درایو یا اینورتر چیست و چه‌کار می‌کند| کاربرد، طرز کار، ساختمان

اینورتر چیست؟ راستشو بخواید مدتها بود دنبال یه فرصت بودم تا در مورد این سوال یه مطلب خوب بنویسم که بالاخره توی تعطیلات فرصتی پیش اومد. امیدوارم از نتیجه کار راضی باشید و مطلب به دردتون بخوره. اینورتر یا درایو در کنار سافت استارتر دستگاه ای هستش که توی صنعت بصورت متداول برای کنترل دور موتور سه فاز مورد استفاده قرار گرفته و میگیره. این نوشته برای عزیزانی هستش که آشنایی کافی با این تکنولوژی ندارند و می پرسند اصلا کار اینورتر چیست و در صنعت چه کار میکنه یا چگونه کار می کند؟ سوالاتی رایج درباره خود اینورتر یا کاربرد اینورتر که بنده سالهاست آشنا هستم.

سیستم کنترل دور موتور AC – یه مقدمه کوتاه

در کارخانجات و مراکز صنعتی، استفاده از موتور AC سه فاز جایگاه ویژه‌ای داره. در همین راستا کیفیت راه‌اندازی و کنترل دور موتورهای AC به 2 دلیل مورد توجه است:

1. بهینه‌سازی مصرف انرژی
2. کاهش استهلاک مکانیکی سیستم و موتور AC

لذا با توجه به اهمیت این موضوع، برای راه اندازی موتورهای AC از تجهیزاتی مثل درایو اینورتر (Inverter Drive) و راه انداز نرم (سافت استارتر یا Soft Starter) استفاده میشه.

چون میخوام بحث طولانی نشه فقط یه یادآوری کوچیک بکنم که سرعت دینام یا الکتروموتور سه فاز از رابطه زیر حساب میشه:

پس برای تغییر سرعت یا باید تعداد قطب ها رو عوض کنید، که میشه موتور دو-دور یا باید فرکانس رو تغییر بدید که میشه اینورتر.

راه سومی هم وجود نداره. (البته داریم درباره موتور سه فاز صحبت میکنیم. موتورهای دیگه داستان خودشون رو دارند)

درایو AC یا دستگاه اینورتر برق صنعتی چیست؟

دستگاه اینورتر برق صنعتی یا درایو کنترل دور موتور دستگاهیه که برای کنترل سرعت موتور AC سه فاز کاربرد داره. همانطور که میدونیم روشهای سنتی کنترل سرعت موتور سه فاز AC مانند روش دالاندر یا اتوترانسفورماتور و … محدودیت هایی دارند. برخلاف این روش های قدیمی، درایو اینورتر میتونه سرعت چرخش موتور سه فاز رو بالاتر یا پایین تر از سرعت نامی موتور سه فاز، کنترل کنه و باعث بشه دستگاه ما با سرعت دلخواه حرکت کنه.

پس اگه جایی توی کارگاه یا کارخونه یه الکتروموتور یا دینام سه فاز داشتید و خواستید سرعت اش رو کنترل کنید، احتمالا تنها راه اتون استفاده از اینورتور یا درایو هستش.

پس اینورتر یعنی چه؟ اینورتر یعنی تغییر دهنده سرعت چرخش موتور سه فاز.

کاربرد اینورتر در صنعت

یکی از سوالات اینه که کار اینورتر چیست یا اینورتر در صنعت چه کاربردی دارد؟

• آیا شما یه پمپ آب سه فاز دارید و میخواید آبدهی پمپ رو متناسب با نیاز تنظیم کنید؟
• آیا شما یه فن دمنده دارید که شدت باد اون بیش از حد هستش و باید کم بشه؟
• آیا شما توی کارگاه یه تسمه نوار نقاله دارید و میخواید سرعت حرکت اون رو با توجه نیاز اتون تنظیم و کم و زیاد کنید؟

کار اینورتر در صنعت تنظیم و کنترل دور ادوات صنعتی با توجه به نیاز ماست. مثلا وظیفه اینورتر صنعتی این هستش که با کنترل دور هواکش یا فن، شدت جریان هوا را کم یا زیاد میکنه (شکل زیر) یا مثلا در نوار نقاله عملکرد اینورتر این هستش که با تنظیم سرعت کانوایر متناسب با نیاز، بهترین بهره‌برداری را از خط تولید فراهم کنه.

