أساسيات محركات التردد المتغير

March 13, 2015

عندما قدم تسلا لأول مرة المحرك الحثي للتيار المتردد ثلاثي الأطوار (AC) في عام 1888 , ، كان يعلم أن اختراعه كان أكثر كفاءة وموثوقية من محرك إديسون 's ذو التيار المباشر (DC) . ومع ذلك , محرك التيار المتردد يتطلب التحكم في السرعة إما تغيير التدفق المغناطيسي أو تغيير عدد الأقطاب على المحرك . حتى بعد عقود من استخدام المحرك التحريضي على نطاق واسع , ظل تغيير التردد للتحكم في السرعة مهمة صعبة للغاية - والبناء المادي لل منع المحرك الشركات المصنعة من إنشاء محركات بأكثر من سرعتين .

نتيجةً لذلك , كانت محركات التيار المستمر ضرورية حيث يلزم التحكم الدقيق في السرعة وإخراج طاقة كبير . على عكس متطلبات التحكم في سرعة محرك التيار المتردد , تم تحقيق التحكم في سرعة محرك التيار المستمر عن طريق إدخال مقاومة متغيرة في التيار المستمر منخفض الطاقة الدائرة الميدانية , التي كانت ممكنة مع التكنولوجيا المتاحة . هذه الضوابط البسيطة للمحرك غيرت السرعة وعزم الدوران , وكانت الطريقة الأكثر اقتصادا للقيام بذلك لعدد من العقود .

بحلول الثمانينيات , أصبحت تقنية محرك التيار المتردد موثوقة وغير مكلفة بما يكفي للتنافس مع التحكم التقليدي في محرك التيار المستمر . تتحكم محركات التردد المتغيرة (vfds) بدقة في سرعة الحث القياسي للتيار المتردد أو المحركات المتزامنة . مع vfds , يتحقق التحكم في السرعة مع عزم الدوران الكامل من 0 دورة في الدقيقة من خلال السرعة القصوى المقدرة و , إذا لزم الأمر , أعلى من السرعة المقدرة عند عزم الدوران المنخفض . تتلاعب vfds بتردد خرجها عن طريق تصحيح تيار تيار متردد وارد إلى تيار مستمر , ثم استخدام تعديل عرض نبضة الجهد لإعادة إنشاء تيار التيار المتردد وشكل موجة خرج الجهد . ولكن , هذا تحويل التردد تتسبب العملية في فقد 2٪ إلى 3٪ كحرارة في فد - الطاقة الحرارية التي يجب تبديدها . تنتج العملية أيضًا طفرات الجهد الزائد وتشوهات التيار التوافقي .

أنواع التردد المتغير

هناك ثلاثة أنواع شائعة من vfds . تم استخدام انعكاس المصدر الحالي (CSI) بنجاح في معالجة الإشارات وتطبيقات الطاقة الصناعية . CSI vfds هي النوع الوحيد الذي لديه القدرة على التجدد . بمعنى آخر , يمكنهم امتصاص تدفق الطاقة مرة أخرى من المحرك إلى مزود الطاقة . يعطي CSI vfds شكل موجة تيار نظيف للغاية ولكنه يتطلب محاثات كبيرة , مكلفة في بنائها ويسبب تسننًا (حركة نابضة أثناء الدوران) أقل من 6 هرتز .

محركات انقلاب مصدر الجهد (VSI) لها عامل طاقة ضعيف , يمكن أن يتسبب في تسنن المحرك أقل من 6 هرتز , وغير متجدد . وبالتالي , لم يتم استخدام محركات CSI و VSI على نطاق واسع .

يشيع استخدام تعديل عرض النبضة (PWM) vfds في الصناعة بسبب عامل قدرة الإدخال الممتاز بسبب جهد ناقل التيار المستمر الثابت , عدم وجود تروس للمحرك , كفاءات أعلى , وتكلفة أقل . استخدامات PWM VFD سلسلة من نبضات الجهد بأطوال مختلفة لمحاكاة الموجة الجيبية (الشكل . 1 في الصفحة 8) . بشكل مثالي , يتم توقيت النبضات بحيث ينتج عن متوسط الوقت المتكامل للمحرك شكل جيبي مثالي . الطريقة الحالية المختارة لإنتاج هذا الشكل الموجي تدير موجة مثلث وموجة جيبية من خلال المقارنة , وتخرج نبضة جهد كلما كانت قيمة الموجة الجيبية 's أكبر من موجة المثلث . المكون الكهربائي الحالي المختار لتوليد نبضة الجهد ، يتم استخدام ترانزستور البوابة المعزول ثنائي القطب (IGBT) , على الرغم من أن المقومات التي يتم التحكم فيها بالسيليكون (scrs) يمكن أن تعمل أيضًا . في المستقبل القريب , سيتم استخدام ترانزستورات البوابة المعززة بالحقن (iegts) لأداء هذه المهمة . على المدى الطويل , من المحتمل أن تصبح memristors مكونًا لـ c اهلا لهذه المهمة .

