درایو فرکانس متغیر چیست و چه کاربردها و مزایایی دارد؟

درایو فرکانس متغیر (Variable Frequency Drive) دستگاه کنترل کننده سرعت موتورهای الکتریکی است که با تغییر فرکانس برق ورودی، سرعت و گشتاور را کنترل می‌کند و شرایط استارت و استوپ ایمن را نیز برای موتور فراهم می‌کند. این دستگاه همانند سافت استارتر یک راه انداز نرم و ایمن برای موتور است اما قابلیت ایجاد تغییر در سرعت موتور را نیز دارد. به این ترتیب، در شرایطی که نیاز نیست موتور با سرعت کامل خود کار کند، از درایو فرکانس متغیر استفاده می‌شود. استفاده از آن منجر به صرفه جویی در مصرف انرژی نیز می‌شود. VFDها در کاربردهای مختلف از وسایل برقی خانگی گرفته تا آسانسور و کمپرسورهای بزرگ استفاده می‌شود.

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟

درایو فرکانس متغیر (به اختصار VFD) یک دستگاه کنترل موتور است که سرعت موتورهای القایی AC را کنترل می‌کند. به این ترتیب که سرعت موتور در زمان شروع کار، در زمان توقف و همچنین در طی کار کنترل می‌کند.

فرکانس (یا هرتز) به طور مستقیم با سرعت موتور (RPMs) مرتبط است. به عبارت دیگر، هر چه فرکانس سریعتر باشد، سرعت موتور نیز بیشتر خواهد شد. در شرایطی که نیاز نیست موتور الکتریکی دستگاه شما با سرعت کامل کار کند، می‌توانید از درایو فرکانس متغیر استفاده کنید. VFD موجب کاهش فرکانس و ولتاژ برای برآورده کردن نیازهای بار موتور الکتریکی می‌شود. VFD می‌تواند به راحتی سرعت موتور را کم یا زیاد کند و آن را به مقدار مورد نیاز برساند. نتیجه این کار، کاهش مصرف برق و در نتیجه صرفه جویی اقتصادی خواهد بود. همچنین، استهلاک موتور کمتر شده و این خود باعث افزایش طول عمر موتور خواهد شد. درایو فرکانس متغیر با نام زیر نیز شناخته می‌شود:

• درایو با سرعت متغیر (variable speed drive)
• درایو سرعت قابل تنظیم (adjustable speed drive)
• درایو فرکانس قابل تنظیم (adjustable frequency drive)
• درایو AC (AC drive)
• میکرودرایو (Microdrive)

کاربردهای درایو فرکانس متغیر

برخی از کاربردهای دستگاه‌های VFD عبارتست از:

• استفاده در سیستم های تهویه مطبوع تجاری که در آن به کارکرد موتور با سرعت کامل نیاز نیست.
• استفاده در سیستم‌های HVAC تجاری.
• استفاده در ساخت اینورتر.
• استفاده در تاسیسات آبیاری باغ و مزرعه.
• استفاده در تجهیزات آسانسورها و پله‌های برقی.
• استفاده در ساخت فن‌ها، کمپرسورها و پمپ‌ها.
• استفاده در راه اندازی پمپ شناور جهت راه اندازی نرم موتور.
• به عنوان تجهیزات اصلی در الکتروموتورهای AC مقاوم مغناطیسی.
• به عنوان کنترل کنندۀ سرعت گشتاور در الکتروموتورهای دما بالا.

استفاده از درایو در پمپ ها

اینورترها و کنترلرها از جمله درایو فرکانس متغیر، با بیشتر پمپ‌ها اعم از پمپ‌های شناور و غیرشناور سازگار هستند. بدون اینورتر، پمپ در حالت باینری (0 – 1) کار می‌کند؛ یعنی موتور با حداکثر سرعت می‌چرخد ​​یا اصلا نمی‌چرخد. اما اینورتر، سرعت موتور را با شرایط مورد نظر و دلخواه تطبیق می‌دهد. همچنین پارامترهای عملکرد مناسب پمپ را برای دستیابی به فشار ثابت در سیستم انتخاب می‌کند. بنابراین، این کنترل‌گرها، به کارایی بهتر و در نتیجه عمر بیشتر پمپ منجر می‌شوند و از این نظر صرفه اقتصادی ایجاد می‌کنند.

