اینورتر صنعتی با تغییر فرکانس منبع تغذیه موتور AC، تجهیزات کنترل توان موتور را تنظیم می کند. این دستگاه در بالادست موتور قرار می گیرد تا ولتاژ AC تولید کند که می تواند به طور قابل تنظیم با نیازهای مشتری سازگار شود. اینورتر از سوئیچینگ IGBT داخلی برای تنظیم ولتاژ و فرکانس منبع تغذیه خروجی استفاده می کند و ولتاژ مورد نیاز برای تامین انرژی موتور را بر اساس نیازهای واقعی آن فراهم می کند. به این ترتیب، هدف صرفه جویی در انرژی و تنظیم سرعت محقق می شود. علاوه بر این، اینورتر دارای بسیاری از ویژگی های حفاظتی، مانند حفاظت در برابر اضافه جریان، اضافه ولتاژ و اضافه بار است. با پیشرفت مداوم اتوماسیون صنعتی، اینورترهای فرکانسی نیز به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند.
پارامترهای اصلی هنگام استفاده از اینورتر صنعتی
وظیفه اصلی اینورتر صنعتی تنظیم توان موتور و ایجاد عملکرد با سرعت متغیر برای موتور است تا هدف صرفه‌جویی در انرژی محقق شود. بنابراین تنظیم پارامترهای مرتبط به‌صورت منطقی هنگام استفاده از آن بسیار مهم است. نمایندگی میتسوبیشی الکتریک با ارائه مشاوره تخصصی، کاربران را در تنظیم و انتخاب بهترین مدل اینورتر برای کاربردهای صنعتی راهنمایی می‌کند. پارامترهای اصلی در زیر معرفی شده اند:
روش کنترل
این پارامتر به انتخاب روش های مختلفی مانند کنترل سرعت، کنترل گشتاور، کنترل PID یا سایر روش ها بستگی دارد. پس از انتخاب هر کدام از این روش ها، معمولاً برای ارزیابی دقت کنترل، شناسایی استاتیک یا دینامیک انجام می شود.
حداقل فرکانس کاری
حداقل فرکانس کاری به کمترین سرعتی اشاره دارد که موتور می تواند در آن کار کند. زمانی که موتور با سرعت پایین کار می کند، عملکرد دفع حرارت آن بسیار ضعیف است. اگر موتور برای مدت طولانی با سرعت پایین کار کند، ممکن است باعث سوختن موتور شود. علاوه بر این، در سرعت پایین، جریان در کابل افزایش می یابد که این امر می تواند باعث داغ شدن کابل نیز بشود.
فرکانس کاری حداکثر
فرکانس کاری حداکثر معمولاً در اینورترهای عمومی 60 هرتز است، اما برخی شرایط کاری خاص نیاز دارند که این فرکانس به 400 هرتز برسد. فرکانس بالا باعث می شود موتور با سرعت بالا کار کند. اما مشکلی که وجود دارد این است که برای موتورهای معمولی، بلبرینگ های آن ها نمی توانند برای مدت طولانی در سرعت های بیشتر از حد معمول عمل کنند.
فرکانس حامل (Carrier Frequency)
فرکانس حامل در اینورترها به فرکانس سیگنال بالایی اطلاق می شود که برای مدولاسیون سیگنال ورودی و تولید موج سینوسی خروجی مورد استفاده قرار می گیرد. با افزایش فرکانس حامل، اجزای هارمونیک مرتبه بالا نیز افزایش می یابند که می تواند تاثیرات خاصی بر عملکرد سیستم داشته باشد. این اجزای هارمونیک می توانند باعث افزایش گرمای تولیدی در موتور، کابل ها و خود اینورتر شوند، زیرا موجب افزایش تلفات انرژی و تولید حرارت در اجزای سیستم می شوند.
جهش فرکانسی (Frequency Hopping)
در برخی فرکانس ها، ممکن است پدیده رزونانس رخ دهد، به ویژه زمانی که کل سیستم در فرکانس های نسبتاً بالا عمل می کند. این پدیده می تواند موجب ایجاد مشکلاتی در عملکرد دستگاه ها شود. برای مثال، در کنترل کمپرسورها، لازم است که نقطه اوج فشار (Surge Point) کمپرسور که به آن حساس است، از محدوده فرکانسی دستگاه دور نگه داشته شود تا از آسیب های احتمالی و عملکرد نادرست جلوگیری گردد. جهش فرکانسی یا تغییر فرکانس به طور پویا، یک روش برای جلوگیری از وقوع این رزونانس ها است که باعث بهبود عملکرد سیستم و جلوگیری از بروز خرابی می شود.
