مدیریت سایت نورترها (VFDs) از دهه 1980 تاکنون برای کنترل سرعت موتورهای القایی جریان متناوب (الکتروموتور) سه فاز (AC) مورد استفاده هستند. به علاوه اینورتر امکان تنظیم شتاب و کاهش سرعت، محافظت در برابر اضافه بار و کنترل استارت در موتورها را فراهم می‌کند. این ویژگی‌ها و سایر مشخصات اینورترها آنها را به انتخاب خوبی برای فن‌ها، دمنده ها، پمپ‌های گریز از مرکز، میکسرها، همزن‌ها و تسمه نقاله ها (که به اسب بخار و گشتاور متغیر نیاز دارند) و کاربردهایی که در آنها با استفاده از کاهش سرعت مصرف انرژی کاهش می‌یابد تبدیل می‌کند.
اینورترها برق ورودی یک یا سه فاز AC را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کنند و سپس آن را به برق خروجی سه فاز AC برمی‌گردانند. اینورتر پیش از اینکه برق به خروجی تبدیل شود فرکانس و ولتاژ برق تبدیل شده را تغییر می‌دهد و امکان کنترل سرعت الکتروموتور را بر اساس نقطه تنظیم، که یا در اینورتر یا بیشتر توسط سیستم اتوماسیون به آن ارسال می‌شود فراهم می‌کند.
اینورتر اغلب بهترین انتخاب برای کاربردهای با سرعت ثابت که به توقف و شروع کنترل شده نیاز دارند نیست، چون تبدیل الکترونیکی AC به DC و دوباره AC منجر به حدود 4 درصد افت راندمان می‌شود. با این حال اگر سرعت موتور متغیر مورد نیاز باشد مزایای اینورتر برای غلبه بر افت کارایی معمولاً بیشتر از حداقلی است که ضرورت دارد. برای پی بردن به این مزایا 10 نکته برتر برای برآورد و استفاده از اینورترها که در این مقاله توصیف شده‌اند را در نظر بگیرید.
نکات انتخاب و استفاده از اینورتر
فهرست محتوا پنهان
1 مزایا و ویژگی‌ها را بشناسید و از آنها بهره‌برداری کنید
2 اینورتر را بر اساس اندازه بار انتخاب کنید
3 گزینه‌های ترمز را تعیین کنید
4 رابط اینورتر
5 گزینه‌های ارتباط دیجیتال را درک کنید
6 حالت کنترل مناسب را اعمال کنید
7 پروفایل‌های حرکتی را تعریف کنید
8 الزامات نصب را مشخص کنید
9 پارامترهای عملکرد را مشخص کنید
10 نویز و هارمونیک‌ها را کنترل کنید
مزایا و ویژگی‌ها را بشناسید و از آنها بهره‌برداری کنید
از مزایای استفاده از اینورترها می‌توان به صرفه جویی در انرژی، قابلیت تنظیم سرعت و گشتاور موتور، کاهش جریان هجومی موتور هنگام استارت و توقف و همچنین برگشت کنترل شده اشاره کرد. احتمالاً بزرگترین مزیت آن کاهش مصرف انرژی هنگام کار دستگاه‌هایی مانند دمنده، فن و پمپ‌های سانتریفیوژ با سرعت کمتر است.
به عنوان مثال کاهش سرعت یک دمنده به 50 درصد جریان هوا را نیز 50 درصد کاهش می‌دهد، اما نیاز به برق را 5/87 درصد کم می‌کند. توان لازم برای فن، دمنده و پمپ گریز از مرکز متناسب با مکعب دور موتور است که در سرعت‌های پایین انرژی قابل توجهی را ذخیره می‌کند (تصویر 1 را ببینید).
توانایی اینورتر در تغییر سرعت موتور امکان بهینه‌سازی کار مورد نیاز دستگاه یا فرآیند را فراهم می‌کند زیرا فقط سرعت ضروری تامین می‌شود. در مقابل کار کردن الکتروموتور با سرعت کامل و محدود کردن خروجی آن که ناکارآمد است، باعث کاهش عمر موتور و افزایش میزان تعمیر و نگهداری الکتروموتور و تجهیزات محدود کننده می‌شود.
همچنین برای محافظت از ماشین آلات یا محصول از آسیب احتمالی می‌توان گشتاور را محدود کرد. این تنظیمات را می‌توان به طور خودکار با استفاده از کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یا نوع دیگری کنترل کننده یا به صورت دستی با استفاده از صفحه کلید یا پتانسیومتر در راه‌انداز انجام داد.