memristors هي عنصر الدائرة السلبية الرابع , الذي يربط الشحنة الكهربائية والتدفق المغناطيسي . تم افتراض وجود memristors لأكثر من 30 عامًا , ولكن لم يتم تصنيعها حتى أبريل 2008 بواسطة مختبرات Hwlett Packard . تأمل Hwlett Packard لاستخدام هذه الأجهزة كترانزستور سلبي , تقليل توليد الحرارة مقارنة بأنواع الذاكرة الأخرى . بغض النظر عن المكون المستخدم لتشكيل الموجة الجيبية , يتسبب إجراء التبديل في حدوث مشكلات .

الحرارة , فقدان الطاقة , والتوافقيات

المشكلة الأولى أ الشركة المصنعة vfd يحتاج إلى معالجة الحرارة . على الرغم من أن vfds هي أجهزة عالية الكفاءة , الشركات المصنعة غير قادرة على إنتاج مجموعة مثالية من المكونات . الحرارة المفقودة في محرك الأقراص تحكمها المعادلة التالية:

hloss u003d pt (1-η)

حيث hloss هي القدرة المفقودة (W) , pt هي القدرة عبر محرك الأقراص (W) , و هي كفاءة المحرك . عادةً , vfds لها تصنيف كفاءة بين 95٪ و 98 ٪ . هذا يعني أن كمية الهواء التي يجب نقلها عبر محرك الأقراص تحكمها المعادلة:

م u003d hloss ÷ (cpΔt) u003d pt (1-η) ÷ (cpΔt)

حيث m هو معدل تدفق الكتلة (kg / s) , cp هو الحرارة النوعية للهواء [kj ÷ (kg × k) , و T هو الفرق في درجة الحرارة بين الهواء الداخل والهواء الخارج ( ك) . يمكن أن تتسبب هذه الحرارة في إضافة تكاليف تبريد كبيرة إلى التصميم , خاصةً إذا كان محرك الأقراص غير قادر على وضعه في مكان غير مصنف (منطقة خالية من الغازات أو الجزيئات القابلة للاشتعال) . إذا كان يجب على المحرك يتم وضعها في موقع سري , ثم سيحتاج تدفق الهواء المتجه إلى محرك الأقراص إلى التطهير والضغط .

التسخين هو واحد فقط من مشاكل vfds . المشكلة الرئيسية الأخرى تكمن في توافقيات النظام . تظهر صورة PWM والتوافقيات التي تسببها في الشكل . 2 . المخالفات في الموجة الجيبية تسمى التوافقيات . في عالم مثالي لدائرة الطاقة , لا ينبغي أن توجد هذه التوافقيات . فهي لا تفعل شيئًا سوى تسبب المشاكل . لحسن الحظ , هناك عدد من الطرق لتخفيف التوافقيات .

واحدة من أبسط الطرق للتعامل مع التوافقيات هي وضع مرشح موجة جيبية على جانبي VFD . على جانب الخط , وتسمى هذه عادةً مفاعلات الخط ولها قيم تفاعل في أي مكان بين 1 . 5٪ و 5 . 0٪ ممانعة . أعلى مقاومة لا توقف فقط المزيد من التوافقيات , ولكنها تحد أيضًا من القدرة التي تذهب إلى vfd .

