الکتروموتور، تجهیزات جانبی، درایو AC (اینورتر)
چوک ورودی اینورتر، فیلتر هارمونیک درایو | چکیده نکات کاربردی
بهمن
چوک ورودی اینورتر و فیلتر هارمونیک درایو از جمله تجهیزاتی هستند که باید درباره اونها و کاربرد اشون نکات لازم رو بدونید. چوک ورودی درایو و فیلتر هارمونیک اینورتر مانع تاثیر نامطلوب بر شبکه تغذیه شده و همچنین یک حفاظت مناسب برای ورودی اینورتر در برابر نوسانات شبکه محسوب می شوند. لذا بر حسب شرایط، ممکنه خرید چوک ورودی اینورتر برای شما اجتناب ناپدیر باشه. بنده در اینجا سعی میکنم کاملا مختصر و کاربردی درباره این تجهیزات و چوک DC اینورتر مطالبی رو بنویسم. البته اگه سوالات دیگه ای هم داشتید خوشحال میشم بتونم کمکی بکنم.
پس پیشنهاد میکنم تا انتهای این مطلب همراه ما باشید.
آنچه در این مقاله می‌خوانید:
هارمونیک در برق
به بیان ساده هارمونیک در برق یعنی برق با کیفیتِ پایین و نامطلوب. برقِ باکیفیت که در نیروگاه توسط ژنراتورها تولید و روانه شبکه سراسری برق می شود، در اثر فعل و انفعالاتی ممکن است از حالت سینوسی یکنواخت خود خارج شده و شکل موج آن کج و ماوج شود(به شکل زیر توجه کنید) معمولا شدت این اختلال موجود در برق را توسط ضریبی به نام THD که اختصار Total Harmonic Distortion است اندازه گیری و بیان می شود.
هارمونیک در برق یا شکل موج غیر سینوسی برق بسته به مقدار آن (%THD) می تواند مشکلات زیادی را برای ما ایجاد کند. از جمله:
- باعث داغ شدن ترانسفورماتور می شود
- تلفات الکتروموتور ها افزایش می یابد
- تلفات کابلها افزایش می یابد
- منجر به داغ شدن و عملکرد اشتباه تجهیزات حفاظتی می گردد
- می تواند باعث آسیب به تجهیزات الکترونیکی و یا خازن ها شود
- عمر تجهیزات برقی کاهش خواهد یافت
- پاور فکتور (cosɸ) یا ضریب توان را کاهش می دهد. با ضریب (THD² + 1)√/1
- و …
اصلی ترین دلیل ایجاد هارمونیک در برق استفاده از تجهیزات الکترونیکی هست که اصطلاحا به آنها بارهای غیرخطی گفته میشه.
هارمونیک در اینورتر
اینورتر یکی از مهمترین بارهای غیرخطی هستش. هارمونیک در اینورتر ها بخاطر استفاده از یکسوساز پل دیود در ورودی ایجاد می شود. به چگونگی جریان کشی اینورتر از شبکه در شکل زیر توجه کنید.
این شکل جریان در ورودی باعث تغییر شکل ولتاژ شبکه تغذیه اینورتر خواهد شد و در نتیجه هارمونیک اینورتر موجب تاثیر نامطلوب در سایر تجهیزات می گردد. در اینجا قصد ورود به جزئیات بیشتر را نداریم.
در یک شمای کلی روش های مختلفی وجود دارند که با استفاده از آنها می توان تولید هارمونیک در اینورتر را کاهش داد. برخی از این روشها که عمومیت بیشتری دارند در زیر مورد اشاره قرار می گیرند.
چوک ورودی اینورتر چیست؟
چوک AC ورودی اینورتر مرسوم ترین تجهیزی است که برای کاهش هارمونیک در اینورترها مورد استفاده قرار می گیرد و همانطور که از اسم آن پیداست در ورودی اینورتر نصب می شود. با نصب راکتور ورودی اینورتر شکل جریان کشیده شده از ورودی هموارتر شده و به شکل سینوسی نزدیک تر می گردد.
