همه‌چیز دربارۀ درایو مدیوم ولتاژ(اینورتر فشار متوسط MV)

درایو مدیوم ولتاژ (Medium Voltage Drive) دستگاهی جهت کنترل دور الکتروموتور فشار متوسط می باشد. در صنایع و کارخانجات موارد بسیاری است که الکتروموتورهای ولتاژ متوسط ترجیح داده می شوند به الکتروموتورهای فشار ضعیف؛ خصوصا در توان های بالا. لذا برای کنترل عملکرد این موتورها، بایستی از درایوهای مدیوم ولتاژ استفاده شود. از نظر ساختمان، کاربرد، مشخصات و … تفاوت های عمده ای بین اینورتر فشار متوسط و اینورتر فشار ضعیف وجود دارد. این در حالی است که مطالب کمی در باره اینورتر مدیوم ولتاژ در دسترس علاقه مندان است. ما در این مقاله سعی کرده ایم مطالبی کاربردی درباره درایو ولتاژ متوسط گردآوری نماییم. امیدواریم مورد استفاده قرار گیرد.

الکتروموتور مدیوم ولتاژ یا فشار ضعیف؟

انتخاب ولتاژ مناسب برای الکتروموتور
انتخاب ولتاژ مناسب برای الکتروموتور

در صنایع سنگین بالغ بر 90% انرژی الکتریکی توسط الکتروموتورها مصرف می شود. لذا این مصرف کننده ها بزرگترین عامل در تعیین طراحی و ساختار سیستم توزیع الکتریکی هستند. بر اساس سطح ولتاژ نامی، الکتروموتورها می توانند به ولتاژ ضعیف (LV) یا ولتاژ متوسط (MV) متصل شوند.

انتخاب سطح ولتاژ الکتروموتور به پارامترهای مختلف فنی، اقتصادی، انسانی و … وابسته است و محدودهای انتخاب قطعی و تعیین شده برای این موضوع وجود ندارد. با این حال عموما الکتروموتورها تا توان 100kW در سطح ولتاژ ضعیف و در توان بالای 800kW در سطح ولتاژ متوسط انتخاب می شوند. در توانهای بین 100kW-800kW برای انتخاب سطح ولتاژ نهایی بایستی مقدار بیشتری تامل نمود.

عوامل موثر در انتخاب ولتاژ الکتروموتور در صنعت
عوامل موثر در انتخاب ولتاژ الکتروموتور در صنعت

فاکتورهای گوناگون فنی و غیر فنی برای مقایسه بین الکتروموتورهای ولتاژ ضعیف و مدیوم ولتاژ می تواند مورد توجه قرار گیرد. برخی از مهمترین آنها در جدول زیر ملاحظه می گردد.

جدول مقایسه مزایا و معایب الکتروموتورهای ولتاژ ضعیف و مدیوم ولتاژ
جدول مقایسه مزایا و معایب الکتروموتورهای ولتاژ ضعیف و مدیوم ولتاژ

در شکل زیر بعنوان نمونه نمودار گشتاور سرعت موتور فشار ضعیف و فشار متوسط مقایسه شده است. از نمودار زیر می توان گفت که موتور فشار ضعیف دارای گشتاور راه اندازی بالاتر است در عوض در نقطه کار نامی دارای درصد لغزش سرعت بیشتری می باشد که منجر به کاهش راندمان در مقایسه با موتور فشار متوسط می گردد.

مقایسه نمودار گشتاور سرعت الکتروموتور فشار ضعیف و مدیوم ولتاژ
مقایسه نمودار گشتاور سرعت الکتروموتور فشار ضعیف و مدیوم ولتاژ

درایو مدیوم ولتاژ

اجزای اصلی سیستم کنترل الکتروموتور فشار متوسط
اجزای اصلی سیستم کنترل الکتروموتور فشار متوسط

درایو مدیوم ولتاژ دستگاهی برای کنترل دور الکتروموتور مدیوم ولتاژ است. توسط درایو فشار متوسط می توان راه اندازی الکتروموتور ولتاژ متوسط را به بهترین نحو ممکن انجام داد به نحوی که هیچگونه تنش مکانیکی و یا فشار الکتریکی به شبکه وارد نگردد. همچنین اینورتر مدیوم ولتاژ می تواند با توجه به مشخصات مورد نیاز کار (فیدبک) سرعت الکتروموتور را در مقدار دقیق کنترل کند.