تكتيك آخر يمكن استخدامه على جانب الخط من VFD هو وضع المكثفات في ناقل مشترك . لأن مقاومة المكثف تتناسب عكسًا مع تردد الإشارة , التوافقيات ترى قصرًا من خلال المكثف والسفر عبر المكثف إلى الأرض , على أمل تجاهل الأحمال الأخرى على الناقل . قد تستخدم vfds أيضًا واجهة أمامية نشطة للحد من التوافقيات التي يراها جانب الخط . للواجهة الأمامية النشطة تبديل IGBT آخر عند الجهد العكسي مثل IGBT الرئيسي , ولكن يتم وضعه من خلال مرشح تمرير عالي بحيث تنتقل إشارة الطاقة الأساسية إلى الأرض . يجب أن يكون مجموع الإشارتين التوافقيتين بشكل مثالي صفر . إذا كانت الجبهة نشطة- محرك النهاية غير مناسب لسبب ما , يمكن شراء VFD أمامي سلبي . تستخدم vfds الأمامية السلبية محولات متعددة لتغيير الطور وجسور الصمام الثنائي للتخفيف من التوافقيات .

كلما زاد عدد النبضات التي يحتوي عليها VFD الأمامي السلبي , ، كانت هناك مشاكل أقل مع التوافقيات . وتتمثل المفاضلة في أن جهد الخط يجب أن يكون متوازنًا بشكل جيد , ومع كل محول إزاحة طور إضافي يكون هناك زيادة في التكلفة و خسارة في الكفاءة . في الحالات القصوى , يمكن شراء محول عزل . على الرغم من أن هذه واحدة من أكثر الطرق فعالية لمنع التوافقيات من الانتشار , فهي 's أيضًا واحدة من أكثر [تكلفة .

إذا لم يتم تخفيف التوافقيات بشكل كافٍ على جانب خط VFD , فقد يصبح الحديث المتبادل والسخونة الزائدة مشكلة . يمكن أن يتسبب ارتفاع درجة الحرارة إما في خفض أحجام الناقل أو زيادة تكاليف التبريد . يتم تعريف الحديث المتبادل على أنه إشارة من دائرة واحدة التداخل مع دائرة أخرى . بشكل عام , إنها مشكلة أكبر من السخونة الزائدة . مثال على ذلك هو وجود راديو غير متناغم قليلاً . على الرغم من أنه من الممكن سماع الموسيقى من خلال السكون , الساكن مزعج . يعتبر الحديث المتبادل أمرًا مزعجًا في دوائر الاتصالات . في دوائر الطاقة , سيؤدي الحديث المتبادل إلى ارتفاع درجة الحرارة ورحلات ترحيل التردد .

تمامًا كما أن التوافقيات التي تُترك دون رادع على جانب الخط يمكن أن تسبب مشاكل , فإنها يمكن أن تخلق مشكلات في جانب التحميل أيضًا . وهذا بسبب طبيعة الموجات . على سبيل المثال , قوة صغيرة تمارس على سيؤدي الانزلاق في أي من الطرفين إلى موجة جيبية عالية السعة . تعمل الموجات الكهرومغناطيسية بنفس الطريقة , مما يعني أن كمية صغيرة من التفاعل يمكن أن تسبب ارتفاعات كبيرة في الجهد . لأن هذه المفاعلة تحريضية بطبيعتها , معظم المخرجات المرشحات عبارة عن مكثفات موصلة بتكوين دلتا . من الناحية المثالية , هذا يجب أن يجعل جزء الممانعة للمقاومة يذهب إلى الصفر . إذا تمت مطابقة الممانعة بشكل صحيح , فهذا لا يحدث .

ملاحظة تحذير: يمكن للمكثفات الموصلة على جانب التحميل من VFD أن تخلق عددًا كبيرًا من المشكلات , بما في ذلك تدمير محرك الأقراص . لذلك , من الحكمة 's مراجعة الشركة المصنعة للمحرك من قبل تثبيت مرشح موجة جيبية على جانب التحميل من VFD . في حالات نادرة , يمكن استخدام مرشح نشط . على الرغم من أن هذه تميل إلى العمل بشكل جيد , فهي باهظة الثمن إلى حد ما وعادة ما تكون مصممة خصيصا .

فوائد vfd

على الرغم من حقيقة أن vfds تولد قدرًا كبيرًا من التوافقيات والحرارة , فإنها لن تستخدم على نطاق واسع وشعبية كما هي اليوم إذا لم تكن لها فوائد اقتصادية كبيرة .

كهربائيًا , vfds يعمل بعامل طاقة عالي . أي فئة من المحركات الحثية عادة ما يكون لها عامل طاقة منخفض عند نصف الحمل وثلاثة أرباع (0 . 75 إلى 0 . 85) . هذا في الواقع يقلل من عمر المحرك , لأن الزيادة غير الضرورية في التسخين الزائد الحالي لعزل اللف . تتجاوز vfds هذه المشكلة عن طريق تشغيل الحمل بتردد أقل من الأساسي .