ضریب THD جریان ورودی اینورتر ها بالای ۸۰٪ است. در صورت نصب چوک ورودی اینورتر این مقدار هارمونیک اینورتر کاهش می یابد و به چیزی حدود ۴۰٪ می رسد. (مقدار نهایی هارمونیک به مشخصات فیلتر و بار وابسته است). چوک AC ورودی یک امپدانس به ورودی درایو اضافه می کند و باعث سینوسی تر شدن جریان ورودی می گردد. هرچقدر این امپدانس بیشتر باشد، هارمونیک اینورتر کمتر خواهد شد و البته افت ولتاژ بیشتری ایجاد خواهد شد. عموما در طراحی ها برای امپدانس فیلتر ورودی اینورتر، مقدار ۳ الی ۵ درصد (بسته به طراحی و قیمت چوک ورودی اینورتر) در نظر گرفته می شود.
- بعنوان یک قاعده کلی، راکتور ورودی با امپدانس 3% در بسیاری از کاربری ها مناسب است و از آسیب رسیدن به درایو در برابر نوسانات شبکه جلوگیری می کند و همچنین هارمونیک جریان ورودی را تا 45% کاهش می دهد.
- در مواردی که نیاز است هارمونیک به مقداری بیشتری کاهش یابد، استفاده از چوک ورودی با امپدانس 5% پیشنهاد می گردد. این راکتور ورودی درایو باعث کاهش هارمونیک جریان ورودی درایو تا 35% می گردد.
- استفاده از امپدانس بیشتر از 5% تاثیر بسیار کمی در کاهش هارمونیک دارد. لذا توصیه نمیگردد. مخصوصا که قیمت چوک ورودی اینورتر با امپدانس بالاتر، افزایش می یابد.
امپدانس موثر چوک ورودی متناسب با بار تغییر می کند. بعنوان مثال فیلتر ورودی 5% چنانچه اغلب تحت 60% بار نامی باشد، معادل فیلتر ورودی 3% عمل می کند. لذا حتی المقدور سایز بهینه ای برای راکتور ورودی درایو انتخاب کنید تا بیشترین اثربخشی را داشته باشد.
یک نکته موثر دیگر در انتخاب راکتور ورودی درایو، در ارتباط با سایز ترانس ورودی است. هرچه ترانسفورماتور تغذیه بزرگتر باشد امپدانس داخلی آن کوچکتر است و لذا جریان پیکی که در یکسوساز ورودی جاری میشود نسبت به شکل فوق بیشتر است و لذا عمر خازن های اینورتر کمتر شده و احتمال صدمه به دستگاه بالا می رود. بعنوان یک قاعده سرانگشتی، چنانچه ظرفیت ترانسفورماتور تغذیه نسبت به اینورتر ۱۰ برابر یا بیشتر است، حتما از راکتور AC ورودی اینورتر استفاده نمایید (در ترانسفورماتورهای بزرگتر از 1000kVA).
محاسبه چوک برای اینورتر:
بعنوان یک فرمول اصلی در محاسبه چوک برای اینورتر ورودی سه فاز، اندوکتانس مناسب با طراحی امپدانس ۴٪ (بعنوان مثال)، از رابطه زیر برای راکتور ورودی اینورتر قابل محاسبه است:
L = 0.04 × V / (1.73 × 2 × 3.14 × F × I)
که L: اندوکتانس چوک بر حسب هانری، V: ولتاژ تغذیه، F: فرکانس شبکه و I: جریان نامی می باشد.
برای محاسبه چوک درایو، بیش از این چیز دیگری نیاز ندارید. همچنین درصورتی که اینورتر مستقیما از دیزل ژنراتور تغذیه می کند، جهت تثبیت و بهبود عملکرد دیزل ژنراتور، توصیه می گردد از فیلتر ورودی درایو استفاده شود تا هارمونیک تولیدی اینورتر باعث ایجاد اختلال در ولتاژ دیزل ژنراتور نگردد. دیزل ژنراتور با توجه به امپدانس داخلی بالا در مقایسه با ترانسفورماتور، از هارمونیک بسیار تاثیر می پذیرد. البته ظرفیت ژنراتور باید به مقدار کافی از اینورتر بزرگتر باشد.
علاوه بر بحث کاهش هارمونیک اینورتر، مزیت بسیار مهم دیگر چوک ورودی درایو، بحث حفاظت اینورتر است. قسمت یکسوساز ورودی اینورترها در برابر نوسانات شدید شبکه بسیار آسیب پذیرند. امپدانس راکتور ورودی درایو تا حد زیادی باعث می شود نوسان های ولتاژ شبکه (مثلا ناشی از سوئیچ زنی بانک خازنی یا موارد دیگر)، به ورودی اینورتر صدمه نزند یا باعث ایجاد فالت روی درایو و توقف پروسه نگردند. چرا که پیک های شدید را تا حد زیادی خنثی می نماید. در شکل زیر ببینید نوسانات ولتاژ، چگونه باعث ایجاد پیکهای جریانی شدید شده است.
