عملکرد درایو یا اینورتر صنعتی
اینورتر صنعتی یا درایو صنعتی (VFD) یکی از دستگاه‌های بسیار حیاتی در عرصه صنعت برق محسوب می‌شود. این تجهیزات به عنوان کنترل‌گر ولتاژ و فرکانس منبع تغذیه عمل کرده و سرعت چرخش موتورهای استفاده شده در دستگاه‌های لوازم‌خانگی و ماشین‌آلات صنعتی را با دقت تنظیم می‌نمایند. این دستگاه‌ها می‌توانند از ابزارهای باتری داخلی نیز بهره ببرند، که در صورت نیاز به عملکرد مستقل و بدون نیاز به اتصال به شبکه برق، به عمل می‌آید. همچنین، به علت گرمای تولید شده در فرآیند کار، اغلب این دستگاه‌ها دارای فن‌های خنک‌کننده برای حفظ دما بهینه می‌باشند.
عملکرد دقیق اینورتر صنعتی می‌تواند بر توانایی کل سیستم تأثیرگذار باشد. با تغییر ولتاژ و فرکانس، این دستگاه به موتورها این امکان را می‌دهد که با سرعت‌ها و توان مختلف عمل نمایند. این خاصیت به شرکت‌ها امکان می‌دهد تا در عملکرد ماشین‌آلات و تجهیزات خود انعطاف بیشتری داشته باشند.
برای دستیابی به یک دانش کامل از کاربردها و عملکرد اینورترها، خواندن مقالات مرتبط و فهم عمیق از این تجهیزات ضروری است. بدین ترتیب، افراد متخصص و صاحبان کسب و کار می‌توانند از این تکنولوژی پیشرفته به بهترین نحو بهره‌مند شوند و عملکرد سیستم‌های خود را بهبود بخشند.
چرا باید از درایو استفاده کنیم؟
تفاوت‌های قدرت تولید در درایوها متنوع است. برای تضمین ایمنی، توصیه می‌شود که از یک درایو با توان حدود یک چهارم بیشتر از توان موتور مورد نظر استفاده کنید.
کاهش جریان و مصرف انرژی در زمان راه‌اندازی از جمله دلایل استفاده از این تجهیز میباشد. استفاده از درایو می‌تواند برای مدت کوتاهی حداکثر توان را ایجاد کرده و سپس به مقدار کمتری برساند. هرچند درایو به صورت مداوم در توان بالا کار نمی‌کند.
کنترل سرعت موتور AC یکی از دلایل اساسی استفاده از درایو صنعتی است. موتور AC بدون درایو به سرعت کامل شروع به کار می‌کند و بدون اینورتر، کنترل سرعت موتور امکان‌پذیر نیست. اینورترها دامنه عملکرد موتورها را نسبت به موتورهای بدون درایو و سرعت ثابت، گسترش می‌دهند. سرعت موتور به تعداد دور در دقیقه اندازه‌گیری می‌شود و تغییر سرعت در زمان مشخص به عنوان نرخ شتاب محسوب می‌شود.
عملکرد درایو چگونه است؟
برای درک بهتر از ساختار درونی کنترل سرعت موتور، باید به چند نکته اساسی توجه کرد. جریان خروجی منبع تغذیه به صورت AC (جریان متناوب) عرضه می‌شود. این جریان توسط مدار مبدل یا اینورتر داخلی به جریان DC (جریان مستقیم) تبدیل می‌شود. مدار اینورتر با استفاده از کنترل PWM، جریان DC تبدیل شده را به جریان AC تغییر می‌دهد و ولتاژ به صورت یک شکل موج پالسی تولید می‌شود.
این پالس‌های خروجی توسط سیم‌پیچ موتور استوار می‌شوند، تا جریان موج سینوسی به موتور برسد و سرعت و گشتاور موتور را به دقت کنترل کند. تصاویر زیر به شما نشان می‌دهند که چگونه اینورتر در عملکرد خود عمل می‌کند:
در گام اول، مدار مبدل به صورت پیوسته جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند، که این فرآیند با نام یکسوسازی شناخته می‌شود. جهت و اندازهٔ موج به صورت دوره‌ای در طول زمان تغییر می‌یابد، زیرا جریان متناوب به شکل موج سینوسی ایجاد می‌شود. دیود به عنوان یک نیمه‌هادی برای ایجاد یکسوسازی جریان به کار می‌رود، جریان الکتریسیته را در جهت رو به جلو جابه‌جا کرده و آن را به جریان مستقیم تبدیل می‌نماید.
در هنگام عبور جریان از دیود، تنها جریان مثبت به بیرون منتقل می‌شود و یک پیک مثبت ایجاد می‌شود. با این حال، نیمی دیگر از چرخه به طور موازی رد می‌شود، زیرا جریان منفی عبور نمی‌کند. این فرآیند به عنوان یکسوسازی موج کامل شناخته می‌شود، زیرا هر دو قله موج به سمت جلو و منفی تغییر می‌کنند.