السبب الأكثر وضوحًا لشراء VFD هو التحكم في السرعة . ويتم ذلك عادةً للعملية , التشغيل , والفوائد الاقتصادية . تأتي إحدى الفوائد الاقتصادية من تقليل الصيانة عند استخدام VFD , بشكل خاص عدم الاضطرار إلى التعامل مع فرش الكربون بمحرك DC أو علب التروس الميكانيكية للتحكم في السرعة (ناقل الحركة) . تحدث الفوائد الاقتصادية الأكثر وضوحًا لمحرك vfds مع المراوح والمضخات . وتتناسب الطاقة التي تستهلكها المضخة أو المروحة بشكل مباشر مع مكعب السرعة . هذا يعني أنه إذا كان بإمكان المشغل تشغيل مروحة بنسبة 80٪ من السرعة الكاملة , فإنه يستخدم نظريًا 51٪ من طاقة الحمل الكاملة .

تعمل vfds أيضًا على تحسين خصائص بدء تشغيل المحرك. لا يمكنه الصمود في المعتاد بست مرات رسم بدء FLA عبر الخط , أو حتى تيار جهاز بدء التشغيل الناعم 350٪ FLA . vfds يقوم بذلك عن طريق إدارة التدفق المغناطيسي لمحرك تحريضي . يكون التدفق المغناطيسي مباشرًا يتناسب مع الجهد ويتناسب عكسيًا مع التردد . عن طريق الحفاظ على ثابت التدفق , لا يتجاوز تيار التدفق تصنيف FLA للمحرك , ويتم الحفاظ على عزم الدوران الكامل . وهذا تحسن كبير في بداية ناعمة , والتي بها مشاكل انخفاض كبيرة في الجهد ولا يمكن أن تبدأ تحت حمولة كاملة .

يظهر جانب آخر مفيد من vfds في الشكل . 3 , (انقر هنا لرؤية الشكل . 3) الذي يوضح خرج عزم الدوران الثابت VFD . لاحظ المنطقتين , عزم الدوران الثابت , والقدرة الحصانية الثابتة . منطقة عزم الدوران الثابت تفسر نفسها بنفسها إلى حد ما. ينظم VFD التدفق بحيث يكون التيار ثابتًا . بمجرد أن يتجاوز VFD تردد النظام المقنن , لا يمكن زيادة الجهد بسبب القيود المادية للنظام . لأن الجهد ثابت - والتردد يتزايد - يتم إجبار التدفق على الانخفاض . عندما يحدث هذا , يُضطر التيار وعزم الدوران إلى الانخفاض أيضًا . وهذا ما يسمى إضعاف المجال . على الرغم من أنه ليس بالضرورة أمرًا جيدًا , يمكنه تكون مفيدة إذا كانت هناك حاجة لتشغيل حمل عزم دوران جزئي أعلى من السرعة المقدرة . بالإضافة إلى هذه القدرة , يمكن أن تأخذ vfds أيضًا أي شكل من أشكال طاقة الإدخال سواء كانت 's تيار متردد أحادي الطور , 3 -طور التيار المتردد , أو التيار المستمر . vfds التي يتم تغذيتها من مصدر تيار مستمر تشغل حمل التيار المتردد بدون مقوم داخلي .

تحتوي vfds أيضًا على بعض التطبيقات على شبكة الطاقة . أحد الأمثلة الكلاسيكية على ذلك هو مولد الحث المغذي بشكل مزدوج , حيث يمكن لـ VFD إجبار تردد ثابت وإشارة جهد من مدخل متغير السرعة (تردد) . يُلاحظ هذا بشكل شائع في توربينات الرياح ومشاريع التوليد الكهرومائية الصغيرة الأخرى التي سيتم توصيلها بشبكة الطاقة . مصادر الطاقة المتجددة الأخرى , مثل الخلايا الكهروضوئية , يمكن أن تستخدم vfds لتعمل كعاكس قبل الاتصال بـ شبكة الطاقة , على الرغم من أن المحولات المزودة بتقنية باك التعزيز أكثر شيوعًا . في حين أن هناك العديد من الاستخدامات المحتملة لـ vfds على شبكة الطاقة التجارية , إلا أنها خارج نطاق هذه المقالة .

السابق :
تاريخ محرك التردد المتغير