درایو فرکانس متغیر یا Variable Frequency Drive که به صورت مخفف VFD نامیده می شود، نوعی کنترل کننده موتور است که با تغییر دادن فرکانس و ولتاژ اعمال شده به الکتروموتور آن را به گردش در می آورد. نامهای دیگر VFD :درایو سرعت متغیر، درایو سرعت قابل تنظیم، درایو فرکانس قابل تنظیم، درایو AC، میکرودرایو و اینورتر هستند. فرکانس (یا هرتز) به طور مستقیم با سرعت موتور (RPM) مرتبط است. به عبارت دیگر، فرکانس بیشتر باعث گردش سریعتر موتور و افزایش RPM می شود. اگر یک کاربرد نیاز ندارد که موتور در سرعت کامل نامی خود کار کند ، VFD را می توان جهت کاهش فرکانس و ولتاژ، برای تطبیق با نیازمندی های بار موتور الکتریکی مورد استفاده قرار داد. اگر کاربری سرعت مورد نیازش تغییر کند، VFD به آسانی با افزایش یا کاهش سرعت موتور می تواند موتور را با این نیاز تطبیق دهد.

درایو فرکانس متغیر چگونه کار می کند؟

اولین طبقه درایو AC فرکانس متغیر، یا VFD، کانورتر (مبدل) است. کانورتر شامل ۶ عدد دیود است. که شبیه شیر یک طرفه در سیستم های لوله کشی عمل می کنند. این دیودها اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت که با پیکان در نماد دیود مشخص شده است جاری شود. برای مثال، هنگامیکه ولتاژ فاز A (ولتاژ مشابه با فشار در سیستمهای لوله کشی است) مثبت تر از ولتاژ فازهای B یا C است آنگاه دیود آن باز شده و جریان برقرار می شود. هنگامیکه فاز B مثبت تر از فاز A شود سپس دیود فاز B باز خواهد شد و فاز A بسته می شود. این موضوع برای دیودهایی که در بخش منفی باس قرار دارند نیز برقرار و صادق است. بدینسان، ما با خاموش و روشن شدن هر دیود ۶ پالس جریان را داریم. این روش VFD شش پالس نامیده می شود، که ترکیب استاندارد برای درایوهای فرکانس متغیر جریان است.

برای مثال فرض کنیم که درایو در یک سیستم قدرت ۴۸۰V کار می کند. ۴۸۰V ولتاژ موثر (rms) است. پیک ولتاژ در یک سیستم ۴۸۰V مقدار ۶۷۹ ولت است. همان طور که می بینید، باس dc درایو فرکانس متغیر دارای یک ولتاژ dc با ریپل AC است. ولتاژ تقریبا بین ۵۸۰V و ۶۸۰V نوسان می کند.

ما می توانیم با اضافه کردن یک خازن بر روی باس DC از ریپل AC خلاص شویم. یک خازن مانند یک مخزن یا انباره در سیستم لوله کشی عمل می کند. این خازن ریپل AC را جذب کرده و یک ولتاژ صاف تحویل می دهد. ریپل AC بر روی باس DC نوعا کمتر از ۳ ولت است. بنابراین، ولتاژ روی باس DC تقریبا ۶۵۰VDC می شود. ولتاژ حقیقی بستگی به عواملی مانند سطح ولتاژ خط AC تغذیه کننده درایو ، سطح عدم تعادل ولتاژ روی سیستم قدرت، بار موتور، امپدانس سیستم قدرت، و هر راکتور یا فیلتر هارمونیکی که بر روی درایو قرار گرفته اند. دارد. مبدل پل دیود که ولتاژ AC را به DC تبدیل می کند. بعضی اوقات تنها با عنوان کانورتر شناخته می شود. مبدلی که ولتاژ DC را به ولتاژ AC بر می گرداند نیز یک کانورتر است، اما برای تمایز دادن از مبدل دیودی، با عنوان اینورتر شناخته می شود. در صنایع متداول شده است که هر مبدلی که DC را به AC تبدیل می کند به عنوان اینورتر شناخته می شود.

