نحوه کنترل موتور با مبدل فرکانس

مبدل فرکانس فناوری‌ای است که هنگام انجام کارهای الکتریکی باید بر آن تسلط داشت. استفاده از مبدل فرکانس برای کنترل موتور یک روش رایج در کنترل الکتریکی است؛ برخی از آنها نیز نیاز به مهارت در استفاده از آنها دارند.

۱. اول از همه، چرا از مبدل فرکانس برای کنترل موتور استفاده کنیم؟

موتور یک بار القایی است که مانع تغییر جریان می‌شود و هنگام راه‌اندازی، تغییر زیادی در جریان ایجاد می‌کند.

اینورتر یک دستگاه کنترل انرژی الکتریکی است که از عملکرد روشن و خاموش دستگاه‌های نیمه‌هادی قدرت برای تبدیل منبع تغذیه فرکانس صنعتی به فرکانس دیگر استفاده می‌کند. این دستگاه عمدتاً از دو مدار تشکیل شده است، یکی مدار اصلی (ماژول یکسوساز، خازن الکترولیتی و ماژول اینورتر) و دیگری مدار کنترل (برد منبع تغذیه سوئیچینگ، برد مدار کنترل).

به منظور کاهش جریان راه اندازی موتور، به ویژه موتور با توان بالاتر، هر چه توان بیشتر باشد، جریان راه اندازی نیز بیشتر است. جریان راه اندازی بیش از حد، بار بیشتری را به شبکه منبع تغذیه و توزیع برق وارد می کند. مبدل فرکانس می تواند این مشکل راه اندازی را حل کند و به موتور اجازه دهد بدون ایجاد جریان راه اندازی بیش از حد، به آرامی راه اندازی شود.

یکی دیگر از کاربردهای مبدل فرکانس، تنظیم سرعت موتور است. در بسیاری از موارد، برای دستیابی به راندمان تولید بهتر، کنترل سرعت موتور ضروری است و تنظیم سرعت مبدل فرکانس همیشه بزرگترین ویژگی برجسته آن بوده است. مبدل فرکانس با تغییر فرکانس منبع تغذیه، سرعت موتور را کنترل می‌کند.

۲. روش‌های کنترل اینورتر چیست؟

پنج روش رایج برای کنترل موتورهای اینورتر به شرح زیر است:

الف. روش کنترل مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM)

از ویژگی‌های آن می‌توان به ساختار مدار کنترل ساده، هزینه کم، سختی مکانیکی خوب و قابلیت برآورده کردن الزامات تنظیم سرعت روان در انتقال قدرت عمومی اشاره کرد. این محصول به طور گسترده در زمینه‌های مختلف صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.

با این حال، در فرکانس‌های پایین، به دلیل ولتاژ خروجی پایین، گشتاور به طور قابل توجهی تحت تأثیر افت ولتاژ مقاومت استاتور قرار می‌گیرد که باعث کاهش حداکثر گشتاور خروجی می‌شود.

علاوه بر این، ویژگی‌های مکانیکی آن به اندازه موتورهای DC قوی نیست و ظرفیت گشتاور دینامیکی و عملکرد تنظیم سرعت استاتیک آن رضایت‌بخش نیست. علاوه بر این، عملکرد سیستم بالا نیست، منحنی کنترل با بار تغییر می‌کند، پاسخ گشتاور کند است، نرخ استفاده از گشتاور موتور بالا نیست و عملکرد در سرعت‌های پایین به دلیل وجود مقاومت استاتور و اثر ناحیه مرده اینورتر کاهش می‌یابد و پایداری بدتر می‌شود. بنابراین، افراد تنظیم سرعت فرکانس متغیر کنترل برداری را مطالعه کرده‌اند.

ب. روش کنترل بردار فضای ولتاژ (SVPWM)

این روش بر اساس اثر کلی تولید شکل موج سه فاز است، با هدف نزدیک شدن به مسیر ایده‌آل میدان مغناطیسی دوار دایره‌ای شکاف هوایی موتور، تولید یک شکل موج مدولاسیون سه فاز در یک زمان و کنترل آن به روش تقریب چندضلعی محاطی از دایره.

پس از استفاده عملی، بهبود یافته است، یعنی جبران فرکانس را برای از بین بردن خطای کنترل سرعت معرفی کرده است؛ دامنه شار را از طریق بازخورد تخمین زده است تا تأثیر مقاومت استاتور را در سرعت پایین از بین ببرد؛ حلقه ولتاژ و جریان خروجی را برای بهبود دقت و پایداری دینامیکی بسته است. با این حال، پیوندهای مدار کنترل زیادی وجود دارد و هیچ تنظیم گشتاوری معرفی نشده است، بنابراین عملکرد سیستم به طور اساسی بهبود نیافته است.