مزیت های درایو فرکانس متغیر (VFD)

استفاده از درایو فرکانس متغیر، اثرات انتشار دی اکسید کربن (CO2) را در سیستم‌هایی که در آن‌ها نصب شده است را کاهش می‌دهد. دی اکسید کربن، یکی از عوامل اصلی گرمایش و آلودگی هوا است. VFD‌ها مزیت‌های دیگری هم دارند که در ادامه بیان شده است.

1. کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های ناشی از مصرف انرژی.
2. افزایش تولید از طریق کنترل دقیق‌تر فرآیند.
3. افزایش عمر تجهیزات و کاهش هزینه‌های تعمیرات.
4. کنترل کردن سرعت موتور و تنظیم آن براساس برنامه کاری.

کاهش مصرف انرژی از مزیای درایو فرکانس متغیر

اگر برنامه‌ای دارید که نیازی به اجرا شدن با سرعت کامل موتور ندارد، می‌توانید با کنترل کردن دور موتور از طریق درایو فرکانس متغیر، هزینه‌های انرژی را کاهش دهید. VFD‌ها به شما این امکان را می‌دهند که سرعت تجهیزات موتور محور را با بار مورد نیاز مطابقت دهید. هیچ روش دیگری برای کنترل موتور الکتریکی AC وجود ندارد که به شما امکان چنین حرکتی را بدهد. در صنعت امروز، سیستم‌های موتور الکتریکی بیش از 65 درصد از برق مصرفی را به خود اختصاص داده‌اند. بهینه سازی سیستم‌های کنترل موتور با نصب یا ارتقاء به VFD‌ها می‌تواند مصرف انرژی در تاسیسات شما را تا 70 درصد کاهش دهد. علاوه بر این، استفاده از VFD‌ها کیفیت محصول را بهبود می‌بخشد و هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.

افزایش تولید از طریق کنترل دقیق تر فرآیند

کارکردن موتور با سرعت بهینه متناسب با برنامه و نیاز کاری، اشتباهات کمتری در پی دارد و باعث می‌شود سطح تولید افزایش یابد. همه این‌ها درآمد بیشتری را برای کاخانه و شرکت شما به ارمغان می‌آورد. استفاده از VFD در کارخانه‌هایی که دستگاه‌هایشان دارای نوار نقاله و تسمه‌ است، در هنگام راه اندازی، تکان‌های دستگاه را از بین می‌برد و این خود میزان تولید را به حد نصاب استاندارد و مورد نظر نزدیک می‌کند.

افزایش عمر تجهیزات و کاهش هزینه های ناشی از تعمیرات

هنگامی که دستگاه و تجهیزات آن توسط VFD کنترل می‌شود، سرعت کارکرد موتور به صورت بهینه تضمین خواهد شد. در نتیجه، طول عمر دستگاه بیشتر خواهد شد. VFD محافظت بسیار خوبی برای موتور دستگاه در برابر مسائلی مانند اضافه بارهای الکتریکی حرارتی، افت ولتاژ، اضافه ولتاژ و غیره است، زیرا فرکانس و ولتاژ موتور به صورت بهینه کنترل می کند.

هنگامی که دستگاه را با درایو فرکانس متغیر راه اندازی می‌کنید، موتور در معرض “شوک ناگهانی” راه اندازی قرار نمی‌گیرد، بلکه به آرامی شروع به کار می‌کند. در نتیجه سایش تسمه، دنده‌ها و یاتاقان به تعویق می‌افتد.