اینورتر می‌تواند جریان‌های استارت موتور را که ممکن است بیش از هشت برابر جریان تمام-بار موتور باشد کاهش دهد. در الکتروموتورهای بزرگتر این استارت تمام-بار دیماند قابل توجهی را در سیستم توزیع برق ایجاد می‌کند. این دیماندهای بالا ممکن است منجر به فرورفت یا کمبود ولتاژ در هنگام شروع به کار موتور در ولتاژ کامل شود. یک استارت با شتاب کنترل شده که با اینورتر فراهم شود این مشکل را برطرف می‌کند.
با استفاده از اینورتر شتاب کنترل شده جریان شروع کاهش یافته و عمر موتور افزایش می‌یابد. این امر خصوصاً در کاربردهایی که نیاز به شروع و توقف مکرر دارند، بیشتر صدق می‌کند. به علاوه اینورتر نیاز به یک استارتر معکوس را برطرف می‌کند. شتاب و کاهش سرعت کنترل شده ارائه شده توسط اینورتر باعث کاهش فرسودگی و شکستگی تجهیزات و تخریب و خسارات مربوطه می‌شود.
انتخاب صحیح اینورتر
اینورتر را بر اساس اندازه بار انتخاب کنید
اندازه اینورتر اغلب به مواردی غیر از تطبیق درجه اسب بخار با موتور نیاز دارد. مشخصات کاربری باری که اینورترکنترل می‌کند باید در نظر گرفته شود. بارهای ثابت یا متغیر، شروع و توقف مکرر یا کار مداوم نیز باید در هنگام انتخاب تجهیزات در نظر گرفته شود.
گشتاور و بالاترین جریان پیک در هر زمان از کار باید تعیین شود. این کار با تأیید جریان‌های نامی بار کامل موتور (FLA) شروع می‌شود. با این حال الکتروموتورهایی که دوباره سیم‌پیچی شده‌اند ممکن است FLA بالاتری از آنچه در پلاک نام ذکر شده است داشته باشند.
اندازه اینورتر باید به جای صرفاً اسب بخار بر اساس حداکثر گشتاور دیماند باشد. در شرایط خاص موتور ممکن است قدرت و/یا گشتاور بیشتری را طلب کند و هنگامی که بارهای دینامیکی یا بارگذاری ضربه‌ای موقتاً شرایط اضافه‌بار ایجاد می‌کند، ممکن است لازم باشد سایز بزرگتری در نظر گرفته شود. در این شرایط و سایر وضعیت‌های پر تقاضا، اینورتر باید جریان کافی برای اطمینان از عملکرد قابل قبول موتور فراهم کند.
به عنوان مثال برای تأمین گشتاور راه‌اندازی اضافی برای شروع به کار نوار نقاله کاملاً پرشده، انرژی بیشتری از اینورتر گرفته می‌شود. در حالی که بسیاری از اینورترها قادرند برای مدت زمان 60 ثانیه با 150 درصد اضافه بار کار کنند، اما ممکن است اضافه بار بیشتری برای مدت زمان کوتاهی زیاد دیده شود. بر حسب اینکه مدت زمان اضافه بار کوتاه یا طولانی است، ممکن است یک اینورتر بزرگ برای تأمین تلرانس لازم برای آن کاربرد مورد نیاز باشد. حتی تاسیسات واقع در در ارتفاعات بالا هم ممکن است نیاز به اضافه سایز داشته باشند زیرا هوای خنک کاری کمتری برای اینورتر در دسترس است.
گزینه‌های ترمز را تعیین کنید
اینورتر همچنین ممکن است هنگام کاهش سرعت بار، به اندکی کمک نیاز داشته باشد. گرچه می‌تواند بارهای دارای اینرسی متوسط را متوقف کند، اما بارهای دارای اینرسی بالا ممکن است باعث ایجاد ولتاژ اضافی در راه‌انداز شود. برای کاهش سریع سرعت بارهای سنگین، باید مقاومت ترمز دینامیکی خارجی در نظر گرفته شود.
مقاومت ترمز به اینورتر اجازه می‌دهد تا با کاستن ولتاژ تولید شده توسط یک موتور کاهش سرعت، گشتاور ترمز بیشتری تولید کند. اینورترهای معمولی بدون مقاومت ترمز تقریباً 20 درصد گشتاور ترمز را فراهم می‌کنند. مقاومت ترمز خارجی می‌تواند به طور قابل توجهی گشتاور ترمز اینورتر را برای کاهش سرعت بارهای سنگین افزایش داده و حرارت راه‌انداز را که ناشی از شروع و توقف مکرر است کاهش دهد.