ج. روش کنترل برداری (VC)

اصل مطلب این است که موتور AC معادل یک موتور DC شود و سرعت و میدان مغناطیسی به طور مستقل کنترل شوند. با کنترل شار روتور، جریان استاتور برای به دست آوردن اجزای گشتاور و میدان مغناطیسی تجزیه می‌شود و از تبدیل مختصات برای دستیابی به کنترل متعامد یا جدا شده استفاده می‌شود. معرفی روش کنترل برداری از اهمیت دوران‌سازی برخوردار است. با این حال، در کاربردهای عملی، از آنجایی که مشاهده دقیق شار روتور دشوار است، ویژگی‌های سیستم به شدت تحت تأثیر پارامترهای موتور قرار می‌گیرند و تبدیل چرخش برداری مورد استفاده در فرآیند کنترل موتور DC معادل نسبتاً پیچیده است و دستیابی به نتیجه تحلیل ایده‌آل را برای اثر کنترل واقعی دشوار می‌کند.

د. روش کنترل مستقیم گشتاور (DTC)

در سال ۱۹۸۵، پروفسور دپنبروک از دانشگاه روهر آلمان برای اولین بار فناوری تبدیل فرکانس کنترل مستقیم گشتاور را پیشنهاد داد. این فناوری تا حد زیادی کاستی‌های کنترل برداری فوق‌الذکر را برطرف کرده و با ایده‌های کنترلی جدید، ساختار سیستم مختصر و واضح و عملکرد دینامیکی و استاتیکی عالی، به سرعت توسعه یافته است.

در حال حاضر، این فناوری با موفقیت در انتقال قدرت بالای AC لوکوموتیوهای الکتریکی به کار گرفته شده است. کنترل مستقیم گشتاور، مدل ریاضی موتورهای AC را در سیستم مختصات استاتور مستقیماً تجزیه و تحلیل کرده و شار مغناطیسی و گشتاور موتور را کنترل می‌کند. نیازی به معادل‌سازی موتورهای AC با موتورهای DC ندارد، بنابراین بسیاری از محاسبات پیچیده در تبدیل چرخش برداری را حذف می‌کند. نیازی به تقلید از کنترل موتورهای DC ندارد و همچنین نیازی به ساده‌سازی مدل ریاضی موتورهای AC برای جداسازی ندارد.

ه. روش کنترل ماتریسی AC-AC

تبدیل فرکانس VVVF، تبدیل فرکانس کنترل برداری و تبدیل فرکانس کنترل گشتاور مستقیم، همگی انواع تبدیل فرکانس AC-DC-AC هستند. معایب رایج آنها ضریب توان ورودی پایین، جریان هارمونیک بزرگ، خازن ذخیره انرژی بزرگ مورد نیاز برای مدار DC و عدم امکان تغذیه مجدد انرژی به شبکه برق است، یعنی نمی‌تواند در چهار ربع کار کند.

به همین دلیل، تبدیل فرکانس AC-AC ماتریسی به وجود آمد. از آنجایی که تبدیل فرکانس AC-AC ماتریسی، لینک DC واسطه را حذف می‌کند، خازن الکترولیتی بزرگ و گران‌قیمت را نیز حذف می‌کند. این روش می‌تواند به ضریب توان ۱، جریان ورودی سینوسی و عملکرد در چهار ربع دست یابد و سیستم چگالی توان بالایی دارد. اگرچه این فناوری هنوز به بلوغ نرسیده است، اما هنوز بسیاری از محققان را برای انجام تحقیقات عمیق جذب می‌کند. اساس آن کنترل غیرمستقیم جریان، شار مغناطیسی و سایر کمیت‌ها نیست، بلکه استفاده مستقیم از گشتاور به عنوان کمیت کنترل‌شده برای دستیابی به آن است.

۳. مبدل فرکانس چگونه یک موتور را کنترل می‌کند؟ این دو چگونه به هم سیم‌کشی می‌شوند؟

سیم‌کشی اینورتر برای کنترل موتور نسبتاً ساده است، شبیه به سیم‌کشی کنتاکتور، با سه خط برق اصلی که به موتور وارد و سپس خارج می‌شوند، اما تنظیمات پیچیده‌تر است و روش‌های کنترل اینورتر نیز متفاوت است.

اول از همه، برای ترمینال اینورتر، اگرچه برندهای زیادی و روش‌های سیم‌کشی مختلفی وجود دارد، ترمینال‌های سیم‌کشی اکثر اینورترها تفاوت چندانی با هم ندارند. عموماً به ورودی‌های سوئیچ رو به جلو و معکوس تقسیم می‌شوند که برای کنترل شروع رو به جلو و معکوس موتور استفاده می‌شوند. ترمینال‌های فیدبک برای بازخورد وضعیت عملکرد موتور استفاده می‌شوند.از جمله فرکانس کاری، سرعت، وضعیت خطا و غیره.