درصورتی که درایو تحت بار نباشد (stand-by باشد)، راکتور ورودی درایو نمیتواند مانع از بروز صدمه در برابر نوسانات باشد. بهتر است در این حالت درایو را از شبکه قطع کنید
و همچنین همانطور که در بالا اشاره شد هارمونیک باعث کاهش ضریب توان اینورتر می شود. استفاده از چوک ورودی در ضمن اینکه باعث کاهش هارمونیک تولیدی درایو می گردد، توان راکتیو ورودی درایو را نیز کاهش می دهد. پاور فکتور (cosɸ) یا ضریب توان با ضریب (THD² + 1)√/1 متناسب است با هارمونیک. لذا طبق رابطه فوق، کاهش هارمونیک باعث بهبود ضریب توان می گردد.
چوک ورودی اینورتر چه کارهایی نمیکند!
- حفاظت موتور در برابر پالس های PWM در خروجی درایو و جبران طولانی بودن کابل موتور
- کاهش دمای موتور
- کاهش صدای زوزه موتور
- کاهش نویز
- حذف جریان جاری شده از طریق بلبرینگ های موتور (Bearing currents)
برای مطالعه درباره این موارد بایستی مقاله کاربرد چوک خروجی اینورتر را مطالعه نمایید.
چوک DC اینورتر
یکی دیگر از تکنیک هایی که هارمونیک ورودی اینورتر را کاهش می دهد، استفاده از چوک DC (چوک دی سی) اینورتر است. این چوک DC در قسمت DC-Bus اینورتر قرار می گیرد (شکل زیر) و مانند فیلتر ورودی اینورتر باعث کاهش هارمونیک (THD) به مقدار حدود 40% می گردد. به این تجهیز DC reactor هم گفته میشود.
بنابراین چوک DC درایو از نظر کاهش هارمونیک، تاثیر مشابه چوک ورودی دارد. ولی نسبت به چوک ورودی مزایایی دارد. از جمله:
- حجم آن کمتر است و نیاز به فضای کمتری درون تابلو برق دارد.
- قیمت چوک ورودی اینورتر از DC reactor بیشتر است.
- چوک دی سی اینورتر باعث کاهش ریپل ولتاژ DC-Bus می گردد. بدون چوک DC، ریپل ولتاژ باس دی سی حدود 5% است که با افزودن چوک به 1.5% کاهش می یابد. این مسئله موجب کاهش تلفات خازن ها شده و عمر آن افزایش می یابد
- چوک DC درایو تاثیری بر سطح ولتاژ باس DC ندارد در حالی که چوک ورودی درایو باعث افت ولتاژ و لذا باعث کاهش گشتاور یا افزایش جریان می گردد.
امروزه سازندگان معتبر، برخی از درایوهای خود را به صورت استاندارد و در کارخانه به چوک DC مجهز می کنند. در غیر اینصورت اغلب اینورترها – مخصوصا توانهای بالا – دارای ترمینالهایی جهت اتصال چوک دی سی بصورت اکسترنال هستند.
چوک DC اینورتر برخلاف چوک ورودی نمی تواند ورودی اینورتر را در برابر نوسانات احتمالی ولتاژ شبکه حفاظت کند.
فیلتر هارمونیک درایو
در صنایع و تاسیسات حساس تر، برای داشتن مقدار کمتری از سطح هارمونیک درایو، باید از فیلتر هارمونیکی گران قیمت تری استفاده کنید. این محصولات به دو نوع فیلتر هارمونیک اکتیو و فیلتر هارمونیک پسیو تقسیم می شوند.
فیلتر هارمونیک پسیو
در شکل زیر یک نوع فیلتر هارمونیک پسیو را مشاهده می کنید.
فیلتر هارمونیک پسیو بسته به مشخصات و طراحی می تواند هارمونیک درایو (THD) را به حدود 12-4 % کاهش دهد.
فیلتر هارمونیک پسیو اینورتر با کاهش قابل توجه هارمونیک موجب این می شود که توان راکتیو ورودی تا حد بسیار زیادی کاهش یابد. (به این موضوع در بالا هم اشاره شد). کاهش توان راکتیو به نوبه خود باعث کاهش جریان ورودی درایو می گردد. برای یک اینورتر 22 کیلووات در جدول زیر یک اندازه گیری برای مقادیر جریان ورودی و توان راکتیو ورودی با فیلترهای مختلف آورده شده است. ملاحظه می گردد که در مقایسه با چوک ورودی درایو، افزودن فیلتر هارمونیک پسیو ورودی اینورتر، باعث کاهش قابل توجه جریان ورودی و متعاقبا توان راکتیو می گردد.