برای کاربرد اینورتر علاوه بر موارد فوق باز هم میشه مثال زد:

• آیا توی ساختمون آسانسوری دارید که حرکت کابین توی شروع و توقف نرم نیستش؟
• آیا جرثقیل کارگاه هنگام استارت جریان راه اندازی زیادی میکشه که برق شما جواب نمیده؟
• آیا گیربکس شما خرابی اش در طول زمان خیلی زیاد هستش و هزینه سرویس اش بالاست؟

موارد فوق هم فقط و فقط با کاربرد اینورتر هستش که حل میشه. در این موارد عملکرد اینورتر این هستش که سرعت الکتروموتور سه فاز رو بصورت آرام آرام زیاد میکنه و بصورت آرام آرام کم میکنه که مشکلات بالا حل بشه.

امیدوارم مثال های فوق برای کاربرد اینورتر، تونسته باشه روشن کنه اینورتر یعنی چه.

موارد بسیار زیادی برای کاربرد اینورتر در صنعت میشه مثال زد. نمونه‌های دیگری از کاربرد اینورتر در صنعت:

• اینورتر برای کنترل دور انواع پمپ‌های افقی، پمپ سانتریفیوژ، پمپ کفکش و …
• اینورتر برای کنترل دور هواکش، فن و دمنده های صنعتی و جت فن
• اینورتر برای آسانسور و پله برقی
• پانچ های صنعتی
• بالمیل
• نوارنقاله یا کانوایر
• دستگاه سنگبری
• جمع‌کن و بازکن
• اینورتر برای بالابر کارگاهی و صنعتی
• جرثقیل سقفی، جرثقیل دروازه ای و تاور کرین
• ماشین آلات نساجی و دستگاههای ریسندگی
• سنگ‌شکن
• دستگاههای تزریق پلاستیک و اکسترودر
• دستگاههای خشک‌کن قالیشویی
• دستگاه رنگرزی
• وینچ
• دستگاه همزن و میکسر
• پرکن مواد
• خطوط نورد سرد و گرم
• پرس های صنعتی
• اینورتر برای کرکره برقی
• اینورتر نانوایی

درباره هر کدوم از این موارد کاربرد اینورتر واقعا کلی مطلب وجود داره. انشالله در یک مقاله جداگانه درباه هر کاربرد صحبت میکنم.

دستگاه های که در بالا برای کاربرد اینورتر اشاره شد در صنایع مختلف وجود دارند: از صنایع غذایی گرفته تا صنعت نفت و گاز و حتی صنایع دریایی. بنابراین احتمالا هر صنعتی رو که شما تصور کنید میتونید در اون جایگاهی برای کار و کاربرد اینورتر پیدا کنید.

تفاوت اینورتر و درایو

تفاوت درایو و اینورتر یا نام دوم اینورتر هم سوال برخی از همکاران هستش.

