اصل کاری درایو فرکانس متغیر (VFD).
 

توسط تحریریه
تاریخچه درایوهای فرکانس متغیر (VFD)

هنگامی که تسلا برای اولین بار موتور القایی جریان متناوب 3 فاز (AC) را در سال 1888 معرفی کرد، خرید اینورتر در اصفهان  می دانست که اختراع او کارآمدتر و قابل اعتمادتر از موتور جریان مستقیم (DC) ادیسون است. با این حال، کنترل سرعت موتور AC به تغییر شار مغناطیسی یا تغییر تعداد قطب های موتور نیاز دارد. حتی چندین دهه پس از استفاده گسترده از موتور القایی، تغییر فرکانس برای کنترل سرعت یک کار بسیار دشوار باقی ماند - و ساختار فیزیکی موتور مانع از تولید موتورهایی با بیش از دو سرعت شد.

در نتیجه، موتورهای DC در جایی که کنترل دقیق سرعت و توان خروجی قابل توجهی مورد نیاز بود ضروری بودند.

 برخلاف الزامات کنترل سرعت موتور AC، کنترل سرعت موتور DC با قرار دادن یک رئوستات در مدار میدان DC کم توان، که با فناوری موجود امکان پذیر بود، به دست آمد. این کنترل‌های ساده موتور، سرعت و گشتاور را متفاوت می‌کردند و برای چندین دهه مقرون به صرفه‌ترین راه برای انجام این کار بودند.

در دهه 1980، فناوری درایو موتور AC به اندازه کافی قابل اعتماد و ارزان شد تا با کنترل موتورهای DC سنتی رقابت کند. این درایوهای فرکانس متغیر (VFD) سرعت موتورهای القایی AC استاندارد یا سنکرون را به دقت کنترل می کنند. با VFD ها، کنترل سرعت با گشتاور کامل از 0 دور در دقیقه تا حداکثر سرعت نامی و در صورت نیاز، بالاتر از سرعت نامی در گشتاور کاهش یافته به دست می آید. VFD ها فرکانس خروجی خود را با اصلاح یک جریان AC ورودی به DC و سپس با استفاده از مدولاسیون عرض پالس ولتاژ برای بازسازی شکل موج جریان AC و ولتاژ خروجی دستکاری می کنند. با این حال، این فرآیند تبدیل فرکانس باعث از دست دادن 2٪ تا 3٪ به عنوان گرما در VFD می شود - انرژی کالری که باید تلف شود. این فرآیند همچنین باعث افزایش ولتاژ و اعوجاج جریان هارمونیک می شود.

انواع درایو فرکانس متغیر

سه نوع متداول VFD وجود دارد. وارونگی منبع جریان (CSI) با موفقیت در پردازش سیگنال و کاربردهای برق صنعتی استفاده شده است. VFD های CSI تنها نوعی هستند که قابلیت توان احیا کننده را دارند. به عبارت دیگر، آنها می توانند جریان برق را از موتور به منبع تغذیه جذب کنند. CSI VFD ها شکل موج جریان بسیار تمیزی را ارائه می دهند، اما در ساخت خود به سلف های بزرگ و گران قیمت نیاز دارند و باعث ایجاد چرخش (حرکت ضربانی در حین چرخش) زیر 6 هرتز می شوند.

درایوهای وارونگی منبع ولتاژ (VSI) ضریب توان ضعیفی دارند، می‌توانند باعث گیرکردن موتور زیر 6 هرتز شوند و احیاکننده نیستند. در نتیجه، درایوهای CSI و VSI به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته اند.

VFD های مدولاسیون عرض پالس (PWM) به دلیل ضریب توان ورودی عالی به دلیل ولتاژ ثابت شین DC، عدم وجود چرخش موتور، راندمان بالاتر و هزینه کمتر، بیشتر در صنعت استفاده می شوند. یک PWM VFD از یک سری پالس های ولتاژ منحنی خروجی VFD با طول های مختلف برای شبیه سازی یک موج سینوسی استفاده می کند. در حالت ایده آل، پالس ها به گونه ای زمان بندی می شوند که انتگرال میانگین زمانی درایو یک سینوسی کامل را ایجاد کند. روش انتخابی فعلی برای تولید این شکل موج، یک موج مثلثی و موج سینوسی را از طریق مقایسه‌کننده اجرا می‌کند و هر زمان که مقدار موج سینوسی از موج مثلث بزرگ‌تر باشد، یک پالس ولتاژ خروجی می‌دهد. جزء الکتریکی فعلی انتخابی برای تولید پالس ولتاژ، ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT) است، اگرچه یکسو کننده های کنترل شده با سیلیکون (SCRs) نیز می توانند کار کنند. در آینده نزدیک، ترانزیستورهای گیت تقویت شده با تزریق (IEGT) برای انجام این کار استفاده خواهند شد. در دراز مدت تر، ممریستورها احتمالاً جزء انتخابی برای این کار خواهند بود.

اصول درایوهای فرکانس متغیر:

VFD چیست؟

درایو فرکانس متغیر (VFD) نوعی کنترل کننده موتور است که موتور الکتریکی را با تغییر فرکانس و ولتاژ عرضه شده به موتور الکتریکی به حرکت در می آورد. نام های دیگر VFD عبارتند از: درایو با سرعت متغیر، درایو سرعت قابل تنظیم، درایو فرکانس قابل تنظیم، درایو AC، میکرودرایو و اینورتر.

فرکانس (یا هرتز) به طور مستقیم با سرعت موتور (RPMs) مرتبط است. به عبارت دیگر، هرچه فرکانس سریعتر باشد، RPM سریعتر می رود. اگر یک برنامه کاربردی برای کارکردن با سرعت کامل به موتور الکتریکی نیاز نداشته باشد، می توان از VFD برای کاهش فرکانس و ولتاژ برای برآورده کردن نیازهای بار موتور الکتریکی استفاده کرد. همانطور که الزامات سرعت موتور برنامه تغییر می کند، VFD می تواند به سادگی سرعت موتور را کم یا زیاد کند تا سرعت مورد نیاز را برآورده کند.

درایو فرکانس متغیر چگونه کار می کند؟

اولین مرحله از درایو AC فرکانس متغیر یا VFD، مبدل است. مبدل از شش دیود تشکیل شده است که مشابه شیرهای چک مورد استفاده در سیستم های لوله کشی است. آنها اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت جریان یابد. جهت نشان داده شده توسط فلش در نماد دیود. 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 به جریان اجازه می‌دهد. وقتی فاز B مثبت تر از فاز A شد، دیود فاز B باز می شود