موتور AC در درایوهای فرکانس متغیر

موتور الکتریکی AC مورد استفاده در سیستم VFD معمولا یک موتور القایی سه فاز است. برخی از انواع موتورهای تک فاز یا موتورهای سنکرون در برخی شرایط می توانند سودمند باشند؛ اما به طور کلی موتورهای القایی سه فاز به عنوان مقرون به صرفه ترین گزینه، ترجیح داده می‌شوند. موتورهایی که برای کار با سرعت ثابت طراحی می‌شوند کاربردهای زیادی دارند. تنش‌های ولتاژ بالایی به موتورهای القایی تحمیل می‌شود. از این رو، لازم است که موتورهای AC مطابق با استانداردهای خاصی طراحی شوند. یکی از این استانداردها، NEMA MG-1 است.

درایو فرکانس متغیر چگونه کار می کند؟

شروع کار یک درایو AC فرکانس متغیر، از مبدل‌هاست. مبدل از شش دیود تشکیل شده است که مشابه شیرهای چک مورد استفاده در سیستم‌های لوله کشی است. آنها اجازه می‌دهند جریان فقط در یک جهت حرکت کند (جهت نشان داده شده توسط فلش‌های مشکی رنگ ​​در نماد دیود در شکل زیر). به عنوان مثال، هر گاه ولتاژ فاز A (ولتاژ مشابه فشار در سیستم‌های لوله‌کشی) مثبت‌تر از ولتاژ فاز B یا C باشد، آن دیود باز می‌شود و اجازه عبور جریان را می‌دهد. هنگامی که فاز B نسبت به فاز A مثبت‌تر شود، دیود فاز B باز شده و دیود فاز A بسته می‌شود. همین امر برای 3 دیود در سمت منفی باس نیز صادق است. بنابراین، با باز و بسته شدن هر دیود، شش پالس جریان دریافت می‌کنیم. این VFDها “VFD شش پالسی” نامیده می‌شوند و یک پیکربندی استاندارد برای درایوهای فرکانس متغیر فعلی محسوب می‌شوند.

 جذب امواج AC توسط خازن

فرض کنید درایو فرکانس متغیر بر روی یک سیستم برق 480 ولت کار می‌کند. 480 ولت “rms” یا ریشه میانگین مربع است. در سیستم 480 ولت، پیک ها 679 ولت هستند. همانطور که می‌بینید، در درایو فرکانس متغیر، مسیر dc دارای ولتاژ dc با موج AC است. ولتاژ تقریباً بین 580 تا 680 ولت است (شکل زیر). ما می‌توانیم با اضافه کردن یک خازن از شر موج AC در مسیر (گذرگاه) DC خلاص شویم. در اینجا، خازن همانند یک مخزن یا باتری در یک سیستم لوله کشی عمل می‌کند. این خازن امواج ac را جذب می‌کند و یک ولتاژ DC نرم ارائه می‌دهد. موج AC در مسیر DC معمولا کمتر از 3 ولت است. بنابراین، ولتاژ در مسیر DC تقریبا 650VDC می‌شود. در این مرحله، ولتاژ واقعی به فاکتورهای زیر بستگی دارد:

• سطح ولتاژ خط AC تغذیه کننده درایو.
• سطح عدم تعادل ولتاژ در سیستم قدرت.
• بار موتور.
• امپدانس سیستم قدرت.
• راکتور یا فیلتر هارمونیک روی درایو.

پل دیودی که جریان AC به را DC تبدیل می‌کند، گاهی اوقات فقط به عنوان مبدل (converter) نامیده می‌شود. مبدلی که dc را به ac تبدیل می‌کند نیز یک مبدل است؛ اما برای تمایز آن از مبدل دیود، معمولاً به آن اینورتر (inverter) می‌گویند. در صنعت رایج شده است که به هر مبدل DC به AC به عنوان یک اینورتر اشاره شود. اگر یکی از کلیدهای بالایی اینورتر را ببندیم، آن فاز موتور به باس مثبت dc متصل می‌شود و ولتاژ آن فاز مثبت می‌گردد. وقتی یکی از کلیدهای پایین مبدل را ببندیم، آن فاز به باس منفی dc متصل شده و منفی می‌شود. بنابراین، ما می‌توانیم کاری کنیم که هر فاز روی موتور به میل خود مثبت یا منفی شود و به این ترتیب می‌توانیم هر فرکانسی که می‌خواهیم تولید کنیم. در نتیجه، می‌توانیم هر فازی را مثبت، منفی یا صفر کنیم. توجه داشته باشید که در یک VFD واقعی، سوئیچ‌ها در واقع ترانزیستور هستند.

