همه‌چیز درباره چوک خروجی اینورتر و فیلتر سینوسی درایو

اهمیت چوک خروجی اینورتر رو هیچکس بهتر از یه مغازه سیم‌پیچی موتور نمیتونه به شما بگه. حتما از یه سیم‌پیچ سوال کنید. براتون مطالب جالبی درباره تاثیر اینورتر بر موتور خواهد گفت. از جمله درباره خرابی بلبرینگ‌ها بخاطر جریان عبوری ازشون یا درمورد ضعیف‌شدن عایق بین سیم‌پیچها در طول زمان. مسئله وقتی واقعا نگران‌کننده هستش که طول کابل بین موتور و اینورتر زیاد باشه.

مثل همیشه به لُپ مطلب میپردازم و خودم و شما رو درگیر تئوری و فرمول نمیکنم.?

ولتاژ مجاز برای سیم‌پیچ الکتروموتورها

میدونیم که شکل موج ولتاژ خروجی اینورتر ها سینوسی نیست، بلکه پالس‌های مربعی شکل هست! (شکل زیر). که دامنه این پالس‌های خروجی ۱.۳۵ برابر ولتاژ ورودی اینورتر هستش که مثلا برای ولتاژ ۴۰۰ ولت ورودی اینورتر دامنه این پالس‌های خروجی میشه حدود ۵۵۰ ولت. حالا اگه این شکل ولتاژ به الکتروموتور سه فاز اعمال بشه، باعث میشه در ترمینال‌های موتور پیک های ولتاژ مثلا ۱۵۰۰ ولتی به وجود بیاد. (دلیل این اتفاق در بخش طول کابل خروجی اینورتر به موتور توضیح داده شده)

ولتاژ پیک ۱۵۰۰ ولت، از محدوده مجاز و قابل قبول برای الکتروموتور بیشتر هستش. این مقدار پیک ولتاژی باعث افزایش استرس و فشار به عایق سیم‌پیچ‌ها و ضعیف‌شدن اشون در طول زمان میشه، دمای موتور افزایش پیدا میکنه و ممکنه باعث اتصالی سیم‌پیچ‌ها و سوختن الکتروموتور بشه.

همچنین مطلب چوک ورودی اینورتر رو هم مطالعه کنید

همونطور که در شکل زیر می‌بینید طبق استاندارد IEC60034-17، حداکثر ولتاژ قابل اعمال به موتورها مشخص هستش. طبق نمودار زیر اگه مثلا زمان تغییرات ولتاژ (tr) تا حدود ۰.۲ میکروثانیه باشه، ولتاژ پیک باید کمتر از ۱۰۰۰ باشه و اگه زمان تغییرات ولتاژ ۱ میکروثانیه باشه، ولتاژ پیک باید کمتر از ۱۳۰۰ ولت باشه.

همچنین این پیک‌های ولتاژی ایجاد شده در ترمینال‌های موتور باعث انعکاس موج به خروجی اینورتر شده و ممکنه باعث ایجاد خطای اضافه ولتاژ روی اینورتر شده و ممکنه منجر به صدمه به IGBT های اینورتر بشه.

بنابراین کاری که باید انجام داد این هستش که:

• اولاً پیک ولتاژ رو هرچه کمتر کنیم.
• دوماً زمان تغییرات ولتاژ رو هرچه بیشترش کنیم.

استفاده از موتورهای طراحی شده برای کار با اینورتر

یکی از کارهایی که میشه کرد استفاده از موتورهایی هستش که مشخصاً برای کار با اینورتر طراحی شده‌اند. به این موتورها اصطلاحا Inverter-Duty یا Inverter-Rated گفته می‌شود. شکل زیر نمونه‌هایی از پلاک این موتورها را نشان می‌دهد.

سیم‌پیچ این موتورها از نظر عایق بندی تقویت شده و در رزین‌کاری آنها از مواد ویژه‌ای استفاده شده است. طبق استاندارد IEC60034-25 این موتورها ظرفیت تحمل مقادیر بیشتری از ولتاژهای ضربه (اسپایک) را دارند که در نمودار زیر نشان داده شده است.

کاهش فرکانس کریر اینورتر

فرکانس کریر چیست؟ در واقع سرعت کلیدزنی یا قطع و وصل (سوئیچینگ) آی‌جی‌بی‌تی را فرکانس کریر اینورتر می گویند. مقدار این فرکانس معمولا در محدوده ۱۶-۲ کیلوهرتز قابل تنظیم است. البته در کارخانه معمولا با توجه به رنج دستگاه آن را روی مقدار استانداردی تنظیم می‌کنند. اگه شما مقدار فرکانس کریر درایو رو کم کنید اثر پیک‌های ولتاژی مورد اشاره تا حدودی کاهش می‌یابد. چرا که در یک سیکل، تعداد کمتری پالس خروجی اینورتر وجود دارد و لذا پیک‌ها دفعات کمتری ایجاد میشن.