رابط اینورتر
اینورترها توسط ورودی/خروجی (I/O) سیمی، گسسته و آنالوگ یا توسط ارتباطات دیجیتال کنترل می‌شوند. ورودی‌های گسسته به اینورتر که معمولاً از یک PLC خارج می‌شوند برای راه اندازی و توقف راه‌انداز به کار می‌روند، هر چند استفاده از کلیدهای فشاری دستی و سوئیچ‌های انتخابگر نیز امکان پذیر است.
سایر ورودی‌های قابل تنظیم راه‌انداز عبارتند از: jog، بازنشانی از ایراد، انتخاب شتاب/کاهش سرعت، انتخاب سرعت (گام) اولیه، کنترل کننده تناسبی-انتگرال-مشتق (PID) و سایر موارد. خروجی‌های گسسته اینورتر شامل خطای موجود، فرکانس بدست آمده، سرعت غیر صفر و نشانگر محلی/از راه دور است. برخی از راه‌اندازهای سطح بالاتر دارای خروجی فرکانس به عنوان مرجع سرعت نیز هستند. ورودی آنالوگ یک راه‌انداز معمولاً فرمانی برای سرعت را از یک PLC یا پتانسیومتر از راه دور می‌پذیرد. این سیگنال‌های آنالوگ معمولاً 0 تا 10 ولت DC، 4 تا 20 میلی‌آمپر یا مشابه آن هستند.
خروجی آنالوگ راه‌انداز، در صورت وجود، دارای همان سطح سیگنال است. خروجی آنالوگ می‌تواند سیگنال مرجع سرعت متناسب با سرعت موتور را فراهم کند. از این سیگنال سرعت می‌توان برای ارسال فرمان به اینورترهای سرعت پایین دست در یک چینش ارباب/پیرو (master-follower) استفاده کرد. این پیکربندی می‌تواند سرعت چندین موتور اینورتر را همزمان کند. از طرف دیگر خروجی آنالوگ می‌تواند سیگنال‌های آنالوگ سرعت، جریان و گشتاور را به PLC ارائه دهد.
پروتکل‌های ارتباطی دیجیتال در مقابل سیم‌ها و کابلهای زیادی که برای I/O دائمی لازم است اجازه می‌دهد تا دستورات و اطلاعات بین PLC و اینورتر از طریق یک کابل برقرار شود. پروتکل‌ها از رابط‌های سریال ساده مانند ModbusRS232/RS485 گرفته تا گزینه‌های ارتباطی پیشرفته‌تر اترنت و فیلدباس مانند EtherNet/IP متغیر هستند.
این رابط‌های ارتباطی امکان کنترل اینورتر توسط یک دستگاه اصلی مانند PLC یا کنترل کننده پیشرفته دیگری را فراهم می‌کند. این رابط می‌تواند نیاز به ورودی و خروجی گسسته و آنالوگ دائمی را از بین ببرد و امکان کنترل سرعت، جریان، خرابی و پارامترهای دیگر راه‌انداز را فراهم می‌کند. اتصال سریال RS-232 به یک راه‌انداز برای کاربردهای تک راه‌انداز که در نزدیکی PLC قرار داشته باشند به خوبی کار می‌کند. در صورت نیاز به چندین راه‌انداز، یک شبکه RS-485 می‌تواند چندین راه‌انداز را با یک پیکربندی چند قطره‌ای زنجیر دیزی (daisy-chain, multidrop) اداره کند و فاصله ارتباطی را تا 4000 فوت افزایش دهد.
یک رابط اترنت از نظر سرعت، پهنای باند و گزینه‌های پیکربندی شبکه عملکرد بالاتری را ارائه می‌دهد. با استفاده از پروتکل های اترنت صنعتی مانند Modbus TCP/IP یا EtherNet/IP، ساده سازی سیم کشی اینورتر و ارائه روشی آسان برای پیکربندی از راه دور راه‌اندازها، می‌توان چندین راه‌انداز را با یک PLC کنترل کرد.
حالت کنترل مناسب را اعمال کنید
نوع حالت کنترل اینورتر را اغلب نوع کاربرد آن تعیین می‌کند: ولت در هر هرتز (V/Hz)، بردار بدون حسگر یا حلقه بسته. V/Hz نسبت بین ولتاژ و فرکانس را برای تغییر شار موتور کنترل می‌کند که گشتاور کارکرد موتور را تأمین می‌کند. راه‌اندازهای V/Hz برای اکثر کاربردها مانند فن‌ها و پمپ‌ها به خوبی کار می‌کنند.