یک نمونه از کنترل الکتروموتور با اینورتر فشار متوسط
یک نمونه از کنترل الکتروموتور با اینورتر فشار متوسط

بعنوان مثال در سیستم پمپاژ موتورهای MV می توان مقدار دبی پمپاژ را توسط درایو فشار متوسط به دقت کنترل نمود.

استفاده از درایو فشار متوسط در صنعت آب و فاضلاب
استفاده از درایو فشار متوسط در صنعت آب و فاضلاب

ساختار درایو ولتاژ متوسط

ساختار درایو فشار متوسط
ساختمان درایو فشار متوسط

ساختار و اجزای درایو ولتاژ متوسط در تمامی سازندگان کمابیش یکسان است. درایو ولتاژ متوسط از سه بخش اصلی ترانسفورماتور ورودی (کاهنده) ، ماژول های اینورتر 690 ولت و تابلو کنترل تشکیل شده است. در شکل زیر یک نمونه درایو فشار متوسط ملاحظه می گردد.

اجزای اصلی تشکیل دهنده درایوهای فشار متوسط
اجزای اصلی تشکیل دهنده درایوهای فشار متوسط

اجزای اینورتر فشار متوسط یا جانمایی آنها البته ممکن است از برندی به به برند دیگر یا بر حسب نیاز پروژه تغییراتی داشته باشد. منتها اصولا سه جزء فوق در تمامی سازندگان اینورترهای مدیوم ولتاژ ثابت است. در شکل زیر یک نمونه دیگر از اجزا و ساختمان اینورتر فشار متوسط دیده می شود. شرح این اجزا به صورت زیر است:

قسمت های مختلف اینورترهای ولتاژ متوسط
قسمت های مختلف اینورترهای ولتاژ متوسط

ارتباط اجزای داخلی درایوهای مدیوم ولتاژ

در شکل زیر چگونگی ارتباط اجزای مختلف درایو مدیوم ولتاژ ملاحظه می گردد. همانطور که مشاهده میشود سه فاز ورودی ابتدا به تابلو سوئیچ گیر وارد شده و خروجی این تابلو به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور درایو فشار متوسط وارد می گردد.

چگونگی ارتباط اجزای اصلی درایوهای ولتاژ متوسط
چگونگی ارتباط اجزای اصلی درایوهای ولتاژ متوسط

همانطور که مشاهده می گردد تراسفورماتور چندین سیم پیچ ثانویه دارد. خروجی سه فاز هر سیم پیچ ثانویه به یکی از ماژول های قدرت اینورتر داده می شود. و نهایتا خروجی ماژولهای قدرت اینورتر در هر فاز سری شده و ولتاژ حاصله به فاز مربوطه الکتروموتور مدیوم ولتاژ متصل می گردد.

واحد کنترل درایوهای مدیوم ولتاژ

قسمت کنترل درایوهای مدیوم ولتاژ، مدیریت عملکرد واحدهای مختلف اینورتر ولتاژ متوسط را بر عهده دارد و از سوی دیگر ارتباط با تجهیزات خارجی و سایر سیستم های کنترلی هم بر عهده واحد کنترل است. مهمترین قسمت واحد کنترل ، برد اصلی کنترلی اینورتر مدیوم ولتاژ است که از پردازنده های بسیار قوی تشکیل شده است.

یک نمونه تابلو قسمت کنترل درایو مدیوم ولتاژ
یک نمونه تابلو قسمت کنترل درایو مدیوم ولتاژ
برد کنترل اصلی درایو فشار متوسط
برد کنترل اصلی درایو فشار متوسط

ارتباط برد کنترل اصلی با سایر اجزا از طریق اتصال فیبر نوری است. لذا هم مصونیت از نویز و هم سرعت انتقال اطلاعات در این قسمت از درایو مدیوم ولتاژ بسیار عالی است.

