مقدمه ای بر درایوهای فرکانس متغیر (VFD) در کنترل موتور برای کاربردهای صنعتی.

VFD چالش های راه اندازی موتور 3 فاز را با کنترل دقیق سرعت و همچنین راندمان را حل می کند، بدون اینکه در بیشتر موارد بیش از حد هزینه بر باشد. این دستگاهها را می توان طوری پیکربندی کرد که در برنامه های کاربردی از ماشین آلات کوچک تا دستگاههای بزرگ اجرا شوند. پارامترهای درایو به کاربر امکان کنترل موتور را در حد عالی  می دهد.

چرا یک درایو فرکانس متغیر انتخاب کنیم؟

وقتی صحبت از جابجایی بارهای بزرگ مورد نیاز برای عملیات صنعتی می شود، موتور 3 فاز معمولاً به عنوان ضربه زننده سنگین نامیده می شود. آنها از جریان کمتری نسبت به موتورهای تک فاز ولتاژ پایین خود استفاده می کنند. علاوه بر این، راه اندازی و کارکرد موتورهای تک فاز در جهت کنترل شده بسیار دشوارتر است. به عنوان مقایسه دیگر، موتورهای DC به دلیل سایش و پارگی برس های کربنی که چرخش میدان مغناطیسی را در روتور انجام می دهند، کارایی کمتری دارند.

اگرچه این موتورهای 3 فاز دارای مزایای فوق العاده ای هستند، اما در هنگام کار با آنها مشکلات دیگری نیز وجود دارد. مدارهای استارت موتور ساده به ما امکان می دهند دو تا از این استارت ها را به هم متصل کنیم که می توانند موتور را در هر جهت با دو خط فاز معکوس راه اندازی و راه اندازی کنند. با این حال، کنترل‌های روشن/خاموش مانند استارت‌ها محدود هستند، فقط کاملاً روشن یا کاملاً خاموش هستند. هنگامی که به طور ناگهانی روشن می شود، موتورها می توانند مقدار زیادی جریان مصرف کنند که منجر به افزایش هزینه های برق می شود.
یکی دیگر از معایب در کاربردهای بزرگ نتیجه نوسانات کوچک در ولتاژ اصلی است، مانند روشن شدن دستگاه های دیگر در تاسیسات. در مدار استارت آنالوگ، این نوسانات مستقیماً به سیم‌پیچ‌های موتور منتقل می‌شوند و باعث عدم تعادل در یک حرکت نرم می‌شوند.

این مدل دکمه یا صفحه نمایشی روی آن ندارد، بنابراین برنامه نویسی باید از طریق درگاه ارتباطی انجام شود

برای مبارزه با معایب ذکر شده قبلی، از یک دستگاه کنترل دیجیتال استفاده می شود تا امکان کنترل بسیار بهتر را فراهم کند. درایو فرکانس متغیر یا VFD جریان ارسال شده به موتور را به صورت پالس به دقت تنظیم می کند که فرکانس آن را می توان از منبع معمولی 50/60 هرتز با تمهیداتی که در سخت افزار آن در نشر گرفته شده است کاهش و حتی بالاتر برد. به این ترتیب، نام “فرکانس متغیر” مزیت آشکار این درایوها را به ما می دهد.
نکته ای که در مورد VFD ها در طول فرآیند کاربرد باید به آن توجه کرد این است که آنها به راحتی می توانند یک موتور را با فرکانس کمتر (و در نتیجه RPM) کمتر از مقدار نامی آن راه اندازی کنند، اما هنگام شتاب گیری بایدمحتاط باشید. اگرچه از نظر تئوری امکان پذیر است، موتور طوری طراحی شده است که فقط با حداکثر دور در دقیقه کار کند. کارکردن با سرعت بالاتر از سرعت نامی می تواند باعث گرما، کاهش راندمان و کاهش عمر شود.

چند مزیت داخلی دیگر توسط VFD ارائه شده است.

اول، شما می توانید به برخی بازخوردهای اولیه در مورد سیستم خود دسترسی داشته باشید، حتی بدون سنسور. جریان ارائه شده به موتورها را کنترل می کند و اگر جریان از حد مجاز فراتر رفت، می تواند مشکل را نشان دهد.

همچنین می توان بسیاری از پارامترهای عملیاتی را که نحوه کار موتور را کنترل می کنند، تنظیم کرد. می‌توانید شتاب راه‌اندازی و زمان‌های کاهش سرعت (نرخ رمپ)، حداکثر سرعت را در مواردی که RPM نامی کامل خیلی سریع است و بسیاری از گزینه‌های دیگر تنظیم کنید.

