کاربرد اینورترها در صنایع مختلف چیست؟

سیستم کنترل دور موتور AC – یه مقدمه کوتاه

تعمیر اینورتر: در کارخانجات و مراکز صنعتی، استفاده از موتور AC سه فاز جایگاه ویژه‌ای داره. در همین راستا کیفیت راه‌اندازی و کنترل دور موتورهای AC به 2 دلیل مورد توجه است:

لذا با توجه به اهمیت این موضوع، برای راه اندازی موتورهای AC از تجهیزاتی مثل درایو اینورتر (Inverter Drive) و راه انداز نرم ( یا Soft Starter) استفاده میشه.

چون میخوام بحث طولانی نشه فقط یه یادآوری کوچیک بکنم که سرعت دینام یا الکتروموتور سه فاز از رابطه زیر حساب میشه:

پس برای تغییر سرعت یا باید تعداد قطب ها رو عوض کنید، که میشه موتور دو-دور یا باید فرکانس رو تغییر بدید که میشه اینورتر.

راه سومی هم وجود نداره. (البته داریم درباره موتور سه فاز صحبت میکنیم. موتورهای دیگه داستان خودشون رو دارند)

سیستم کنترل دور موتور AC با اینورتر

درایو AC یا دستگاه اینورتر برق صنعتی چیست؟

دستگاه اینورتر برق صنعتی یا درایو کنترل دور موتور دستگاهیه که برای کنترل سرعت موتور AC سه فاز کاربرد داره. همانطور که میدونیم روشهای سنتی کنترل سرعت موتور سه فاز AC مانند روش دالاندر یا اتوترانسفورماتور و … محدودیت هایی دارند. برخلاف این روش های قدیمی، درایو اینورتر میتونه سرعت چرخش موتور سه فاز رو بالاتر یا پایین تر از سرعت نامی موتور سه فاز، کنترل کنه و باعث بشه دستگاه ما با سرعت دلخواه حرکت کنه.

کار اینورتر چیست؟

پس اگه جایی توی کارگاه یا کارخونه یه الکتروموتور یا دینام سه فاز داشتید و خواستید سرعت اش رو کنترل کنید، احتمالا تنها راه اتون استفاده از اینورتور یا درایو هستش.

کاربرد اینورتر در صنعت

یکی از سوالات اینه که کار اینورتر چیست یا اینورتر در صنعت چه کاربردی دارد؟

کار اینورتر در صنعت تنظیم و کنترل دور ادوات صنعتی با توجه به نیاز ماست. مثلا وظیفه اینورتر صنعتی این هستش که با کنترل دور هواکش یا فن، شدت جریان هوا را کم یا زیاد میکنه (شکل زیر) یا مثلا در نوار نقاله عملکرد اینورتر این هستش که با تنظیم سرعت کانوایر متناسب با نیاز، بهترین بهره‌برداری را از خط تولید فراهم کنه.

عملکرد اینورتر چیست؟ نمونه کاربرد اینورتر در فن و هواکش

برای کاربرد اینورتر علاوه بر موارد فوق باز هم میشه مثال زد:

موارد فوق هم فقط و فقط با کاربرد اینورتر هستش که حل میشه. در این موارد عملکرد اینورتر این هستش که سرعت الکتروموتور سه فاز رو بصورت آرام آرام زیاد میکنه و بصورت آرام آرام کم میکنه که مشکلات بالا حل بشه.

امیدوارم مثال های فوق برای کاربرد اینورتر، تونسته باشه روشن کنه اینورتر یعنی چه.

موارد بسیار زیادی برای کاربرد اینورتر در صنعت میشه مثال زد. نمونه‌های دیگری از کاربرد اینورتر در صنعت:

دستگاه های که در بالا برای کاربرد اینورتر اشاره شد در صنایع مختلف وجود دارند: از صنایع غذایی گرفته تا صنعت نفت و گاز و حتی صنایع دریایی. بنابراین احتمالا هر صنعتی رو که شما تصور کنید میتونید در اون جایگاهی برای کار و کاربرد اینورتر پیدا کنید.