زمان شتاب
زمان شتاب به مدت زمانی اطلاق می شود که برای افزایش فرکانس خروجی از صفر تا حداکثر فرکانس لازم است، و زمان کاهش شتاب به مدت زمانی گفته می شود که فرکانس خروجی برای کاهش از حداکثر فرکانس به صفر نیاز دارد. معمولاً سیگنال تنظیم فرکانس برای تعیین زمان شتاب و کاهش شتاب مورد استفاده قرار می گیرد. هنگام شتاب گرفتن موتور، نرخ افزایش سیگنال تنظیم فرکانس باید محدود شود تا از بروز اضافه جریان جلوگیری شود؛ همچنین هنگام کاهش سرعت موتور، نرخ کاهش فرکانس باید محدود گردد تا از بروز اضافه ولتاژ جلوگیری شود.
بهبود گشتاور
این روش که به آن جبران گشتاور هم گفته می شود، برای جبران کاهش گشتاور در سرعت های پایین به کار می رود که به دلیل مقاومت سیم پیچی استاتور موتور ایجاد می شود. زمانی که دستگاه به حالت خودکار تنظیم شود، ولتاژ در هنگام شتاب گیری به طور خودکار افزایش پیدا می کند تا گشتاور لازم برای شروع حرکت موتور فراهم شود و موتور به آرامی شتاب بگیرد. اگر از جبران دستی استفاده شود، می توان از طریق آزمایش های مختلف و بر اساس ویژگی های بار، بهترین مقدار ولتاژ را تنظیم کرد. برای بارهایی که گشتاور متغیر دارند، اگر تنظیمات به درستی انجام نشود، ولتاژ در سرعت های پایین ممکن است زیاد شود که این امر باعث اتلاف انرژی الکتریکی می شود. همچنین، ممکن است در هنگام شروع حرکت موتور با بار، جریان زیاد باشد اما موتور نتواند به سرعت مورد نظر برسد.
محافظت الکترونیکی در برابر اضافه بار حرارتی
این عملکرد برای محافظت از موتور در برابر گرمای بیش از حد تنظیم شده است. این سیستم از پردازنده داخلی اینورتر استفاده می کند تا بر اساس مقدار جریان و فرکانس عملیاتی، افزایش دمای موتور را محاسبه کرده و از داغ شدن بیش از حد آن جلوگیری کند. مقدار تنظیم محافظت الکترونیکی حرارتی (%) = [جریان نامی موتور (آمپر) / جریان خروجی نامی اینورتر (آمپر)] × 100%.
محدودیت فرکانس
محدودیت فرکانس به مرزهای بالایی و پایینی فرکانس خروجی اینورتر اشاره دارد. این عملکرد حفاظتی برای جلوگیری از عملکرد اشتباه یا خرابی منبع سیگنال تنظیم فرکانس خارجی است که ممکن است باعث شود فرکانس خروجی خیلی بالا یا پایین شود و به دستگاه آسیب وارد کند. تنظیم آن باید بر اساس شرایط واقعی در کاربرد انجام شود. این ویژگی همچنین می تواند به عنوان یک محدود کننده سرعت استفاده شود. به عنوان مثال، در صورت وجود یک نوار نقاله، از آنجایی که مواد زیادی برای حمل وجود ندارد، برای کاهش سایش دستگاه و نوار، می توان آن را با استفاده از اینورتر راه اندازی کرد و محدودیت فرکانس بالای اینورتر را به یک مقدار معین تنظیم کرد تا نوار نقاله با سرعت کاری ثابت و پایین تری عمل کند.
تنظیم میزان تقویت سیگنال توسط فرکانس
این عملکرد تنها زمانی مؤثر است که فرکانس توسط سیگنال آنالوگ خارجی تنظیم شود. از این ویژگی برای جبران عدم تطابق بین ولتاژ سیگنال تنظیم خارجی و ولتاژ داخلی اینورتر (+10 ولت) استفاده می شود. همچنین، این قابلیت انتخاب ولتاژ سیگنال تنظیم آنالوگ را تسهیل می کند. در هنگام تنظیم، زمانی که سیگنال ورودی آنالوگ در حداکثر مقدار خود قرار دارد (مثلاً 10 ولت، 5 ولت یا 20 میلی آمپر)، درصد فرکانسی که می تواند الگوی f/V را خروجی دهد پیدا کرده و آن را به عنوان یک پارامتر تنظیم می کنیم. به عنوان مثال، زمانی که سیگنال تنظیم خارجی بین 0 تا 5 ولت باشد و فرکانس خروجی اینورتر بین 0 تا 50 هرتز باشد، سیگنال تقویت شده را به 200% تنظیم می کنیم.
محدودیت گشتاور
محدودیت گشتاور به دو نوع درایو و ترمز تقسیم می شود. این ویژگی با استفاده از پردازنده مرکزی (CPU) و براساس ولتاژ و جریان خروجی اینورتر، گشتاور را محاسبه کرده و بهبود عملکرد در شتاب گیری، کاهش سرعت و سرعت ثابت را فراهم می کند. همچنین، این عملکرد شتاب گیری و کاهش سرعت را به طور خودکار طبق تنظیمات گشتاور انجام می دهد.