علت سوت کشیدن اینورتر چیست؟ جدای از بحث فوق توی پرانتز عرض کنم که از اونجایی که کاهش فرکانس سوئیچینگ اینورتر باعث کاهش دفعات کلید زنی IGBT ها میشه، لذا تلفات گرمایی خود اینورتر کمتر میشه. از این مطلب میشه استفاده کرد برای مواقعی که مثلا فشار بار روی اینورتر بیش از حد هستش یا دمای محیط از حد نرمال بیشتر شده. البته کاهش فرکانس سوئیچینگ درایو باعث افزایش صدای زوزه و سوت کشیدن اینورتر میشه و همچنین ممکنه باعث افت کیفیت عملکرد اینورتر بشه.

 (در ارتباط با افزایش فرکانس کریر در اینورتر بالاتر از مقدار نامی باید احتیاط کنید. چرا که درسته باعث کاهش صدای زوزه و سوت کشیدن اینورتر در محیط‌های مسکونی میشه ولی تلفات سوئیچینگ و کلیدزنی ای‌جی‌بی‌تی ها و اینورتر افزایش پیدا میکنه و ممکنه برای اینورتر مشکل‌ساز بشه)

کاهش طول کابل خروجی اینورتر به موتور

دلیل ایجاد پیک های ولتاژی در ترمینال‌های اینورتر ظرفیت خازنی کابل خروجی اینورتر هستش (کابل مثل خازن عمل میکنه. شارژ و دشارژ). ظرفیت خازنی کابل با طول کابل تناسب مستقیم داره. بنابراین:

شکل زیر را ببینید. مطابق مطالب بالا بایستی پیک‌های ولتاژی رو محدود کنیم. یکی از روشهای این کار کوتاه بودن طول کابل خروجی درایو به موتور هستش. اگه طول کابل خروجی اینورتر به موتور بصورت سرانگشتی کمتر از ۵۰ متر (البته سازندگان مختلف ممکنه متراژ دیگری اعلام کنند) باشه بدون استفاده از چوک یا راکتور خروجی درایو، پیک‌های ولتاژی در محدوده مجاز قرار می گیرند.

در برخی از موارد امکان نصب اینورتر و موتور در نزدیکی هم وجود نداره. مثال روشن برای این حالت پمپ‌های شناور هستش که الکتروموتور در عمق چاه مثلا ۳۰۰ متری قرار داره. در چنین مواردی مجبوریم اثر طولانی بودن کابل خروجی درایو به موتور رو جبران کنیم یا بعبارتی خروجی درایو رو فیلتر کنیم.

چوک خروجی اینورتر چیست؟

از جمله تجهیزات جانبی پرکاربرد درایو یا اینورتر، چوک یا راکتور خروجی اینورتر هستش. همانطور که در بالا توضیح داده شد برای کابل خروجی اینورتر به موتورِ طولانی‌تر از ۵۰ متر، توصیه میشه از چوک موتور در خروجی درایو استفاده بشه. چوک خروجی اینورتر باعث کاهش پیک‌های ولتاژیِ ایجاد شده روی سیم‌پیچ‌های موتور میشه و نرخ افزایش ولتاژ یا همون du/dt کاهش پیدا میکنه (شکل زیر).

این کار منجر به این میشه که ولتاژ اعمالی به موتور تحت شریط و محدوده‌های استاندارد IEC60034-17 قرار بگیره و لذا عایق‌های سیم‌پیچ موتور عمر استاندارد خودشون رو داشته باشند. بعنوان یه قاعده سرانگشتی میشه گفت اگه متراژ کابل خروجی درایو ۵۰ تا ۱۵۰ متر باشه، راکتور خروجی درایو برای جبران اثر خازنی طول کابل موتور مناسب هستش.

راکتور خروجی اینورتر بایستی تا حد ممکن نزدیک اینورتر نصب بشه و کابل اینورتر به راکتور حتی‌المقدور کوتاه باشه تا بیشترین اثر رو داشته باشه.

مزایای چوک خروجی اینورتر و درایو

• چوک خروجی درایو باعث میشه اثر خازنی کابل خروجی اینورتر جبران بشه و پیک‌های ولتاژی روی سیم‌پیچ های موتور به وجود نیاد.
• با استفاده از فیلتر خروجی اینورتر نیازی به خرید موتورهای گران قیمت مخصوص اینورتر (inverter-duty) نیست.
• چوک خروجی درایو باعث میشه دمای کاری موتور به مقدار زیادی کاهش پیدا کنه و عمر اون به مقدار قابل توجهی افزایش پیدا کنه.
• راکتور خروجی درایو باعث کاهش هارمونیک و تلفات مختلف موتور میشه و لذا راندمان موتور افزایش پیدا میکنه.
• فیلتر خروجی درایو باعث میشه درصورت وقوع اتصال کوتاه در موتور یا کابل‌های خروجی، احتمال صدمه به آی‌جی‌بی‌تی های خروجی اینورتر کاهش پیدا کنه. چرا که اینورتر زمان بیشتری برای واکنش و اعلام فالت خواهد داشت.