اتصالات کنترلی داخلی اینورتر ولتاژ متوسط
اتصالات کنترلی داخلی اینورتر ولتاژ متوسط

در شکل زیر بعنوان نمونه اتصالات کنترلی و ترمینالهای دیجیتال و آنالوگ و رله ای یک داریو فشار متوسط نمایش داده شده است. همانطور که ملاحظه می گردد علاوه بر اینکه سیگنالها و سنسورهای مختلف آنالوگ و فرامین ورودی خروجی دیجیتال به درایو مدیوم ولتاژ متصل می گردد، پنل نمایشگر و سیستمهای مانیتورینگ و DCS هم از این طریق با اینورتر فشار متوسط به تبادل اطلاعات می پردازند.

ترمینالهای کنترلی یک نمونه درایو فشار متوسط
ترمینالهای کنترلی یک نمونه درایو فشار متوسط

در اینورترهای ولتاژ متوسط، با پنل نمایشگر (HMI) روی درب قسمت کنترل – همانند کیپد درایوهای فشار ضعیف – کنترل دستگاه و صدور فرامین مختلف و همچنین مانیتور پارامترهای مختلف الکتروموتور و سنسورهای آنالوگ متصل به درایو مدیوم ولتاژ، بصورت گرافیکی امکان پذیر است.

صفحه نمایش و کنترل یک نمونه درایو فشار متوسط
صفحه نمایش و کنترل یک نمونه درایو فشار متوسط

قسمت اینورتر درایوهای فشار متوسط

همانطور که در بالا اشاره شد قسمت اینورتر درایوهای ولتاژ متوسط از اتصال سری چندین سلول اینورتر LV 690v تشکیل می شود. علت این امر عمدتا سهولت و تجارب و پیشرفت های موجود در استفاده از ماژولهای اینورتر فشار ضعیف در مقایسه با قطعات نیمه هادی فشار متوسط است.

ساختار یک ماژول اینورتر ولتاژ متوسط
ساختار یک ماژول اینورتر ولتاژ متوسط

در شکل زیر یک ماژول درایوهای مدیوم ولتاژ ملاحظه می شود.

اجزای سلول قدرت اینورتر MV
اجزای سلول قدرت اینورتر MV

تعداد ماژولهای مورد استفاده به سطح ولتاژ مورد نیاز درایو مدیوم ولتاژ مربوط می شود. چرا که همانگونه که ذکر شد از سری شدن خروجی این ماژولها، ولتاژ مورد نیاز در خروجی درایو فشار متوسط ساخته می شود. بعنوان نمونه در شکل زیر دو سطح ولتاژ مختلف از درایو فشار متوسط دیده می شود. همانطور که ملاحظه می گردد در اینورتر فشار متوسط 6kV، در هر فاز 5 عدد سلول اینورتر و در اینورتر ولتاژ متوسط 10kV، در هر فاز 8 عدد سلول اینورتر استفاده می شود. عملا تعداد سلولهای هر فاز از رابطه Volt/(690×√3) قابل محاسبه است.

تعداد و اتصال سلولهای قدرت در دو نمونه درایو فشار متوسط
تعداد و اتصال سلولهای قدرت در دو نمونه درایو فشار متوسط

یکی از قابلیت های این ساختار ، سهولت تعمیرات درایو مدیوم ولتاژ است. چرا که به راحتی و سرعت، امکان تعویض سلول معیوب اینورترهای مدیوم ولتاژ فراهم است.

تعویض سلول قدرت درایو فشار متوسط
تعویض سلول قدرت درایو فشار متوسط

تهویه اینورتر فشار متوسط

تهویه اینورتر مدیوم ولتاژ توسط فن های تعبیه شده در بالای آن صورت میگیرد. (شکل زیر).

چگونگی تهویه درایو مدیوم ولتاژ
چگونگی تهویه درایو مدیوم ولتاژ

همچنین بایستی فیلترهای مجرای ورودی هوا را در فواصل زمانی منظم بررسی نموده و در صورت نیاز نسبت به تعویض آنها اقدام نمود.