عملکرد گشتاور درایو، گشتاور شروع قوی فراهم می کند و در حین عملکرد پایدار، گشتاور موتور را به حداکثر مقدار تنظیم شده محدود می کند. در صورت افزایش ناگهانی گشتاور بار، این ویژگی باعث جلوگیری از بروز مشکل برای اینورتر می شود. تنظیم گشتاور بین 80% تا 100% برای شروع مناسب تر است.
انتخاب حالت شتاب گیری و کاهش سرعت
انتخاب حالت شتاب گیری و کاهش سرعت که به آن انتخاب منحنی شتاب گیری و کاهش سرعت نیز گفته می شود، شامل سه نوع منحنی است: خطی، غیرخطی و S. معمولاً منحنی های خطی انتخاب می شوند؛ منحنی های غیرخطی برای بارهای گشتاور متغیر مانند فن ها مناسب هستند؛ در حالی که منحنی های S برای بارهای گشتاور ثابت مناسب اند و تغییرات شتاب گیری و کاهش سرعت در آن ها نسبتاً کندتر است. هنگام تنظیم، می توان منحنی مناسب را براساس ویژگی های گشتاور بار انتخاب کرد.
کنترل برداری گشتاور
کنترل برداری بر این فرضیه تئوریکی استوار است که موتورهای القایی و موتورهای DC از یک مکانیزم مشابه برای تولید گشتاور استفاده می کنند. روش کنترل برداری به این صورت است که جریان استاتور به دو بخش جداگانه تقسیم می شود: جریان میدان مغناطیسی و جریان گشتاور. سپس هر یک از این جریان ها به طور جداگانه کنترل می شود و در نهایت جریان ترکیبی به موتور ارسال می گردد. بنابراین، در اصل، همان عملکرد کنترلی که در موتورهای DC وجود دارد، برای موتور القایی نیز حاصل می شود. با استفاده از عملکرد کنترل برداری گشتاور، موتور می تواند حداکثر گشتاور را در شرایط مختلف کاری تولید کند، به ویژه در ناحیه سرعت پایین.
کنترل صرفه جویی در انرژی
فن ها و پمپ های آب بارهایی هستند که گشتاور آن ها با کاهش سرعت کاهش می یابد؛ به این معنی که با کاهش سرعت، گشتاور بار به تناسب مربع سرعت کاهش پیدا می کند. اینورترهایی که دارای عملکرد کنترل صرفه جویی در انرژی هستند، با حالت اختصاصی V/f طراحی شده اند که می توانند کارایی موتور را بهبود بخشند و به طور خودکار ولتاژ خروجی اینورتر را بر اساس جریان بار کاهش دهند تا صرفه جویی در انرژی حاصل شود.
باید توجه داشت که دو پارامتر ذکر شده، که پارامترهای پیشرفته ای هستند، ممکن است در هنگام اصلاح دستگاه توسط برخی کاربران قابل فعال سازی نباشند. به طور مثال، اینورتر ممکن است پس از فعال سازی این دو پارامتر به طور مکرر خاموش شود، در حالی که پس از غیرفعال سازی آن ها، همه چیز به حالت عادی برمی گردد. دلایل این موضوع عبارتند از:
- پارامترهای موتور اصلی با پارامترهای مورد نیاز اینورتر تفاوت زیادی دارند.
- درک ناکافی از عملکرد تنظیم پارامترها. به عنوان مثال، عملکرد کنترل صرفه جویی در انرژی فقط در حالت کنترل V/f قابل استفاده است و نمی توان آن را در حالت کنترل برداری (vector control) فعال کرد.
- حالت کنترل برداری فعال شده است، اما تنظیم دستی و خواندن خودکار پارامترهای موتور انجام نشده یا روش خواندن آنها نادرست بوده است.
نتیجه گیری
اینورتر صنعتی به عنوان یک ابزار کلیدی در بهینه سازی عملکرد موتورهای AC با تنظیم فرکانس و ولتاژ، نقش مهمی در صرفه جویی انرژی و افزایش کارایی دارد. با پیشرفت های فناوری، این دستگاه ها نه تنها سرعت و قدرت موتور را به دقت کنترل می کنند، بلکه حفاظت های متعدد و تنظیمات خاص برای سازگاری با انواع بارها و شرایط کاری مختلف را فراهم می آورند. تنظیم دقیق پارامترها و استفاده از ویژگی های خاص اینورتر، از جمله کنترل برداری و صرفه جویی در انرژی، می تواند بهره وری سیستم ها را به طور قابل توجهی افزایش دهد و از مشکلات احتمالی مانند افزایش دما و خرابی اجزای سیستم جلوگیری کند. به عنوان مثال، اینورترهای میتسوبیشی با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته، قابلیت کنترل برداری و صرفه‌جویی در انرژی را در سطح بالایی ارائه می‌دهند و گزینه‌ای ایده‌آل برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در صنایع مختلف محسوب می‌شوند.