برای کنترل تنظیم سرعت، برخی از مبدل‌های فرکانس از پتانسیومترها استفاده می‌کنند، برخی مستقیماً از دکمه‌ها استفاده می‌کنند که همه آنها از طریق سیم‌کشی فیزیکی کنترل می‌شوند. راه دیگر استفاده از شبکه ارتباطی است. بسیاری از مبدل‌های فرکانس اکنون از کنترل ارتباطی پشتیبانی می‌کنند. خط ارتباطی می‌تواند برای کنترل شروع و توقف، چرخش رو به جلو و معکوس، تنظیم سرعت و غیره موتور استفاده شود. در عین حال، اطلاعات بازخورد نیز از طریق ارتباط منتقل می‌شود.

۴. وقتی سرعت چرخش (فرکانس) یک موتور تغییر می‌کند، چه اتفاقی برای گشتاور خروجی آن می‌افتد؟

گشتاور راه اندازی و حداکثر گشتاور هنگام هدایت توسط مبدل فرکانس کمتر از زمانی است که مستقیماً توسط منبع تغذیه هدایت می شود.

موتور هنگام تغذیه از منبع تغذیه، ضربه شروع و شتاب زیادی دارد، اما این ضربه‌ها هنگام تغذیه از مبدل فرکانس ضعیف‌تر هستند. شروع مستقیم با منبع تغذیه، جریان شروع زیادی تولید می‌کند. هنگامی که از مبدل فرکانس استفاده می‌شود، ولتاژ و فرکانس خروجی مبدل فرکانس به تدریج به موتور اضافه می‌شود، بنابراین جریان و ضربه شروع موتور کوچکتر است. معمولاً گشتاور تولید شده توسط موتور با کاهش فرکانس (کاهش سرعت) کاهش می‌یابد. داده‌های واقعی کاهش در برخی از دفترچه‌های راهنمای مبدل فرکانس توضیح داده خواهد شد.

موتور معمولی برای ولتاژ ۵۰ هرتز طراحی و ساخته می‌شود و گشتاور نامی آن نیز در این محدوده ولتاژ ارائه می‌شود. بنابراین، تنظیم سرعت در فرکانس پایین‌تر از فرکانس نامی، تنظیم سرعت گشتاور ثابت نامیده می‌شود. (T=Te، P<=Pe)

وقتی فرکانس خروجی مبدل فرکانس بیشتر از ۵۰ هرتز باشد، گشتاور تولید شده توسط موتور به صورت خطی و معکوس متناسب با فرکانس کاهش می‌یابد.

وقتی موتور با فرکانسی بیش از ۵۰ هرتز کار می‌کند، باید اندازه بار موتور در نظر گرفته شود تا از گشتاور خروجی ناکافی موتور جلوگیری شود.

برای مثال، گشتاور تولید شده توسط موتور در فرکانس ۱۰۰ هرتز به حدود ۱/۲ گشتاور تولید شده در فرکانس ۵۰ هرتز کاهش می‌یابد.

بنابراین، تنظیم سرعت بالاتر از فرکانس نامی، تنظیم سرعت با توان ثابت نامیده می‌شود. (P=Ue*Ie).

5. کاربرد مبدل فرکانس بالای 50 هرتز

برای یک موتور خاص، ولتاژ و جریان نامی آن ثابت است.

برای مثال، اگر مقادیر نامی اینورتر و موتور هر دو ۱۵ کیلووات/۳۸۰ ولت/۳۰ آمپر باشند، موتور می‌تواند بالاتر از ۵۰ هرتز کار کند.

وقتی سرعت ۵۰ هرتز است، ولتاژ خروجی اینورتر ۳۸۰ ولت و جریان ۳۰ آمپر است. در این زمان، اگر فرکانس خروجی به ۶۰ هرتز افزایش یابد، حداکثر ولتاژ و جریان خروجی اینورتر فقط می‌تواند ۳۸۰ ولت/۳۰ آمپر باشد. بدیهی است که توان خروجی بدون تغییر باقی می‌ماند، بنابراین ما آن را تنظیم سرعت توان ثابت می‌نامیم.

گشتاور در این زمان چگونه است؟

زیرا P=wT(w؛ سرعت زاویه‌ای، T: گشتاور)، از آنجایی که P بدون تغییر باقی می‌ماند و w افزایش می‌یابد، گشتاور نیز به تبع آن کاهش خواهد یافت.

از زاویه دیگری هم می‌توانیم به این موضوع نگاه کنیم:

ولتاژ استاتور موتور U=E+I*R است (I جریان، R مقاومت الکترونیکی و E پتانسیل القایی است).