تعویض فیلتر هوا در درایو مدیوم ولتاژ
تعویض فیلتر هوا در درایو مدیوم ولتاژ

یکی دیگر از مسائل مهم در ارتباط با تهویه درایوهای مدیوم ولتاژ این است که بایستی آن را در اتاق های کنترل تمیز نگهداری نموده و فضای آزاد لازم در اطراف دستگاه جهت تهویه مناسب باید فراهم باشد. (شکل زیر)

فاصله طرفین نصب در یک نمونه اینورتر MV
فاصله طرفین نصب در یک نمونه اینورتر MV

مشخصات فنی اینورترهای مدیوم ولتاژ

هارمونیک اینورتر مدیوم ولتاژ

بر خلاف اینورتر های فشار ضعیف که 6 پالس هستند و لذا هارمونیک جریان بالایی در ورودی دارد، درایوهای مدیوم ولتاژ به واسط ساختاری که دارند 18، 24، 30، 36 پالس هستند (بسته به سطح ولتاژ) و لذا هارمونیک بسیار پایینی در ورودی دارند که معمولا زیر 2% است. لذا اینورتر های ولتاژ متوسط اختلالی در شبکه ورودی ایجاد نمی کنند و از استانداردهای بالا (IEEE-519) تبعیت می کنند.

هارمونیک ورودی درایوهای مدیوم ولتاژ در صنایع سنگین بسیار مهم است
هارمونیک ورودی درایوهای مدیوم ولتاژ در صنایع سنگین بسیار مهم است

شکل زیر نمودار ولتاژ و جریان درایو مدیوم ولتاژ را نشان می دهد. ملاحظه می گردد که شکل ها کاملا سینوسی هستند. لذا نیازی به استفاده از فیلتر هارمونیک در ورودی درایو مدیوم ولتاژ وجود ندارد.

شکل موج خروجی اینورترهای مدیوم ولتاژ
شکل موج خروجی اینورترهای مدیوم ولتاژ

در خروجی درایوهای فشار متوسط با توجه به اینکه ولتاژ حاصله از ترکیب خروجی چندین سلول 690 ولت ساخته می شوند، خروجی حاصله دارای چندین پله است که عملا به شکل موج سینوسی بسیار نزدیک است.

شکل موج خروجی یک نمونه درایو MV
شکل موج خروجی یک نمونه درایو MV

لذا این شکل موج باعث میشود که نیازی به چوک خروجی و فیلتر سینوسی در اینورترهای ولتاژ متوسط وجود نداشته باشد. این موضوع علاوه بر اینکه باعث می شود موتور مدیوم ولتاژ با شرایط بسیار بهتر و نرم تری کار کند، در مواردی که طول کابل خروجی زیاد است هیچ گونه نگرانی وجود نخواهد داشت. در حالی که در درایوهای فشار ضعیف طول کابل یک معضل محسوب می شود.

طول کابل موتور تا درایو مدیوم ولتاژ محدودیت ندارد
طول کابل موتور تا درایو مدیوم ولتاژ محدودیت ندارد

قابلیت اطمینان بسیار بالای اینورترهای فشار متوسط

برخلاف درایو فشار ضعیف، درایو مدیوم ولتاژ وابسته به عملکرد یک ماژول اینورتر نیست. بعنوان مثال اینورتر مدیوم ولتاژ 6.6kV مجموعا از 18 عدد ماژول اینورتر LV تشکیل شده است(6 عدد در هر فاز). درصورتی که در برای یکی از این ماژولها مشکلی ایجاد شود، درایو مدیوم ولتاژ ماژول معیوب و ماژول متناظر در فازهای دیگر را بای پس کرده و با سایر ماژولها به کار خود ادامه خواهد داد. در این صورت تنها ولتاژ و فرکانس 1/6 کاهش خواهد یافت. در زمان مناسبی ماژول معیوب توسط اپراتور درایو مدیوم ولتاژ تعمیر یا جایگزین خواهد شد.

ادامه کار در صورت معیوب شدن یکی از سلول های درایو MV
ادامه کار در صورت معیوب شدن یکی از سلول های درایو MV

قابلیت بای پس در درایو مدیوم ولتاژ

یکی از موارد کاربرد درایو ولتاژ متوسط، استفاده از آن برای راه اندازی الکتروموتور فشار متوسط است. در اغلب موارد عملا نیازی به کنترل دور الکتروموتور ولتاژ متوسط وجود ندارد و مسئله اصلی تنها کاهش جریان راه اندازی و استارت نرم است.

در چنین مواردی درایو مدیوم ولتاژ به راحتی قادر به انجام این کار است. با صدور فرمان استارت الکتروموتور توسط اینورتر ولتاژ متوسط استارت شده و به آرامی به سرعت نامی می رسد. پس از آن درایو MV به صورت اتوماتیک و بدون هرگونه مشکلی آن را به شبکه بای پس می کند. این کار بصورت معکوس در هنگام نیاز به استپ موتور توسط اینورتر MV صورت می گیرد تا توقف بصورت کاملا کنترل شده صورت پذیرد.