توجه کنید که در یک VFD واقعی، سوئیچهای نشان داده شده در عمل ترانزیستور هستند.   وقتی ما یکی از کلیدهای بالایی اینورتر را می بندیم. فازی از موتور که به آن متصل است به مثبت باس DC متصل می گردد و ولتاژ مثبت روی آن فاز می افتد. و هنگامی که یکی از کلیدهای پایینی را در اینورتر می بندیم. فاز به منفی باس dc متصل شده و ولتاژ آن منفی می شود. بدین سان، ما می توانیم هر فازی را که می خواهیم مثبت یا منفی کنیم و بدین تزتیب فرکانس مورد نظر خود را تولید نماییم. ما می توانیم هر فاز را مثبت، منفی یا صفر کنیم.

موج سینوسی آبی رنگ تنها برای مقایسه نشان داده شده است. درایو در حالت واقعی این موج سینوسی را تولید نمی کند. توجه کنید که خروجی از VFD یک شکل موج مستطیل شکل است. VFD ها خروجی سینوسی تولید نمی کنند. این شکل موج مربعی انتخاب خوبی برای سیستم توزیع توان نیست، اما برای استفاده در موتور کاملا مناسب است. اگر ما بخواهیم فرکانس موتور را به ۳۰Hz کاهش دهیم، آنگاه ما به راحتی خروجی اینورتر را خیلی آهسته تر سوئیچ زنی می کنیم. اما، اگر ما فرکانس را به ۳۰Hz کاهش دهیم، آنگاه به منظور ثابت نگه داشتن نسبت V/Hz بایستی ولتاژ را به ۲۴۰V کاهش دهیم. ( به تئوری درایو V/F ثابت مراجعه کنید). چگونه ما خواهیم توانست ولتاژ را کاهش دهیم در حالی که تنها ولتاژی که داریم ولتاژ باس ۶۵۰VDC است؟ این کار مدولاسیون پهنای پالس نامیده می شود. تصور کنید که ما بتوانیم فشار آب مسیر را با باز و بسته کردن بسیار سریع شیر موجود، کنترل کنیم. ذر حالیکه انجام این کار در سیستم های لوله کشی عملی نخواهد بود، به خوبی در مورد VFD ها به کار گرفته می شود. توجه کنید در طی نیم سیکل اول، در نصف زمانهای یک سیکل ولتاژ را در خروجی داریم و در نیم سیکل دیگر ولتاژی نداریم. از اینرو، متوسط ولتاژ خروجی ۲۴۰V، معادل نصف ولتاژ باس تغذیه ۴۸۰V است. با کنترل پالسهای خروجی، می توانیم هر ولتاژ متوسطی که بخواهیم بر روی خروجی VFD ایجاد کنیم.

چرا از یک VFD استفاده می کنیم؟

۱- مصرف انرژی را کاهش داده و در هزینه های انرژی صرفه جویی می کند. اگر شما یک کاربری دارید نیاز به کار در سرعت کامل ندارد، انگاه، شما می توانید هزینه های انرژی خود را با کنترل موتور توسط یک درایو فرکانس متغیر کاهش دهید. این یکی از مزایای درایوهای فرکانس متغیر است. VFD ها به شما اجازه می دهند که سرعت تجهیزات گردان متصل به موتور را با توجه به نیازمندی بار منطبق کنید. روش دیگری برای این کار وجود ندارد. امروزه بیش از ۶۵ درصد توان مصرفی در شبکه مربوط به مصارف الکتروموتورها است. بهینه سازی سیستمهای کنترل موتور با نصب کردن و یا ارتقای VFDها می تواند مصرف انرژی در تاسیسات شما را به میزان ۷۰ درصد کاهش دهد. علاوه بر این، استفاده از VFD ها کیفیت محصولات را افزایش داده و هزینه های تولید محصول را کاهش می دهد. ترکیب مشوقهای مالیاتی مربوط به کاهش مصرف انرژی و تخفیف شرکت برق، می تواند باعث بازگشت سرمایه خیلی کوتاه مدت ۶ ماهه شود.