آخرین مزیت جالب قیمت پایین این دستگاه ها است. یک جفت استارتر کوچک به همراه دکمه های مورد نیاز برای کنترل دستی که دارای مزیت کنترل و حفاظتهای مورد نیاز باشد می تواند بیشتر هزینه داشته باشد.

تئوری اساسی عملکرد VFD

ولتاژ ورودی VFD می تواند تک فاز 120-240VAC یا 208-480VAC یا گاهی حتی بیشتر باشد. مدل های ورودی تک فاز برای موتورهای کوچک مزایای زیادی را ارائه می دهند زیرا برای راه اندازی موتور نیازی به منبع تغذیه 3 فاز ندارید.

ترمینال های ورودی VFD 

برق AC ورودی از طریق یکسوساز و خازن فیلتر به DC تبدیل می شود. این یک ولتاژ DC ثابت در سطحی مطابق با سطح ولتاژ نامی موتورها را فراهم می کند.

برای راه اندازی موتور، ولتاژ DC با فرکانس بسیار بالا، معمولاً چند کیلو هرتز، روشن و خاموش می شود. نسبت زمان روشن و خاموش شدن هر پالس باعث افزایش یا کاهش جریان می شود، به عنوان مثال، اگر پالس در 90٪ مواقع روشن باشد و برای 10٪ باقیمانده خاموش باشد، انتظار می رود جریان تقریباً حداکثر باشد.
این قطار پالها از نظر درصدی بین 100٪ منفی و 100٪ مثبت تغییر می کند، سپس به 100٪ مثبت، سپس 100٪ منفی،تغییر میکند و دوباره تکرار می شود. 
سرعتی که در آن این درصدها یک چرخه کامل را کامل می کنند را می توان بین 0 تا 400 هرتز تنظیم کرد.میتوان زمان رسیدن به فرکانس مورد نظر و یا برگشت به سمت خاموش شدن را تغییر داد تمامی این امکانات از طریق درایو قابل دسترس است.

چگونه VFD را کنترل کنید؟

بسته به کاربرد، می توانید VFD هایی را بیابید که می توانند از منابع مختلف کنترل شوند. گاهی اوقات، ممکن است به آنها وظیفه داده شود که یک ماشین مجزا و مستقل را با پنل کاربری بسیار محدود کنترل کنند. در موارد دیگر، یک شبکه کامپیوتری ممکن است ارتباط را در کل مرکز اجرا کند. نگران نباشید VFD برای هر کاربردی وجود دارد.
اکثر VFD ها یک صفحه نمایش کوچک در جلو دارند که ممکن است دارای برخی پارامترها برای نمایش اطلاعات باشد، یا گاهی اوقات به زیبایی یک صفحه لمسی رنگی است. همچنین احتمالاً یک دکمه شروع و توقف و یک پتانسیومتر چرخشی برای کنترل سرعت وجود خواهد داشت. این رابط کاربری و  یا HMI نامیده می شود و بسته به سازنده، تنوع زیادی دارد. کنترل درایو از این طریق و به واسطه پنل روی دستگاه کنترل محلی نامیده می شود.
روش بسیار رایج دیگری برای کنترل VFD ها در ماشین های مستقل وجود دارد. اکثر VFD ها دارای یک ردیف ترمینالهای پیچی کوچک که در زیر درب دستگاه قرار دارد. این نقاط اتصال به ورودی های دیجیتال اجازه می دهد، به عبارت دیگر، دکمه های فشاری برای شروع، توقف و کنترل جهت. همچنین یک ورودی آنالوگ برای پتانسیومتر خارجی وجود دارد. همه این ورودی‌ها به VFD اجازه می‌دهند که به طور ایمن در یک محفظه کنترلی قرار گیرد، ترمینالهای کنترلی دستگاه به صورت ایزوله شده بوده و در صورت اتصال ولتاژ نامناسب سیستم اصلی کنترلی دستگاه آسیب نمیبیند و همچنین رابطی ایمن برای کاربر قرار میدهد.

ترمینالهای کنترلی دستگاه 

به طور مثال بر روی ترمینال کنترلی درایوهای ELEPO  امکاناتی به صورت زیر قرار داده شده است

• ورودی دیجیتال (فعال شدن با صفر)
• ورودی آنالوگ (ولتاژ بین صفر و 10 ولت) همچنین ورودی جریان(4~20 میلی آمپر)
• ورودی مخصوص انکدر
• خروجی رله
• ورودی RS 485
  لازم به ذکر است که تمام این ورودی ها با قسمت کنترلی ایزوله شده است که در صورت مشکل ولتاژی ورودی های ترمینال آسیبی به مدار کنترل نمیزند