انواع صنایع برای کاربرد اینورتر و درایو

تفاوت اینورتر و درایو

تفاوت درایو و اینورتر یا نام دوم اینورتر هم سوال برخی از همکاران هستش.

هرچند که اسامی و الفاظ تعیین کننده نیستند ولی برای اینکه به این مطلب هم در اینجا اشاره کرده باشم، باید عرض کنم که توی ایران بیشتر به این دستگاه میگن . همچنین برخی بعنوان نام دوم اینورتر از واژه استفاده میکنند. برخی هم با اسم درایو میشناسند. پس اصولا تفاوت اینورتر و درایو در حد الفاظ هستش و هر دو به یه دستگاه اشاره میکنند. شاید درست ترین واژه باشه. البته الفاظ دیگری هم بعنوان نام دوم اینورتر استفاده میشه. مانند:

پس بحث درست و غلط خیلی نیست. این تکنولوژی با اسامی اختصاری بصورت زیر هم زیاد نام برده میشه:

شاید کلمه VFD یا AC Drive رایج تر باشه. این چیزایی بود که الان حضور ذهن دارم. الفاظ بالا تماماً منظور همون دستگاه اینورتر برق صنعتی خودمون هست. پس ما همون کلمه اینورتر رو استفاده میکنیم.

پس اگه درباره تفاوت درایو و اینورتر سوال شد باید بدونیم که فقط بحث الفاظ هستش و اینا یه دستگاه هستن. یکی میگه اینورتر، یکی میگه درایو یکی میگه کانورتر، درایور و … .

فرق اینورتر و درایو کنترل دور موتور چیست؟

درباره فرق اینورتر و درایو در قسمت ساختمان اینورتر در قسمت بعدی توضیح میدم خدمتتون که واژه برای اشاره به این دستگاه دقیق نیست. چون اینورتر یکی از قسمتهای داخلی دستگاه کنترل دور موتور AC هستش.

ساختمان داخلی اینورتر درایو

یه کوچولو هم درباره ساختمان و مدار داخلی اینورتر صحبت کنیم.

از نظر فنی، دستگاه اینورتر یا درایو AC دستگاهی هستش که برق سه فاز AC با ولتاژ و فرکانس ثابت رو به برق AC سه فاز با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل میکنه تا با اعمال اون به الکتروموتور، سرعت دلخواه داشته باشیم.

همانطور که در شکل زیر دیده میشه مدار و ساختمان اینورتر از چهار قسمت اصلی تشکیل شده: یکسوساز(Rectifier)، لینک دی سی (DC-Bus Filter)، اینورتر(Inverter) و نهایتا برد کنترل (CPU, Controller)

اجزای داخلی در ساختمان داخلی اینورتر درایو

1- قسمت ورودی دستگاه: یکسوساز (Rectifier)

در مدار داخلی اینورتر، بخش ورودی یکسوساز یا رکتیفایر نام دارد. برق سه فاز AC به ترمینال های ورودی داده میشه و توسط شش عدد دیود به برق DC تبدیل می شود. ولتاژ یکسوشده حدود 1.35 برابر ولتاژ ورودی AC است. یعنی چنانچه ولتاژ ورودی سه فاز 400 ولت باشد، ولتاژ دی سی حدود 540 ولت خواهد بود. همچنین در توان های بالاتر از حدود 22 کیلووات، سه تا از شش دیود یکسوساز با تریستور جایگزین میشن.

یکسوساز یا رکتیفایر در قسمت ورودی دستگاه کنترل دور موتور

2- قسمت میانی: لینک دی سی (DC-Link)

در ساختمان داخلی اینورتر درایو، قسمت میانی دستگاه تشکیل شده است از تعدادی خازن با ظرفیت مناسب که برای صاف کردن شکل موج یکسو شده کاربرد دارد. این خازن ها باعث میشود برق یکسو شده نهایی کاملا DC و صاف باشد. البته در برخی از دستگاه های درایور موتور ممکنه علاوه بر خازن از سلف هم استفاده شود.