۲- تولید محصول را با کنترل دقیق تر افزایش می دهد. با کارکرد موتورها در موثرترین سرعت برای کاربرد مورد نیاز شما، اشتباهات کمتری رخ داده و از اینرو، میزان تولید افزایش خواهد یافت، در نتیجه درآمد شرکت شما افزایش می یابد. با نصب بر روی کانوایرها و تسمه ها ضربه راه اندازی حذف می گردد و پروسه انجام کار سریعتر می شود.

۳- عمر تجهیزات را افزایش داده و نیاز به تعمیرات و نگهداری را کاهش می دهد. در صورت استفاده از VFD عمر تجهیزات افزایش یافته و زمان خواب دستگاه برای تعمیرات و نگهداری کاهش می یابد. هنگامی که موتورها با VFD کنترل می شوند سرعت بهینه موتور تامین می شود. چونکه VFD ها ولتاژ و فرکانس را بطور بهینه کنترل می کنند، VFD حفاظت بهتری از موتور در مواردی نظیر اضافه بارهای حرارتی الکتریکی، حفاظت فاز، اضافه ولتاژ و یا کم بودن ولتاژ و غیره انجام می دهند. در صورتی که موتور با استفاده از VFD راه اندازی گردد موتور یا بار گردان در معرض شوک لحظه ای راه اندازی مستقیم با ولتاژ خط قرار نخواهد گرفت. و به نرمی و خیلی آرام راه اندازی می شود و از اینرو فرسایش جعبه دنده و تسمه ها حذف می شود. همچنین یک روش بسیار مناسب برای کاهش ضربه قوچ (آن گونه که نامیده می شود) است. چون که می تواند سیکلهای شتاب گیری و شتاب دهی خیلی نرم داشته باشد.

عمل‌کرد کنترلی

درایوهای AC برای انجام فرآیند و بهبود کیفیت در کاربردهای صنعتی و تجاری، شتاب، جریان، پایش، فشار، سرعت، دما، کشش و گشتاور استفاده می‌شوند.

بارهای وارد شده در سرعت ثابت، موتور را در معرض گشتاور راه‌اندازی بالا و تلاطم‌های جریانی قرار می‌دهند که تا هشت برابر جریان بار کامل می‌باشد. در عوض درایوهای AC به تدریج موتور را تا سرعت کاری بالا می‌آورند و تنش‌های مکانیکی و الکتریکی را کاهش، هزینه‌های تعمیر و نگه‌داری را کاهش و عمر موتور و تجهیزات رانده شده را افزایش می‌دهند.

درایوهای سرعت متغیر همچنین می‌توانند یک موتور را با الگوهای خاصی به کار بگیرند تا تنش‌های مکانیکی و الکتریکی بیش‌تر کاهش یابند. به عنوان مثال، یک الگوی منحنی S را می‌توان بر روی یک نقاله اعمال کرد تا کنترل افزایش و کاهش سرعت آن نرم‌تر باشد که این باعث کاهش حرکت به عقب در زمان افزایش یا کاهش سرعت نقاله می‌شود.

عوامل عمل‌کردی که بر استفاده از درایوهای DC، بیش از AC متمایل هستند شامل الزاماتی مانند کارکرد پیوسته در سرعت پایین، افزایش و کاهش مکرر سرعت و الزام حفاظت در منطقه خطرناک می‌شود. در جدول زیر درایوهای AC و DC با توجه به برخی پارامترهای کلیدی مقایسه شده‌اند.

توپولوژی‌های VFD

درایوهای AC را می‌توان با توجه به توپولوژی‌های عام زیر دسته‌بندی کرد.

درایو اینورتر منبع ولتاژ (voltage-source inverter) یا درایو VSI: در یک درایو VSI، خروجی DC از مبدل پل دیودی (diode-bridge converter) انرژی را در باس خازن ذخیره می‌کند و یک ولتاژ ورودی سخت را به اینورتر تغذیه می‌کند. بیش‌تر درایوها از نوع VSI با خروجی ولتاژ PWM هستند.