مشاهده می‌شود که وقتی U و I تغییر نمی‌کنند، E نیز تغییر نمی‌کند.

و E=k*f*X (k: ثابت؛ f: فرکانس؛ X: شار مغناطیسی)، بنابراین وقتی f از ۵۰ تا ۶۰ هرتز تغییر کند، X نیز به همان نسبت کاهش می‌یابد.

برای موتور، T=K*I*X (K: ثابت؛ I: جریان؛ X: شار مغناطیسی)، بنابراین گشتاور T با کاهش شار مغناطیسی X کاهش می‌یابد.

در عین حال، وقتی کمتر از ۵۰ هرتز باشد، از آنجایی که I*R بسیار کوچک است، وقتی U/f=E/f تغییر نکند، شار مغناطیسی (X) ثابت است. گشتاور T متناسب با جریان است. به همین دلیل است که معمولاً از ظرفیت اضافه جریان اینورتر برای توصیف ظرفیت اضافه بار (گشتاور) آن استفاده می‌شود و به آن تنظیم سرعت گشتاور ثابت می‌گویند (جریان نامی بدون تغییر باقی می‌ماند -> حداکثر گشتاور بدون تغییر باقی می‌ماند).

نتیجه‌گیری: وقتی فرکانس خروجی اینورتر از بالای ۵۰ هرتز افزایش یابد، گشتاور خروجی موتور کاهش می‌یابد.

۶. سایر عوامل مرتبط با گشتاور خروجی

ظرفیت تولید و دفع حرارت، ظرفیت جریان خروجی اینورتر را تعیین می‌کند و بنابراین بر ظرفیت گشتاور خروجی اینورتر تأثیر می‌گذارد.

۱. فرکانس حامل: جریان نامی مشخص شده روی اینورتر عموماً مقداری است که می‌تواند خروجی مداوم را در بالاترین فرکانس حامل و بالاترین دمای محیط تضمین کند. کاهش فرکانس حامل تاثیری بر جریان موتور نخواهد داشت. با این حال، تولید گرمای قطعات کاهش می‌یابد.

۲. دمای محیط: درست مانند حفاظت اینورتر، مقدار جریان زمانی که دمای محیط نسبتاً پایین تشخیص داده شود، افزایش نخواهد یافت.

۳. ارتفاع: افزایش ارتفاع بر اتلاف گرما و عملکرد عایق تأثیر می‌گذارد. به‌طورکلی، می‌توان از این موضوع در ارتفاع کمتر از ۱۰۰۰ متر صرف‌نظر کرد و ظرفیت را می‌توان به ازای هر ۱۰۰۰ متر بالاتر، ۵٪ کاهش داد.

۷. فرکانس مناسب برای یک مبدل فرکانس جهت کنترل یک موتور چقدر است؟

در خلاصه بالا، ما یاد گرفتیم که چرا از اینورتر برای کنترل موتور استفاده می‌شود، و همچنین فهمیدیم که اینورتر چگونه موتور را کنترل می‌کند. اینورتر موتور را کنترل می‌کند، که می‌توان آن را به صورت زیر خلاصه کرد:

اول، اینورتر ولتاژ و فرکانس شروع موتور را کنترل می‌کند تا شروع و توقف نرمی حاصل شود.

دوم، اینورتر برای تنظیم سرعت موتور استفاده می‌شود و با تغییر فرکانس، سرعت موتور تنظیم می‌شود.

موتور آهنربای دائمی آنهویی مینگتنگمحصولات توسط اینورتر کنترل می‌شوند. در محدوده بار ۲۵٪ تا ۱۲۰٪، آنها راندمان بالاتر و محدوده عملیاتی وسیع‌تری نسبت به موتورهای آسنکرون با مشخصات مشابه دارند و اثرات صرفه‌جویی در انرژی قابل توجهی دارند.

تکنسین‌های حرفه‌ای ما با توجه به شرایط کاری خاص و نیازهای واقعی مشتریان، اینورتر مناسب‌تری را انتخاب می‌کنند تا کنترل بهتری بر موتور داشته باشند و عملکرد موتور به حداکثر برسد. علاوه بر این، بخش خدمات فنی ما می‌تواند از راه دور مشتریان را برای نصب و عیب‌یابی اینورتر راهنمایی کند و پیگیری و خدمات جامع قبل و بعد از فروش را انجام دهد.

حق نشر: این مقاله بازنشری از شماره عمومی وی‌چت «آموزش فنی» است، لینک اصلی https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA

این مقاله بیانگر دیدگاه‌های شرکت ما نیست. اگر نظرات یا دیدگاه‌های متفاوتی دارید، لطفاً ما را اصلاح کنید!