اینورترهای بدون حسگر-بردار به دلیل کنترل دقیق سرعت در دامنه سرعت گسترده و بدون نیاز به بازخورد رمزگذار یا انکودر شناخته شده و معروف هستند، چون در حلقه باز به خوبی کار می‌کنند. یک اینورتر حلقه بسته از بازخورد رمزگذار (encoder) برای کنترل دقیق سرعت با نظارت بر سرعت واقعی موتور و اطلاعات لغزش آن استفاده می‌کند. اینورترهای بدون حسگر-بردار (Sensorless-vector) و حلقه بسته (closed-loop) تنظیم سرعت بسیار خوبی را ایجاد می‌کنند که کنترل دقیق سرعت برای صنایع و کارخانه‌های کاغذسازی، بافندگی، ماشین‌های چاپ و سایر کاربردهای تبدیلی را فراهم می‌کنند.
کاربرد اینورتر در صنایع
پروفایل‌های حرکتی را تعریف کنید
نحوه پیکربندی نمایه حرکتی اینورتر بستگی زیادی به کاربرد دارد. پارامترهای مشخصات حرکت شامل سرعت موتور، شتاب، کاهش سرعت، خطی بودن رمپ، کنترل گشتاور، ترمز و PID است. بیشتر اینورترهای موجود در بازار این پارامترها را دارند، اگرچه PID ممکن است فقط در راه‌اندازهای پیشرفته‌تر موجود باشد.
با استفاده از صفحه کلید و نمایشگر اپراتور یا از طریق ارتباطات دیجیتال می‌توان به این پارامترها دسترسی و برنامه‌ریزی کرد. بررسی دقیق کتاب راهنما به کاربران در درک این پارامترها و اطمینان از نصب، تنظیم و کنترل مناسب کمک می‌کند.
الزامات نصب را مشخص کنید
پیروی از الزامات نصب از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا اینورتر در هنگام کار گرمای قابل توجهی تولید می‌کند. شروع و توقف مکرر می‌تواند باعث شود راه‌انداز محفظه‌اش را گرم کند و برای حفظ دما در محدوده مجاز مشخصات راه‌انداز به تهویه احتیاج پیدا شود. این راهنما اطلاعاتی را برای کمک به محاسبه میزان گرمایی مورد انتظار اینورتر در شرایط مختلف کار فراهم می‌کند. اگر یک الکتروموتور استاندارد در مدت زمان طولانی با سرعت کم کار کند ممکن است بیش از حد گرم شود. در صورت نیاز به کار با سرعت کم، باید از یک موتور دارای کارایی عملکرد با اینورتر استفاده شود.
پارامترهای عملکرد را مشخص کنید
اینورتر از نقطه نظر کنترل نباید به طور معمول با باز کردن یک کنتاکتور در منبع تغذیه ولتاژ متوقف شود، زیرا این باعث کاهش عمر عملیاتی آن می‌شود. این کار فقط باید برای اهداف توقف اضطراری انجام شود. ورودی و خروجی راه‌انداز یا ارتباطات باید شروع و توقف را در همه موارد دیگر کنترل کند. این روش‌ها و بسیاری از روش‌های نصب و راه اندازی دیگر در دفترچه راهنمای اینورتر ذکر شده است و باید با دقت دنبال شوند و در صورت بروز هرگونه سوال با عرضه کننده اینورتر تماس بگیرید.
نویز و هارمونیک‌ها را کنترل کنید
اینورترها نویز و هارمونیک الکتریکی ایجاد می‌کنند که ممکن است باعث صدمه به موتورها، تجهیزات، ترانسفورماتورها و سیم کشی برق شود. خوشبختانه، فیلترها و راکتورهای خط یا بار می‌توانند بسیاری از مشکلات را به حداقل برسانند. اکثر دستورالعمل‌های نصب اینورتر استفاده از فیلترهای هارمونیک غیر فعال، مانند راکتورهای خط AC و چوک‌ها را توصیه می‌کنند. این دستگاه‌ها هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهند و از اینورترها در برابر اضافه ولتاژ گذرا در سمت خط راه‌انداز محافظت می‌کنند.
در سمت خط، فیلترهای هارمونیک فعال شکل موج جریان هارمونیک را برعکس کرده و مجدداً به خط تغذیه می‌کنند تا نویز تولید شده توسط اینورتر را خنثی کند. در سمت بار، یک راکتور بار از عایق کابل موتور در برابر اتصال کوتاه و آسیب موج بازتابنده محافظت می‌کند. گنجاندن این راکتورها در کلیه کاربردها با موتورهای القایی استاندارد و در هر کاربردی که فاصله اینورتر تا موتور بیش از 75 فوت (حدود ۲۳ متر) باشد، روش‌های خوبی برای طراحی است.