خازن های لینک دی سی اینورتر

3- قسمت خروجی دستگاه: اینورتر (Inverter)

در مدار داخلی درایو کنترل دور موتور، قسمت خروجی دستگاه، اینورتر نام دارد. اینورتر یک مبدل DC به AC است که ولتاژ DC میانی را به یک ولتاژ AC با ولتاژ و فرکانس دلخواه تبدیل می کنه. این قسمت از شش عدد ترانزیستور با نام آی‌جی‌بی‌تی (IGBT) تشکیل شده است.

قسمت خروجی دستگاه کنترل دور موتور، اینورتر نامیده میشود

4- قسمت کنترلِ IGBT ها (واحد کنترل یا CPU)

در ساختار اینورتر وظیفۀ اصلی بُرد کنترل تولید پالس هایی برای خاموش و روشن کردن سوئیچ های الکترونیکی است، به صورتی که برق DC خروجی یکسوساز را به AC تبدیل می کند. چگونگی و پهنای پالسِ کلیدزنی، به تنظیمات پارامترهای اینورتر بستگی داره که پس از تنظیم، از طرف بُرد کنترل به سوئیچ های الکترونیکی اعمال می شود.

در شکل زیر یک نمونه ساختمان داخلی اینورتر رو بصورت واقعی ملاحظه کنید

یک نمونه اینورتر باز شده واقعی

اصول و طرز کار اینورتر چیست و چگونه کار می کند؟

در بالا متوجه شدیم که اینورتور سرعت ثابت موتور سه فاز رو مطابق نیاز ما تنظیم می کند. وظیفه اینورتر ( که معمولا داخل یه قرار می گیره) تولید فرکانس و ولتاژ متغیر و مورد نیاز موتور است؛ از شبکه برق با فرکانس ثابت ۵۰ هرتز.

اما سوال اصلی اینه که طرز کار اینورتر چیست و درایو چگونه کار می کند و این تبدیل را انجام می‌دهد؟

اینورتر چگونه ولتاژ و فرکانس مورد نیاز را تولید می‌کند؟

اصول و روش کار اینورتر و درایو بر مبنای تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ AC استوار هستش. عرض میکنم به چه صورت.

گفتیم ولتاژ ورودی AC اینورتر تبدیل میشه به یک ولتاژ DC در قسمت میانی. که این ولتاژ DC صاف شده، به قسمت خروجی دستگاه – که تشکیل شده از چند تا IGBT – داده میشه. ترانزیستور ای جی بی تی هم که معادل یه سوئیچ هستش. اجازه بدید برای بیان طرز و نحوه کار اینورتر، شکل مدار داخلی اینورتر (قسمت خروجی) رو بصورت ساده تری ترسیم کنیم (شکل زیر) برای سادگی بیان یکی از فازها حذف شده.

ساده ترین بیان برای چگونگی عملکرد اینورتر کنترل دور موتور

بجای کلاف موتور یه لامپ قرار داده شده. خب! دقت کنید به شکل بالا. فقط کافیه CPU یا برد کنترل به سوئیچ ها دستور قطع و وصل بده. به این صورت که اگر سوئیچ های S1 و S4 بسته شوند ولتاژ DC به دوسر لامپ میرسه. بشکل زیر:

چگونگی عملکرد IGBT بعنوان سوئیچ در اینورتر درایو

حالا اگه سوئیچ های S2 و S3 بسته شوند ولتاژ DC به دوسر لامپ به شکل زیر میرسه

چگونگی عملکرد IGBT بعنوان سوئیچ در اینورتر درایو

حالا اگه برد کنترل به تناوب کلیدهای S1 و S4 و همچنین کلیدهای S2 و S3 را باز و بسته کنه، شکل ولتاژ مربعی متناوب به شکل بالا ایجاد میشه. که یه شکل موج AC هستش.