فیلتر هارمونیک اکتیو
همچنین نوع دیگر فیلتر هارمونیکی اینورتر، فیلتر هارمونیک اکتیو یا فعال است. در شکل زیر اساس عملکر فیلتر هارمونیک اکتیو بصورت شماتیک بیان شده است. این فیلترها بسته به طراحی و مشخصات پروژه، می توانند مقدار THD جریان ورودی درایو را تا ۲٪ کاهش دهند. نکته اینکه در صورتی که در پروژه فیلتر هارمونیک اکتیو استفاده گردد، استفاده از راکتور AC ورودی درایو به همراه آن اجتناب ناپذیر است.
پاسخ به چند سوال درباره چوک ورودی اینورتر و درایو
چوک ورودی اینورتر مبحثی است که سوال درباره آن فراوان است. در انتها به چند مورد که بصورت پراکنده درباره این تجهیز مورد سوال واقع میشود پاسخ میدهیم.
اینورتر ورودی تک فاز که اختصارا به آن “اینورتر تکفاز” هم میگویند، میتواند برای آن چوک ورودی استفاده شود تا بتوان ورودی آن را در برابر نوسانات شبکه حفاظت کرده و هارمونیک آن را کاهش دهیم. چنانچه چوک AC تکفاز دارید که آن را بسادگی در مسیر فاز و نول ورودی قرار می دهید.
چنانچه چوک اینورتر سه فاز در اختیار دارید فاز وسط را خالی بگذارید و دو فاز دیگر را مسیر فاز و نول ورودی قرار دهید. توجه کنید در این حالت عملا دو فاز چوک ورودی اینورتر با هم سری می شوند و لذا امپدانس موثر، دو برابر امپدانس چوک ورودی در حالت سه فاز خواهد بود.
افت ولتاژ راکتور ورودی اینورتر در یک کلام بسیار ناچیز است. برای شکل موج هارمونیک اول (50Hz) پاور فکتور اینورتر بسیار بالاست و لذا چوک ورودی با توجه به خاصیت سلفی مقاومت کمی در برابر هارمونیک اصلی ایجاد می کند و تقریبا 0 است.
برای سایر هارمونیک های مضر مراتب بالاتر – هارمونیک پنجم، هفتم و … – وضعیت برعکس است و این هارمونیک ها به مقدار زیادی روی راکتور ورودی درایو افت می کنند.
نمودار زیر مقدار افت ولتاژ یک فاز فیلتر ورودی درایو را نشان می دهد. ملاحظه می کنید شکل اصلا سینوسی نیست و دامنه ولتاژ دوسر راکتور AC در هارمونیک های مختلف، متفاوت است.
فیلتر وزودی اینورتر ضریب THD جریان ورودی را به مقدار حدود 40% کاهش می دهد. با این حال تاثیر چوک ورودی هارمونیک های بر هارمونیکهای مختلف یکسان نیست. شکل زیر را ببینید. ملاحظه می شود که هارمونیک های مضر مرتبه بالا (پنجم و هفتم) به نسبت بسیار بیشتری تضعیف می گردند. سایر هارمونیک ها هم تحت تاثیر راکتور ورودی اینورتر، تا حد زیادی کاهش می یابند.
بله. درایوهای DC در ورودی توسط کنترل زاویه آتش on/off قطعات الکترونیک قدرت SCR کنترل می شوند. پروسه عملکرد این قطعات (کموتاسیون) باعث می شود اعوجاجاتی در شکل موج ولتاژ ایجاد شود. استفاده از چوک ورودی در درایو DC باعث جبران این اغتشاشات می گردد.
دستورالعمل های استاندارد IEEE-519 اصلی ترین مرجع در زمینه هارمونیک سیستم های درایو است. این استاندارد بر تعیین سطوح قابل قبول درصد هارمونیک در نقطه اتصال بین تاسیسات صنعتی و سیستم برق عمومی، تمرکز دارد. به این نقطه “نقطه اتصال مشترک” یا PCC اطلاق می شود. استاندارد IEEE-519 اساساً بعنوان یک دستورالعمل برای تعیین محدودیت در میزان هارمونیک که یک مرکز یا دستگاه می تواند به شبکه برق بازگرداند، عمل می کند تا از ایجاد اعوجاج غیرقابل قبول برای سایر کاربران مجاور جلوگیری کند.