امکان بای پس کردن درایو MV
امکان بای پس کردن درایو MV

در شکل زیر دیاگرام این عملکرد از اینورتر فشار متوسط مشاهده می گردد. همانطور که از شکل موج پیداست انتقال با نرمی و بدون هرگونه مشکلی توسط مدار درایو MV صورت می گیرد.

مدار بای پس درایو ولتاژ متوسط
مدار بای پس درایو ولتاژ متوسط

استارت چند موتور با یک اینورتر MV

گاهی برای راه اندازی چند موتور، استفاده از یک درایو MV کافیست
گاهی برای راه اندازی چند موتور، استفاده از یک درایو MV کافیست

یکی از موارد پر کابرد درایو MV استفاده از آن برای راه اندازی چند موتور مدیوم ولتاژ است. در این حالت از قابلیت بای پس اینورتر MV که در بخش قبل صحبت شد استفاده می شود. بدین صورت که درایو MV ابتدا الکتروموتور اول را استارت کرده و بعد از رسیدن به سرعت نامی، آن را به شبکه تحویل می دهد. سپس موتورهای بعدی توسط درایو MV استارت می گردد. در این کاربرد می توان سرعت موتور نهایی را توسط اینورتر MV کنترل کرد.

دیاگرام شماتیک راه اندازی چند موتور با یک اینورتر MV
دیاگرام شماتیک راه اندازی چند موتور با یک اینورتر MV

سنکرون سازی موتورها با درایوهای مدیوم ولتاژ

در نوار نقاله های معادن ممکن است درایوهای MV سنکرون شوند
در نوار نقاله های معادن ممکن است درایوهای MV سنکرون شوند

یکی دیگر از موارد پرکاربرد در صنایع بزرگ نیاز به سنکرون کردن الکتروموتورهاست. این امکان با استفاده از درایو مدیوم ولتاژ میسر است. بعنوان مثال در یک معدن که نوار نقاله با دو موتور در طرفین آن به حرکت در می آید، دو درایو مدیوم ولتاژ می تواند موتورها را بصورت کاملا هماهنگ کنترل کند تا حرکت نوار نقاله بدون مشکل صورت گیرد.

سنکرون سازی درایوهای مدیوم ولتاژ

کاربرد اینورتر مدیوم ولتاژ

اینورترهای مدیوم ولتاژ در طیف وسیعی از صنایع و کارخانجات متوسط تا سنگین استفاده می شوند. در تمامی صنایع مسائل مربوط به راه اندازی و کنترل سرعت همانند اینورتر فشار ضعیف مورد استفاده هستند. اغلب کاربردهای اینورتر MV در راه اندازی نرم فن ها و پمپ ها و کمپرسورها می باشد. در برخی موارد مانند نوار نقاله معادن و کنترل و سنکرون سازی موتورها در صنایع فولادی با استفاده از اینورترهای فشار متوسط به کنترل سرعت الکتروموتور نیاز است.

نمونه کاربرد درایو فشار متوسط
نمونه کاربرد درایو فشار متوسط

جمع بندی و سخن پایانی

اینورتر ولتاژ متوسط

بر خلاف اینورتر های فشار ضعیف که مطالب فراوان و متخصصان متعددی در صنعت و کشور وجود دارد، در سطح درایوهای مدیوم ولتاژ وضعیت این گونه نیست و نیاز به افزایش آگاهی و اطلاعات محسوس است. در این مقاله سعی کردیم برخی از مهمترین رئوس مطالب مرتبط با درایو MV آورده شود. البته قطعا سطح اطلاعات مورد نیاز درباره اینورترهای فشار متوسط بیش از این هاست. امیدواریم در فرصت مناسب بتوانیم به غنای این مقاله بیفزاییم. چنانچه مورد خاصی مد نظر بود در انتهای این صفحه کامنت کنید تا انشالله پاسخ داده شود و مورد استفاده همگی قرار گیرد.

نظر شما چیه؟ سوالی دارید؟

*

For security, use of Google's reCAPTCHA service is required which is subject to the Google Privacy Policy and Terms of Use.

I agree to these terms.