با این حال، یکسوسازی موج کامل به تنهایی نمی‌تواند یک شکل موج صاف ایجاد کند، زیرا اثرات جریان متناوب و نوسانات ولتاژ موجدار باقی می‌ماند. بنابراین، به منظور کاهش این نوسانات، خازن‌ها به صورت متناوب شارژ و دشارژ می‌شوند. خازن به آرامی شکل موج را به سمت یک جریان مستقیم صاف نزدیک می‌کند و آن را تصحیح می‌کند.
مدولاسیون عرض پالس خروجی در عملکرد درایو :
در عملکرد درایو، مدولاسیون عرض پالس (PWM) به‌عنوان یک اصطلاح فنی برجسته است. در این فرآیند، مدار اینورتر جریان متناوب را به وسیله‌ی ولتاژ و فرکانس متغیر به خروجی می‌رساند. ولتاژ خروجی اینورتر به صورت موج پالس شکل می‌گیرد، که این پالس‌ها توسط سیم پیچ موتور به شکل صاف تبدیل می‌شوند و موج سینوسی جریان در نتیجه ایجاد می‌شود.
به‌همین دلیل، خروجی اینورتر به راحتی قابل استفاده برای تجهیزاتی غیر از موتورها نمی‌باشد. مکانیزم تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب در این فرآیند امواج پالس با عرض‌های مختلف را ایجاد می‌کند، که از ترانزیستورهای قدرتی نظیر “IGBT (ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق بندی شده)” و تغییرات ON/OFF به‌وسیله‌ی فواصل، کنترل می‌شود.
استفاده از اینورتر امکان تنظیم و تغییر فرکانس و ولتاژ برق AC را فراهم می‌کند. این ویژگی به کنترل سرعت و گشتاور موتور امکان می‌دهد. این نوع کنترل، که در آن ولتاژ و فرکانس به طور آزادانه تنظیم می‌شوند، با نام مدولاسیون عرض پالس یا PWM شناخته می‌شود.
چهار ربع عملکرد درایو :
در دنیای عملکرد درایو، ما با مدل چهار ربع سروکار داریم. این مدل را می‌توان به شکل زیر دسته‌بندی کرد:
ربع اول: در این مرحله، ما با رانندگی سر و کله‌ی جلویی و سرعتی مثبت و گشتاوری همچنان مثبت روبه‌رو هستیم.
ربع دوم: در اینجا، ما با فرآیند ترمز کردن و رانندگی با سرعت مثبت و گشتاور منفی سر و کله‌های جلو را داریم.
ربع سوم: مرحلهٔ سوم نیز رانندگی است، اما در اینجا با دنده‌ی معکوس و سرعت مثبت، گشتاور به سمت منفی گرایش دارد.
ربع چهارم: در این مرحله، ترمزگیری با سرعت منفی و گشتاور مثبت مشاهده می‌شود.
کاربردها بستگی به نوع بار دارند. بارهای تک ربع معمولاً در ربع اول به کار می‌روند، از جمله بارهای گشتاور متغیر مانند پمپ‌های سانتریفوژ یا فن‌ها و بارهای گشتاور ثابت نظیر اکسترودرها. برخی بارها در دو ربع عمل می‌کنند، که سرعت مثبت و گشتاور متغیر دارند. همچنین بعضی از بارها در چهار ربع (ربع اول تا چهارم) فعالیت می‌کنند، که در آنها سرعت و گشتاور در هر جهت تنظیم می‌شوند؛ این شامل بالابرها، آسانسورها و نوارهای نقاله است.
استارت و استپ موتور توسط درایو یا اینورتر :
راه‌اندازی موتور با استفاده از درایو یا اینورتر یک روش هوشمندانه برای بهره‌برداری از عملکرد بهینه موتورهاست. در این فرآیند، درایو ابتتاع ولتاژ و فرکانس با مقادیر کم را به موتور اعمال می‌کند، که باعث کنترل دقیق جریان هجومی در هنگام راه‌اندازی موتور می‌شود. پس از انجام استارت اولیه، فرکانس و ولتاژ با سرعت کنترل شده افزایش می‌یابد، این به موتور اجازه می‌دهد تا با تولید گشتاور نامی خود تا 150 درصد، عملکرد بهینه را ارائه دهد.
توالی توقف نیز به صورت برعکس توالی شروع اجرا می‌شود. در این حالت، فرکانس و ولتاژ به موتور با کنترل کاهش می‌یابد و به آرامی خاموش می‌شود. همچنین، برای کاهش سرعت بار، گشتاور کمی در دسترس است و با اضافه کردن یک مدار ترمز، گشتاور ترمز اضافی نیز به دست می‌آید.