کاربرد چوک خروجی اینورتر و درایو

چنانچه موتور شما با اینورتر کنترل می‌شود، سناریوهایی که میشه توصیه به استفاده از فیلتر خروجی اینورتر کرد، بصورت زیر قابل اشاره است:

1. مواردی که طول کابل خروجی درایو به موتور بین ۵۰ تا ۱۵۰ متر است.
2. مواردی که کابل اینورتر به الکتروموتور پوشش یا غلاف فلزی دارد. که این مسئله باعث افزایش مضاعف اثر خازنی کابل خروجی اینورتر می‌گردد.
3. برای موتورهای قدیمی یا کیفیت‌پایین که تحمل ولتاژهای ضربه با دامنه بالا ناشی از پالس‌های اینورتر را ندارند.
4. موتورهایی که در محیط گرم کار می‌کنند و سیم‌پیچ آنها تحمل استرس و فشار بیشتر را ندارد.
5. موتورهایی که در محیط‌های خطرناک و اشتعال‌پذیر کار می‌کنند.
6. موتورهایی که بصورت مکرر به حالت ژنراتوری می‌روند. (حالت ژنراتوری باعث افزایش ولتاژ DC-Bus و لذا ولتاژ خروجی اینورتر به بالاتر از مقدار نامی شده و متعاقبا ولتاژ پیک ترمینالهای موتور افزایش می‌یابد و فشار روی عایق سیم‌پیچ‌ها افزون می‌گردد)
7. جایی که راه‌اندازی چند موتور با یک اینورتر انجام می‌شود و موتورها بصورت موازی به خروجی اینورتر متصل می‌گردند. در این شرایط بایستی مجموع طول کابل‌های خروجی را بعنوان طول کابل نهایی در نظر گرفت.(شکل زیر)

از جهت خرید چوک خروجی اینورتر باید عرض کنم که هم ابعاد و هم قیمت این چوک‌ها نسبت به فیلتر های خروجی دیگر کمتر هستش و لذا فروش چوک خروجی اینورتر متداول‌تر هستش.

فیلتر سینوسی اینورتر

یکی دیگه از فیلترهایی که در خروجی اینورتر میتونه استفاده بشه، فیلتر سینوسی اینورتر هستش. فیلتر سینوسی از ترکیب سلف و خازن تشکیل شده و ساختار اون رو در شکل زیر ملاحظه می‌کنید.

فیلتر سینوسی درایو همونطور که از اسمش هم پیداست پالس‌های خروجی اینورتر رو کاملا فیلتر میکنه و یه شکل بسیار تمیز سینوسی تحویل موتور میده. در شکل زیر وضعیت ولتاژ موتور با فیلتر سینوسی اینورتر نشان داده شده. مشاهده میکنید که پالس‌های ولتاژ، با عبور از چوک سینوسی درایو کاملا حذف شده‌اند. لذا موتور در شرایط بسیار خوبی کار خواهد کرد.

کاربرد چوک سینوسی اینورتر برای جاهایی هستش که طول کابل خروجی اینورتر بصورت سرانگشتی از ۱۵۰ متر بیشتر باشه.

همانطور که بالاتر هم در ارتباط با فرکانس کریر اینورتر صحبت شد، پالس‌های سوئیچینگ اینورتر منجر به تولید صدای سوت کشیدن موتور میشن یا اصطلاحاً باعث میشه موتور زوزه بکشه. این صدا ممکنه در مناطق مسکونی قابل قبول و تحمل نباشه و مشکل‌ساز بشه. راه‌حل اصولی برای حذف این صدای مزاحم استفاده از فیلتر سینوسی درایو هستش. بصورت کامل این صدای سوت کشیدن و زوزه با کاربرد راکتور سینوسی اینورتر حذف خواهد شد.

همچنین از آنجایی که فیلتر سینوسی درایو کاملا پالس‌های درایو را حذف می‌کند، باعث میشود تا حد زیادی نویز اینورتر ناشی از سوئیچینگ ترانزیستورها کاهش پیدا کنه و نتیجتاً پدیده جریان عبوری از بلبرینگ‌ها (Bearing Currents) – که در موتورهای سه فاز اینورتر دار شایع هستش – تا حد زیادی حذف بشه و عمر بلبرینگ‌ها افزایش پیدا کنه.