هرچند که اسامی و الفاظ تعیین کننده نیستند ولی برای اینکه به این مطلب هم در اینجا اشاره کرده باشم، باید عرض کنم که توی ایران بیشتر به این دستگاه میگن اینورتر. همچنین برخی بعنوان نام دوم اینورتر از واژه کنترل دور موتور استفاده میکنند. برخی هم با اسم درایو میشناسند. پس اصولا تفاوت اینورتر و درایو در حد الفاظ هستش و هر دو به یه دستگاه اشاره میکنند. شاید درست ترین واژه درایو AC باشه. البته الفاظ دیگری هم بعنوان نام دوم اینورتر استفاده میشه. مانند:

• اینورتر برق صنعتی
• اینورتور یا اینورتور موتور
• درایور یا درایور موتور
• اینورتر فرکانسی
• دستگاه اینورتر برق
• کنترل دور موتور
• درایور موتور سه فاز
• کانورتر
• و …

پس بحث درست و غلط خیلی نیست. این تکنولوژی با اسامی اختصاری بصورت زیر هم زیاد نام برده میشه:

• VFD: Variable Frequency Drive(درایو فرکانس متغیر)
• VSD: Variable Speed Drive(درایو دور متغیر)
• AFD: Adjustable Frequency Drive(درایو تنظیم فرکانس)
• ASD: Adjustable Speed Drive (درایو تنظیم دور)
• FC: Frequency Converter(مبدل فرکانس)

شاید کلمه VFD یا AC Drive رایج تر باشه. این چیزایی بود که الان حضور ذهن دارم. الفاظ بالا تماماً منظور همون دستگاه اینورتر برق صنعتی خودمون هست. پس ما همون کلمه اینورتر رو استفاده میکنیم.

پس اگه درباره تفاوت درایو و اینورتر سوال شد باید بدونیم که فقط بحث الفاظ هستش و اینا یه دستگاه هستن. یکی میگه اینورتر، یکی میگه درایو یکی میگه کانورتر، درایور و … .

درباره فرق اینورتر و درایو در قسمت ساختمان اینورتر در قسمت بعدی توضیح میدم خدمتتون که واژه اینورتر برای اشاره به این دستگاه دقیق نیست. چون اینورتر یکی از قسمتهای داخلی دستگاه کنترل دور موتور AC هستش.

ساختمان داخلی اینورتر درایو

یه کوچولو هم درباره ساختمان و مدار داخلی اینورتر صحبت کنیم.

از نظر فنی، دستگاه اینورتر یا درایو AC دستگاهی هستش که برق سه فاز AC با ولتاژ و فرکانس ثابت رو به برق AC سه فاز با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل میکنه تا با اعمال اون به الکتروموتور، سرعت دلخواه داشته باشیم.

همانطور که در شکل زیر دیده میشه مدار و ساختمان اینورتر از چهار قسمت اصلی تشکیل شده: یکسوساز(Rectifier)، لینک دی سی (DC-Bus Filter)، اینورتر(Inverter) و نهایتا برد کنترل (CPU, Controller)

1- قسمت ورودی دستگاه: یکسوساز (Rectifier)

در مدار داخلی اینورتر، بخش ورودی یکسوساز یا رکتیفایر نام دارد. برق سه فاز AC به ترمینال های ورودی داده میشه و توسط شش عدد دیود به برق DC تبدیل می شود. ولتاژ یکسوشده DC حدود 1.35 برابر ولتاژ ورودی AC است. یعنی چنانچه ولتاژ ورودی سه فاز 400 ولت باشد، ولتاژ دی سی حدود 540 ولت خواهد بود. همچنین در توان های بالاتر از حدود 22 کیلووات، سه تا از شش دیود یکسوساز با تریستور جایگزین میشن.

2- قسمت میانی: لینک دی سی (DC-Link)

در ساختمان داخلی اینورتر درایو، قسمت میانی دستگاه تشکیل شده است از تعدادی خازن با ظرفیت مناسب که برای صاف کردن شکل موج یکسو شده کاربرد دارد. این خازن ها باعث میشود برق یکسو شده نهایی کاملا DC و صاف باشد. البته در برخی از دستگاه های درایور موتور ممکنه علاوه بر خازن از سلف هم استفاده شود.

