4- شکل موج خروجی اینورتر مدیوم ولتاژ 17 سطحی با توپولوژی cascade H bridge

مزایای خروجی کاسکاد (Cascade) با شکل موج صاف

یک خروجی کاسکاد با شکل موج صاف، به‌طور ذاتی چالش‌های فشار ولتاژ بازتابی را که در بیشتر توپولوژی‌های درایو ولتاژ پایین وجود دارد، برطرف می‌کند. با از بین بردن پالس‌های سوئیچینگ با دامنه بالا در منبع، نیاز به اضافه کردن فیلترهای گران‌قیمت برای محافظت در برابر پدیده‌های موج منعکس شده در خروجی کاهش می‌یابد. یک خروجی 17 سطحی صاف، فشار ولتاژ را کاهش داده و طول عمر سیستم‌های عایق کابل و موتور را افزایش می‌دهد.

ملاحظات مربوط به قابلیت اطمینان عایق موتور: پدیده رزونانس

در سیستم‌های اینورتر مدیوم ولتاژ، پدیده موج بازتابی تنها عامل ایجاد فشار ولتاژ مضر نیست. یکی دیگر از عوامل مهم، به‌ویژه در سیستم‌هایی که از کابل‌های موتور بسیار طولانی استفاده می‌کنند، پدیده رزونانس است.

رزونانس زمانی رخ می‌دهد که نیروهای نوسانی با فرکانس طبیعی سیستم هماهنگ شوند. برای درک بهتر این موضوع، می‌توان آن را به تاب بازی کودک تشبیه کرد. اگر کودک به‌صورت تصادفی پاهایش را حرکت دهد، نوسان تاب کم است، اما اگر حرکت پاها با ریتم طبیعی نوسان تاب هماهنگ باشد، با هر حرکت کوچک انرژی بیشتری به تاب اضافه می‌شود و دامنه نوسان بیشتر می‌شود. اگر کودک همچنان به حرکت خود ادامه دهد، تاب ممکن است بی‌ثبات شده و از کنترل خارج شود.

در کاربردهای صنعتی که کابل‌های بسیار طولانی (بیش از 300 متر) دارند، ممکن است رزونانس الکتریکی در سیستم کابل رخ دهد. درایوهای مدرن با منابع ولتاژ، برای ایجاد ولتاژ خروجی، IGBTها را با سرعت بسیار بالایی (هزاران بار در ثانیه) روشن و خاموش می‌کنند. این فرکانس سوئیچینگ یا “فرکانس حامل” معمولاً بر حسب کیلوهرتز بیان می‌شود (به‌عنوان مثال، 4 کیلوهرتز معادل 4000 چرخه در ثانیه است). ترکیب ویژگی‌های القایی و خازنی هر کابل یک فرکانس رزونانس خاص ایجاد می‌کند. وقتی طول کابل کمتر از 300 متر است، فرکانس رزونانس کابل معمولاً بسیار بیشتر از فرکانس سوئیچینگ اینورتر مدیوم ولتاژ است و خطر خاصی ایجاد نمی‌کند. اما با افزایش طول کابل، فرکانس رزونانس کاهش می‌یابد. هنگامی که فرکانس رزونانس کابل و فرکانس سوئیچینگ برابر می‌شوند، ممکن است ولتاژهای رزونانس خطرناکی با دامنه‌ای تا پنج برابر اوج ولتاژ القا شوند.

برای کاربردهایی که کابل‌های بسیار طولانی (بیش از 300 متر) دارند، بهتر است که مطالعه‌ای بر روی ویژگی‌های اینورتر مدیوم ولتاژ و کابل ها انجام شود تا خطر احتمالی ارزیابی و فیلتر خروجی سینوسی مناسبی برای جلوگیری از رزونانس انتخاب شود.

کاهش خطرات شکست عایق

در کاربردهایی که به کابل‌های طولانی موتور نیاز دارند، اینورتر مدیوم ولتاژ چندسطحی و آبشاری نه‌تنها تمامی مزایای رایج درایوهای فرکانس متغیر (VFD) را ارائه می‌دهد، بلکه خطرات شکست عایق ناشی از پیک‌های ولتاژ حاصل از بازتاب موج را نیز به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

برای سیستم‌های قدیمی که از موتورهایی با سیستم عایق استاندارد (طراحی‌شده تنها برای کار با برق ۶۰ هرتز) استفاده می‌کنند، اینورتر مدیوم ولتاژ چندسطحی آبشاری گزینه‌ای مطمئن برای تبدیل سیستم به کنترل فرکانس متغیر فراهم می‌کند. این راهکار، بدون ایجاد استرس ولتاژ اضافی، امکان کنترل سرعت را به‌صورت بهینه در این سیستم‌های قدیمی فراهم کرده و آن را به راه‌حلی ایمن و کاربردی تبدیل می‌کند.

نتیجه‌گیری

در نتیجه، استفاده از اینورتر مدیوم ولتاژ در کاربردهای صنعتی به دلیل مزایای گسترده آن در کاهش استرس ولتاژ و حفظ عایق‌بندی موتور، به ویژه در سیستم‌هایی با کابل‌های طولانی، گزینه‌ای بسیار موثر و کاربردی است. این نوع اینورترها نه تنها امکان کنترل بهینه سرعت را فراهم می‌کنند، بلکه با کاهش خطرات شکست عایق و پیک‌های ولتاژ، طول عمر موتور و سیستم را افزایش می‌دهند.

شرکت الکتروفرآیند رشنو به عنوان ارائه‌دهنده خدمات تخصصی در تامین، تعمیر و نگهداری اینورترهای مدیوم ولتاژ، آماده است تا نیازهای شما در این زمینه را با بالاترین سطح کیفیت و دقت برآورده کند.