نهایتاً اینکه چوک سینوسی اینورتر با حذف پالس‌ها در کابل خروجی، باعث میشه نویز الکترومغناطیسی که از کابل موتور منتشر میشه، حذف بشه و لذا تاثیر نویز خروجی اینورتر روی تجهیزات جانبی کاهش پیدا کنه. البته برای حذف کامل نویز نیاز هست که موارد دیگه‌ای هم مدنظر قرار بگیره که طی یک مقاله جداگانه بهش خواهم پرداخت انشالله.

مزایای فیلتر سینوسی اینورتر و درایو

• فیلتر سینوسی اینورتر باعث میشه شکل موج خروجی درایو، کاملا سینوسی تحویل موتور بشه و لذا اثر خازنی کابل در متراژ بالای ۱۵۰ متر دیگه باعث ایجاد پیک ولتاژی روی موتور سه فاز نمیشه.
• صدای زوزه و سوت کشیدن موتور ناشی از پالس PWM با استفاده از راکتور سینوسی اینورتر کاملا حذف میشه.
• با استفاده از فیلتر سینوسی اینورتر نیازی به خرید موتورهای قیمت بالایی که مخصوص اینورتر هستند(inverter-rated) نیست.
• دمای کاری موتور با استفاده از فیلتر سینوسی درایو، کاهش و عمر موتور زیاد میشه.
• راندمان موتور بسیار بهتر میشه. چونکه راکتور سینوسی اینورتر، هارمونیک‌ها رو حذف میکنه و لذا تلفات هارمونیکی در هسته و سیم‌پیچ موتور سه فاز از بین می‌روند.
• فیلتر سینوسی خروجی درایو باعث کاهش جریان عبوری و چرخشی از بلبرینگ‌ها شده و لذا عمر کاری بلبرینگ‌ها افزایش پیدا میکنه و موتور کمتر به سرویس نیاز پیدا میکنه.
• و در نهایت نویز تولیدی ناشی از سوئیچینگ ترانزیستورها در کابل خروجی اینورتر با استفاده از چوک سینوسی درایو تا حد زیادی کاهش پیدا میکنه.

کاربرد فیلتر سینوسی اینورتر و درایو

1. جایی که طول کابل خروجی اینورتر به موتور بیش از ۱۵۰ متر است و/یا کابل اینورتر به الکتروموتور پوشش یا غلاف فلزی دارد که باعث افزایش مضاعف اثر خازنی کابل خروجی اینورتر می‌گردد.
2. برای موتورهای اورهال و قدیمی که در برابر پالس‌های خروجی اینورتر آسیب پذیرند.
3. برای محیط‌های گرم که سیم‌پیچ موتور تحمل استرس و فشار بیشتر را ندارد.
4. موتورهایی که در محیط‌های خطرناک و اشتعال‌پذیر کار می‌کنند.
5. در مواردی که موتور بصورت مکرر به حالت ژنراتوری می‌رود و با افزایش ولتاژ DC-Bus و لذا ولتاژ خروجی اینورتر، ولتاژ پیک ترمینالهای موتور افزایش می‌یابد و فشار روی عایق سیم‌پیچ‌ها بیشتر می‌شود.
6. در مورادی که خروجی اینورتر برای افزایش ولتاژ به یک ترانسفورماتور داده می‌شود. (مثلا برای کنترل موتور MV بدون درایو مدیوم ولتاژ)

7. جایی که راه‌اندازی چند موتور با یک اینورتر انجام می‌شود و موتورها بصورت موازی به خروجی اینورتر متصل می‌گردند. در این شرایط بایستی مجموع طول کابل‌های خروجی را بعنوان طول کابل نهایی در نظر گرفت.

پاسخ به سوالات رایج درباره چوک خروجی اینورتر و فیلتر سینوسی درایو

جمع‌بندی بحث

دنیای کنترل دور موتور با گسترش تکنولوژی اینورتر ها روز به روز پیشرفت میکنه و مزایای روز افزونی رو برای صنعت به همراه خودش داره. منتها خب گل بی‌خار خداست! مثل هر تجهیز و تکنولوژی دیگه‌ای، اینورتر هم عارضه ها و مشکلات جانبی خودش رو به همراه داره. به نظر بنده از مهمترین معایب اینورتر، تاثیرات مخربی هستش که روی موتور میذاره. خوشبختانه استفاده از چوک خروجی اینورتر و فیلتر سینوسی درایو تا حد بسیار خوبی این عارضه‌های پیش گفته رو جبران میکنه و باعث میشه موتور سه‌فاز ما در شرایط قابل قبولی مورد استفاده با اینورتر قرار بگیره.

همراهان و دوستان عزیر! اگه مطلبی درباره مباحث فوق به ذهنتون میرسه یا احیاناً سوالی هست، در زیر این مطلب در بخش نظرات بفرمایید تا مورد مباحثه قرار بگیره.

شما به این مقاله چه امتیازی می‌دهید؟ 😊