خب حالا سوالی که هستش اینه که اینورتر چطور ولتاژ رو کم و زیاد میکنه؟ یعنی مثلا ولتاژ 240v یا 120v رو چطور ایجاد میکنه؟ پاسخ ساده است: هرچی مدت زمان وصل بودن کلیدها بیشتر باشه، ولتاژ موثر حاصل بیشتر میشه.

در شکل زیر منحنی قرمز رنگ ولتاژ موثر معادل است. ارتباط بین پهنای پالس ها و منحنی قرمز رنگ چیه؟

چگونگی تنظیم مقدار ولتاژ خروجی اینورتر

سوال دیگه ای که پیش میاد اینه که چطور فرکانس خروجی کم و زیاد میشه؟ یعنی مثلا فرکانس های 30Hz, 50Hz, 60Hz چطور ایجاد میشه؟ پاسخ ساده است: با تنظیم زمان بندی مثبت منفی شدن (پلاریته) شکل موج .

در شکل زیر منحنی قرمز رنگ فرکانس معادل است. ارتباط بین پالس ها و منحنی قرمز رنگ چیه؟

چگونگی تنظیم مقدار فرکانس خروجی اینورتر

تنها تفاوتی که طرز کار اینورتر در عمل با مطالب بالا داره اینه که در یک سیکل بجای یک پالس، از چند پالس با عرض های مختلف، شکل موج ولتاژ خروجی اینورتر ساخته میشه تا به حالت سینوسی شبیه تر باشه.

در شکل زیر به لحظات و مدت زمان قطع و وصل شدن سوئیچ‌ها (در منحنی پایینی) توجه کنید:

مفهوم PWM یا مدولاسیون عرض پالس در اینورتر

و نکتۀ نهایی درباره طرز و اصول کار اینورتر این هستش که در اینورترها فرکانس و ولتاژ همزمان کنترل میشه. لذا هرچه فرکانس کم بشه، ولتاژ هم کم میشه. در شکل زیر میبینید که هرچی فرکانس کمتر شده، پهنای پالس ها هم کمتر شده. (به اعداد و ارقام روی شکل توجه کنید!)

ارتباط بین ولتاژ و جریان خروجی اینورتر در کنترل دور موتور

به تعداد پالس‌های یک سیکل میگن فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس کریر و کاربر معمولا میتونه اون رو 1i– 16kHz تنظیم کنه. (توصیه میشه که پارامتر فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس کریر رو تنظیم نکنید. یعنی اجازه بدید روی تنظیم کارخانه باشه یا برای تغییرش با یه فرد متخصص صحبت کنید).

و نهایتا اینکه اگه ولتاژهای پالسی فوق به موتور AC اعمال بشه، شکل جریان موتور، تقریباً سینوسی خواهد بود. در شکل زیر سه تا شکل جریان موتور با فرکانس کریر یا سوئیچینگ مختلف نشون داده شده.

تاثیر فرکانس سوئیچینگ در جریان اینورتر

و جمع بندی

در این مطلب بیشتر به سوالات رایج تر پرداختم. در حالی که موارد دیگر مثل جنبه کاهش مصرف انرژی درایور موتور سه فاز میتونه بیشتر مورد توجه قرار بگیره. مزایای اینورتر بسیار بیش از این موارد هستش و در هر کاربرد اینورتر میشه جداگانه درباره اش صحبت کرد. انشاالله در مقاله جداگانه ای بصورت موشکافانه تر بحث اینورتور و کنترل دور موتور را بررسی خواهم کرد. در نهایت امیدوارم این مطلب مورد توجه اتون قرار گرفته باشه.

صمیمانه مشتاق شنیدن نظرات مفید تون و احیاناً سوالات در انتهای همین صفحه هستم تا انشالله نقطه نظرات مورد استفاده همه دوستان قرار بگیره. همچنین در صورت تمایل مطلب فوق رو می تونید به صورت اینفوگرافیک هم دانلود و مشاهده نمایید