چوک ورودی اینورتر باعث کاهش هارمونیک تولیدی درایو می شود. علاوه بر این راکتور ورودی با افزودن امپدانس به ورودی درایو، باعث جلوگیری از آسیب نوسانات شبکه به اینورتر می شود.
فیلتر یا راکتور ورودی متناسب با مقدار امپدانس آن، موجب ایجاد افت ولتاژ و ایجاد تلفات جزئی می گردد.
برای محاسبه اندوکتانس چوک ورودی با داشتن درصد امپدانس مورد نیاز (مثلا 4%) از رابطه زیر استفاده کنید:
L = 0.04 × V / (1.73 × 2 × 3.14 × F × I)
که در آن L اندوکتانس محاسبه شده چوک بر حسب هانری و F,I,V به ترتیب فرکانس، جریان و ولتاژ می باشند.
همچنین برای محاسبه مقدار امپدانس راکتور ورودی از رابطه زیر استفاده کنید:
فرکانس×اندوکتانس×3.14×2 = امپدانس
در رابطه فوق امپدانس بر حسب اهم، فرکانس بر حسب هرتز و اندوکتانس بر حسب هانری است.
چوک DC درایو یا DC reactor در مدار میانی اینورتر بعد از یکسوسازی قرار می گیرد و باعث کاهش هارمونیک درایو می شود. در حالی که چوک ورودی AC اینورتر سر راه سه فاز ورودی قبل از اینورتر نصب می شود و علاوه بر کاهش هارمونیک باعث محافظت از اینورتر در برابر نوسانات می گردد.
چوک ورودی اینورتر یا فیلتر ورودی درایو تجهیزی است که در ورودی درایو نصب می شود و با اضافه کردن یک امپدانس باعث محافظت از اینورتر شده و هارمونیک تولیدی را هم کاهش می دهد.
چوک ورودی ارتباطی با طول کابل ورودی و خروجی ندارد. شایان ذکر است درصورتی که طول کابل خروجی به موتور زیاد است بایستی از چوک خروجی استفاده کنید.
خیر. چوک ورودی تاثیری در حفاظت از موتور ندارد. برای حفاظت از موتور استفاده از چوک خروجی اینورتر پیشنهاد می گردد.
قیمت چوک ورودی عمدتا به مقدار امپدانس، توان اینورتر و کیفیت متریال و ساخت بستگی دارد.
برای خرید چوک ورودی اینورتر بایستی اطلاعات زیر را از قبل داشته باشید: توان اینورتر و موتور، مقدار هارمونیک مورد نظر و اندوکتانس یا امپدانس مورد نیاز
چوک ورودی فقط خاصیت القایی دارد و هارمونیک را تا حدود 40% کاهش می دهد. فیلتر هارمونیک درایو ترکیب سلف و خازن با طراحی ویژه است (فیلتر هارمونیک). فیلتر هارمونیک اکتیو از قطعات الکترونیکی ساخته می شود. فیلتر هارمونیک اینورتر هارمونیک را تا کمتر از 10% کاهش می دهد.
و نهایتا اینکه
اینورتر در کنار تمام مزیت هایش، لازم است تا از نظر تاثیراتی که ممکن است بر سایر تجهیزات بگذارد، مورد مراقبت قرار گیرد. یکی از این مسائل بحث هارمونیک است که ما در اینجا بصورت فشرده، کاربرد چوک اینورتر در ورودی و سایر تجهیزات و روشها را معرفی کردیم. امیدوارم کافی بوده باشه. درصورتی که سوالی بود یا مطلبی برای افزودن به نظرتون میرسه پایین همین صفحه بفرمایید تا بقیه هم استفاده کنند.
همچنین اگه در ارتباط با قیمت و خرید چوک ورودی اینورتر، چوک DC اینورتر و فیلتر هارمونیک اینورتر اطلاعات بیشتری نیاز دارید از این صفحه اقدام کنید یا مستقیما با ما تماس بگیرید تا بهترین گزینه های موجود رو به شما معرفی کنیم.
شما به این مقاله چه امتیازی می‌دهید؟ 😊
عالی بسیار عالی
سپاسگزارم. انشالله که مفید بوده. سوالی بود هستم خدمت شما