3- قسمت خروجی دستگاه: اینورتر (Inverter)

در مدار داخلی درایو کنترل دور موتور، قسمت خروجی دستگاه، اینورتر نام دارد. اینورتر یک مبدل DC به AC است که ولتاژ DC میانی را به یک ولتاژ AC با ولتاژ و فرکانس دلخواه تبدیل می کنه. این قسمت از شش عدد ترانزیستور با نام آی‌جی‌بی‌تی (IGBT) تشکیل شده است.

4- قسمت کنترلِ IGBT ها (واحد کنترل یا CPU)

در ساختار اینورتر وظیفۀ اصلی بُرد کنترل تولید پالس هایی برای خاموش و روشن کردن سوئیچ های الکترونیکی است، به صورتی که برق DC خروجی یکسوساز را به AC تبدیل می کند. چگونگی و پهنای پالسِ کلیدزنی، به تنظیمات پارامترهای اینورتر بستگی داره که پس از تنظیم، از طرف بُرد کنترل به سوئیچ های الکترونیکی اعمال می شود.

در شکل زیر یک نمونه ساختمان داخلی اینورتر رو بصورت واقعی ملاحظه کنید

اصول و طرز کار اینورتر چیست و چگونه کار می کند؟

در بالا متوجه شدیم که اینورتور سرعت ثابت موتور سه فاز رو مطابق نیاز ما تنظیم می کند. وظیفه اینورتر ( که معمولا داخل یه تابلو برق قرار می گیره) تولید فرکانس و ولتاژ متغیر و مورد نیاز موتور است؛ از شبکه برق با فرکانس ثابت ۵۰ هرتز.

اما سوال اصلی اینه که طرز کار اینورتر چیست و درایو چگونه کار می کند و این تبدیل را انجام می‌دهد؟

اصول و روش کار اینورتر و درایو بر مبنای تبدیل ولتاژ DC به ولتاژ AC استوار هستش. عرض میکنم به چه صورت.

گفتیم ولتاژ ورودی AC اینورتر تبدیل میشه به یک ولتاژ DC در قسمت میانی. که این ولتاژ DC صاف شده، به قسمت خروجی دستگاه – که تشکیل شده از چند تا IGBT – داده میشه. ترانزیستور ای جی بی تی هم که معادل یه سوئیچ هستش. اجازه بدید برای بیان طرز و نحوه کار اینورتر، شکل مدار داخلی اینورتر (قسمت خروجی) رو بصورت ساده تری ترسیم کنیم (شکل زیر) برای سادگی بیان یکی از فازها حذف شده.

بجای کلاف موتور یه لامپ قرار داده شده. خب! دقت کنید به شکل بالا. فقط کافیه CPU یا برد کنترل به سوئیچ ها دستور قطع و وصل بده. به این صورت که اگر سوئیچ های S1 و S4 بسته شوند ولتاژ DC به دوسر لامپ میرسه. بشکل زیر:

حالا اگه سوئیچ های S2 و S3 بسته شوند ولتاژ DC به دوسر لامپ به شکل زیر میرسه

حالا اگه برد کنترل به تناوب کلیدهای S1 و S4 و همچنین کلیدهای S2 و S3 را باز و بسته کنه، شکل ولتاژ مربعی متناوب به شکل بالا ایجاد میشه. که یه شکل موج AC هستش.

شکل موج خروجی اینورتر کنترل دور موتور، پالسی هستش. که با اعمال اون به موتور AC، عملکردِ همان شکل سینوسی را خواهد داشت.

خب حالا سوالی که هستش اینه که اینورتر چطور ولتاژ رو کم و زیاد میکنه؟ یعنی مثلا ولتاژ 240v یا 120v رو چطور ایجاد میکنه؟ پاسخ ساده است: هرچی مدت زمان وصل بودن کلیدها بیشتر باشه، ولتاژ موثر حاصل بیشتر میشه.