توپولوژی درایو VSI

درایو اینورتر منبع جریان (current-source inverter) یا درایو CSI: در یک درایو CSI، خروجی DC از مبدل پل SCR، انرژی را در اتصال سری رآکتور ذخیره می‌کند تا یک جریان ورودی سخت را برای اینورتر فراهم کند. درایوهای CSI را می‌توان هم با PWM و هم با شکل موج خروجی شش مرحله‌ای به کار گرفت.

توپولوژی درایو CSI

درایو اینورتر شش مرحله‌ای (six-step inverter): درایوهای شش مرحله‌ای در حال حاضر تا حد زیادی منسوخ شده‌اند و می‌توانند از نوع VSI یا CSI باشند و نیز به عنوان درایوهای اینورتر ولتاژ متغیر (variable-voltage inverter drives)، درایو‌های مدولاسیون دامنه پالس (pulse-amplitude modulation) یا PAM، درایوهای موج مربعی (square-wave drives) یا درایوهای اینورتر چاپر DC شناخته می‌شوند. در یک درایو شش مرحله‌ای، خروجی DC از مبدل پل SCR از طریق باس خازن و اتصال راکتور سری هموار می‌شود و به وسیله یک جفت دارلینگتون یا اینورتر شبه سینوسی IGBT تغذیه می‌گردد و ولتاژ شش مرحله‌ای و یا جریان ورودی به یک موتور القایی فرستاده می‌شود.

شکل موج درایو شش مرحله‌ای

درایو اینورتر تناوب بار (load commutated inverter) یا درایو LCI: در یک درایو LCI که یک نوع CSI خاص است، خروجی DC از مبدل پل SCR انرژی را در مدار القاگر لینک DC ذخیره می‌کند تا یک خروجی جریان مرحله‌ای شبه سینوسی را برای یک اینورتر پل SCR و یک ماشین سنکرون بیش تحریک شده تامین کند.

سایکلوکانورتر (cycloconverter) یا ماتریکس کانورتر (matrix converter) یا MC: سایکلوکانورترها و MCها مبدل‌های AC به AC هستند که هیچ لینک DC برای ذخیره‌سازی انرژی ندارند. یک سایکلوکانورتر به عنوان یک منبع جریان سه فاز از طریق سه پل ضد موازی با اتصال SCR در پیکربندی شش پالسه کار می‌کند. هر فاز سایکلوکانورتر به صورت انتخابی برای تبدیل ولتاژ AC با فرکانس ثابت خط به یک ولتاژ متناوب با فرکانس متغیر بار عمل می‌کند. درایوهای MC مبتنی بر IGBT هستند.

توپولوژی یک ماتریکس کانورتر

سیستم بازیافت لغزش با تغذیه دو سویه (doubly fed slip recovery system topologies): سیستم بازیافت لغزش با تغذیه دوسویه، برق لغزشی یک‌سو شده را به یک رآکتور صاف‌کننده تغذیه می‌کند تا برق را از طریق یک اینورتر به شبکه عرضه AC تغذیه و سرعت موتور را توسط تنظیم جریان DC کنترل کند.

انواع پلتفورم‌های کنترلی VFD

بیش‌تر درایوها از یک یا چند از پلتفورم کنترلی زیر استفاده می‌کنند:

• کنترل عددی PWM V/Hz هرتز
• کنترل میدانی PWM یا کنترل برداری
• کنترل تورک مستقیم (direct torque control) یا DTC.

مشخصات گشتاور بار و توان

درایوهای فرکانس متغیر همچنین با مشخصات گشتاور بار و توان زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• گشتاور متغیر، از جمله در کاربردهای فن (fan)، پمپ (pump) و دمنده‌های سانتریفوژ (centrifugal blowers)
• گشتاور ثابت، از جمله در کاربردهای نقاله (conveyor) و پمپ جابه‌جایی (displacement pump)
• توان ثابت، از جمله در کاربردهای ماشین ابزار و کشش ریلی