این مدار ترمز، انرژی ترمز را از مدار حذف می‌کند و در نتیجه، از گرمای زیاد موتور جلوگیری می‌شود. در آخر، درایو با یک مدار یکسوساز چهار ربع مجهز است که این امکان را فراهم می‌آورد که با اعمال گشتاور معکوس و تزریق انرژی به خط AC، بار را ترمز کند.
مزایای استفاده از درایو یا اینورتر صنعتی
از مزایای اصلی استفاده از اینورتر، که در زمینه‌های مختلف صنعتی به کار می‌روند، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
– افزایش طول عمر موتور:
استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (اینورتر) از دهه 1970 به‌عنوان راه حلی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در فرایندهای اتوماسیون صنعتی معرفی شد. این اینورترها با استفاده از فناوری PWM می‌توانند جریان الکتریکی واردشده به دستگاه را بهینه کنند و در نتیجه، طول عمر موتور را به‌طور چشمگیری افزایش دهند.
– ذخیره انرژی:
کاهش مصرف انرژی و بهره‌گیری بهینه از توان برای اجرای یک فرآیند، یکی از مزایای مهم اینورترهاست. این ویژگی باعث می‌شود موتور در طی یک فرآیند صنعتی نیازی به استفاده از تمام توان خود نداشته باشد و به‌این ترتیب، هزینه‌های مصرف انرژی به‌شدت کاهش یابد. همچنین، مصرف بهینه انرژی در کاهش سایش موتور نقش اساسی دارد.
– سرعت کاملاً قابل تنظیم:
از مزیت‌های دیگر اینورترها می‌توان به قابلیت تنظیم کامل سرعت اشاره کرد. این درایوها به شما این امکان را می‌دهند که به راحتی سرعت موتور الکتریکی را به سطحی بالاتر از سرعت نامی افزایش دهید. همچنین، با اتصال اینورتر به سنسورهای دما، شما می‌توانید به‌طور دقیق سرعت را کنترل کرده و از استهلاک موتور جلوگیری نمایید.
– امکان راه‌اندازی نرم موتور:
استفاده از درایو فرکانس متغیر باعث کاهش جریان راه‌اندازی و جلوگیری از فشار واردشونده به شبکه در حین راه‌اندازی می‌شود. این ویژگی به عنوان امکان راه‌اندازی نرم شناخته می‌شود که با استفاده از سافت استارتر هم قابل دستیابی است. اما تفاوت‌هایی میان این دو شیوه راه‌اندازی نرم وجود دارد که در مقاله تفاوت اینورتر و سافت استارتر به آن پرداخته‌ایم.
– قابلیت کنترل سرعت موتور برای تجهیزات صنعتی:
مزیت دیگر اینورترها در این است که در دستگاه‌های با سرعت بالا مانند میکسرها، آسیاب‌ها و سنگ‌شکن‌ها بسیار کارآمد هستند و به راحتی می‌توان سرعت این موتورها را کنترل کرد. استفاده از درایو فرکانس متغیر این امکان را فراهم می‌آورد که هیچ محدودیتی برای سرعت ایجاد نشود و در نتیجه، می‌توان به سادگی گشتاور را به کنترل خود درآورد.
– دیگر مزایا:
– کاهش تقاضای انرژی در زمان‌های اوج
– کاهش توان در صورت عدم نیاز
– دارای قابلیت حفاظت از اضافه بار پیشرفته
– شروع، توقف و شتاب کنترل شده
– قابلیت کنترل گشتاور دینامیکی
– فرایند نصب بسیار ساده
– ضریب توان بالا
– امکان ایجاد حرکت‌های روان و بدون ضربه برای آسانسور و پله برقی با استفاده از اینورتر آسانسور
– کاهش تنش‌های حرارتی و مکانیکی بر روی موتورها و تسمه‌ها در هنگام استارت
با توجه به این مزایا، استفاده از اینورترها در صنعت به عنوان یک تکنولوژی پیشرفته و کارآمد به‌شمار می‌رود.
جمع‌بندی
استفاده از درایوها یا اینورترها در سیستم اتوماسیون صنعتی به عنوان یک راهکار نوین و کارآمد برای بهینه‌سازی فرآیندهای الکتریکی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. این تکنولوژی‌ها امکاناتی چون افزایش طول عمر موتور، ذخیره انرژی، کنترل دقیق سرعت موتور، راه‌اندازی نرم، و قابلیت کنترل گشتاور دینامیکی را فراهم می‌آورند.
با اینورترها می‌توان به‌طور موثر از انرژی استفاده کرده، هزینه‌های مصرف انرژی را کاهش داده، و همچنین عملکرد موتورها را بهبود بخشید. این نوع پیشرفت‌ها، مختصراً نقطه آغاز یک دوره جدید از بهره‌وری و کنترل پیشرفته در صنعت الکتریکی را نشان می‌دهد.