خروجی درایو فرکانس متغیر

خروجی VFD به صورت موج مستطیلی شکل است. VFD‌ها خروجی سینوسی تولید نمی‌کنند. موج مستطیلی انتخاب خوبی برای یک سیستم توزیع عمومی نیست، اما برای یک موتور کاملاً مناسب است. در شکل بالا، موج سینوسی آبی فقط برای مقایسه نشان داده شده است. همانطور که گفته شد، درایو فرکانس متغیر موج سینوسی ایجاد نمی‌کند.

کاهش فرکانس در دستگاه های VFD

اگر بخواهیم فرکانس موتور را به 30 هرتز کاهش دهیم، باید ترانزیستورهای خروجی اینورتر را تغییر دهیم. اگر فرکانس را به 30 هرتز کاهش دهیم، باید ولتاژ را نیز به 240 ولت کاهش دهیم تا نسبت V/Hz حفظ شود.

اگر تنها ولتاژی که داریم 650VDC باشد، چطور ولتاژ را کاهش دهیم؟

این حالت، مدولاسیون عرض پالس یا PWM نامیده می‌شود. تصور کنید که می‌توانیم فشار را در یک خط آب با روشن و خاموش کردن شیر با سرعت بالا کنترل کنیم. البته این یک مثال است و برای سیستم‌های لوله کشی کاربردی نیست، اما برای VFD بسیار خوب عمل می‌کند. توجه داشته باشید که در نیم چرخه اول، ولتاژ نیمی از زمان روشن و نیمی از زمان خاموش است. بنابراین، ولتاژ متوسط ​​نصف 480 ولت یا 240 ولت است. با پالس کردن خروجی، می‌توانیم به هر ولتاژ متوسطی در خروجی VFD دست یابیم.

برای درک اینکه قسمت های مختلف یک درایو فرکانس متغیر چگونه است، تصاویر زیر را ببینید.

 

 

تفاوت درایو فرکانس متغیر با سافت استارتر چیست و کدام را بخریم؟

درایو فرکانس متغیر شباهت‌هایی به سافت استارتر دارد؛ از جمله اینکه:

• هر دو دستگاه مقدار نیرویی که از طریق موتور در حال راه اندازی است را کنترل می‌کنند.
• هر دو می‌توانند از مواردی مانند نوسانات برق و مشکلات اینچنینی در هنگام راه اندازی دستگاه جلوگیری کنند.

با این حال، این دو دستگاه، در روشی که برای دستیابی به اهداف بالا به کار می‌برند متفاوت هستند.

• اگر هدف اصلی شما صرفه جویی در انرژی باشد، معمولا VFD ترجیح داده می‌شود. زیرا VFD فقط سرعت موتور را در مرحله روشن کردن محدود نمی‌کند؛ بلکه می‌تواند به کنترل سرعت موتور در چرخش با دور عادی و همچنین در مرحله خاموش شدن موتور نیز کمک کند. بنابراین، در شرایطی که نیاز به قدرت بالا نیست، VFD ایده آل است. در نتیجه انرژی کمتری مصرف می‌شود.
• همچنین در شرایطی که کنترل سرعت و عملکرد روان دستگاه مهم است، VFDها انتخاب خوبی هستند. برای مثال، می‌توان به آسانسور و پله برقی اشاره کرد. در این دستگاه‌ها، با بکارگیری VFD می‌توانیم سرعت ثابت قطعات این تجهیزات را کنترل کرده و از هر گونه افزایش ناگهانی قدرت در آن‌ها جلوگیری کنیم.