در شکل زیر منحنی قرمز رنگ ولتاژ موثر معادل است. ارتباط بین پهنای پالس ها و منحنی قرمز رنگ چیه؟

دستگاه اینورتور ولتاژ ورودی را افزایش نمیده یعنی در خروجی اینورتر حداکثر ولتاژ، برابر ولتاژ ورودی است. پس در خروجی دستگاه درایور موتور با ورودی سه فاز، حداکثر ولتاژ، 400v/3ph هستش.

سوال دیگه ای که پیش میاد اینه که چطور فرکانس خروجی کم و زیاد میشه؟ یعنی مثلا فرکانس های 30Hz, 50Hz, 60Hz چطور ایجاد میشه؟ پاسخ ساده است: با تنظیم زمان بندی مثبت منفی شدن (پلاریته) شکل موج .

در شکل زیر منحنی قرمز رنگ فرکانس معادل است. ارتباط بین پالس ها و منحنی قرمز رنگ چیه؟

عموما فرکانس خروجی دستگاه درایور موتور از 0i– 400Hz یا حتی بالاتر قابل تغییر است

تنها تفاوتی که طرز کار اینورتر در عمل با مطالب بالا داره اینه که در یک سیکل بجای یک پالس، از چند پالس با عرض های مختلف، شکل موج ولتاژ خروجی اینورتر ساخته میشه تا به حالت سینوسی شبیه تر باشه.

در شکل زیر به لحظات و مدت زمان قطع و وصل شدن سوئیچ‌ها (در منحنی پایینی) توجه کنید:

برای جمع‌بندی این بخش، اصول عملکرد و طرز کار اینورتر در 4 مرحله در زیر آمده. نحوه کار را ملاحظه فرمایید

• 1-یک‌سوسازی توان ورودی
• 2-صاف کردن شکل موج DC
• 3-تبدیل موج DC به AC متغیر
• 4-تکرار مراحل قبلی

اندازه‌گیری ولتاژ خروجی اینورتر با ولت‌مترهای معمولی خطا خواهد داشت چون اونا برای شکل سینوسی ساخته شده‌اند نه پالسی!

و نکتۀ نهایی درباره طرز و اصول کار اینورتر این هستش که در اینورترها فرکانس و ولتاژ همزمان کنترل میشه. لذا هرچه فرکانس کم بشه، ولتاژ هم کم میشه. در شکل زیر میبینید که هرچی فرکانس کمتر شده، پهنای پالس ها هم کمتر شده. (به اعداد و ارقام روی شکل توجه کنید!)

به تعداد پالس‌های یک سیکل میگن فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس کریر و کاربر معمولا میتونه اون رو 1i– 16kHz تنظیم کنه. (توصیه میشه که پارامتر فرکانس سوئیچینگ یا فرکانس کریر رو تنظیم نکنید. یعنی اجازه بدید روی تنظیم کارخانه باشه یا برای تغییرش با یه فرد متخصص صحبت کنید).

و نهایتا اینکه اگه ولتاژهای پالسی فوق به موتور AC اعمال بشه، شکل جریان موتور، تقریباً سینوسی خواهد بود. در شکل زیر سه تا شکل جریان موتور با فرکانس کریر یا سوئیچینگ مختلف نشون داده شده.

و جمع بندی

در این مطلب بیشتر به سوالات رایج تر پرداختم. در حالی که موارد دیگر مثل جنبه کاهش مصرف انرژی درایور موتور سه فاز میتونه بیشتر مورد توجه قرار بگیره. مزایای اینورتر بسیار بیش از این موارد هستش و در هر کاربرد اینورتر میشه جداگانه درباره اش صحبت کرد. انشاالله در مقاله جداگانه ای بصورت موشکافانه تر بحث اینورتور و کنترل دور موتور را بررسی خواهم کرد. در نهایت امیدوارم این مطلب مورد توجه اتون قرار گرفته باشه.

مرجع:

new.abb.com/drives

شما به این مقاله چه امتیازی می‌دهید؟ 😊