راهنمای انتخاب اینورتر مناسب اسپیندل موتور صنعتی

اینورتر چیست و انواع آن

امروزه در بسیاری از صنایع، استفاده از موتورهای پرقدرت به منظور دستیابی به اهداف مختلف و کاربری های متفاوت رایج است. به منظور کاهش دادن مصرف انرژی این موتورها و افزایش بازده سیستم های صنعتی، در 40 سال گذشته  اینورتر یا درایو موتور در صنعت به کار گرفته شده است. اینورتر صنعتی یا به عبارت دیگر VFD در ابتدا به صورت ساده تولید می‌شد و مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما با پیشرفت روز افزون تکنولوژی، تغییرات زیادی در زمینه طراحی و ساخت محصولات صنعتی اتفاق افتاد.

انواع اینورتر صنعتی

VFD مخفف عبارت Variable Frequency Drive است. این عبارت به معنی کنترل متغیر فرکانس است. فرکانس مشخصه‌ای برای تعیین سرعت یا RPM است یعنی با کنترل کردن فرکانس AC میتوان دور موتور را نیز کنترل نمود. اینورترها انواع مختلفی دارند که میتواند سازگار با انواع موتورهای کوچک باشد یا قابل استفاده در سیستم های بسیار پرقدرت و بزرگ... علاوه بر میزان توان اینورتر، ولتاژ ورودی آن نیز ممکن است متفاوت باشد. برق ورودی اینورتر میتواند تکفاز یا سه فاز (220 ولت یا 400 ولت) باشد که با توجه به کاربرد مدنظر برای درایو میتوان از بین گزینه های موجود اینورتر مناسب را انتخاب نمود.

دو ویژگی اصلی اینورتر صنعتی قابلیت تامین سرعت متغیر و قابلیت شروع حرکت و توقف نرم (soft start/stop) است. می‌توان گفت که این مشخصه ها دلیل اصلی استفاده از اینورتر در اتوماسیون صنعتی است. در برخی موارد اینورتر را سافت استارتر نیز می‌نامند که ناشی از همین ویژگی مهم است. حال که به اهمیت استفاه از اینورتر پی برده‌ایم بهتر است نحوه کارکرد اینورتر را نیز بدانیم.

ساختار اینورتر

با وجود تنوع اینورتر و پرکاربرد بودن آن، اساس کار انواع اینورتر تقریبا یکسان است. در ساختار درایو صنعتی این سه بخش حتما تعبیه شده است:

1. رکتیفایر یا مبدل AC به DC
2. فیلتر
3. مبدل DC به AC

لازم به ذکر است که امکان وجود بخش های دیگر در ساختمان اینورتر وجود دارد اما در هر صورت این سه بخش ذکر شده، مبنای اصلی کارکرد اینورترهای صنعتی هستند.

اینورتر چگونه کار میکند؟

برای پاسخ به این سوال یک اینورتر سه فاز استاندارد را در نظر بگیرید. ولتاژ متناوب سه فاز ورودی در اولین بخش یعنی رکتی فایر به ولتاژ مستقیم تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. این قسمت بر اساس نوع کاربرد ممکن است یک طرفه یا دو طرفه باشد.  در این مدار قطعاتی مانند دیود، تریستور، ترانزیستور یا دیگر قطعات مورد استفاده در مبدل ها به کار گرفته می‌شوند. اگر مبدل از نوع دیودی باشد برق DC خروجی، کنترل نشده است. در صورتی که از تایریستور استفاده شود، ولتاژ مستقیم، با گیت خروجی قابل کنترل است. برای تبدیل برق 3 فاز حداقل 6 دیود نیاز است به همین دلیل قسمت یکسوکننده یک مبدل شش پالس در نظر گرفته می‌شود.

نمونه‌ای از یک مدار رکتیفایر دیودی (مبدل AC به DC) در ساختار اینورتر

در مرحله بعدی ولتاژ DC وارد یک فیلتر می‌شود تا با به کارگیری خازن و سلف (معمولا خازن) نویز و نوسان آن گرفته شود. در بخش قبلی یعنی رکتیفایر، صرفا ولتاژ AC به DC تبدیل شده ولی سیگنال خروجی کاملا مستقیم و بدون نوسان نیست همچنین ریپل وابسته به فرکانس AC نیز روی آن تاثیرگذار است. به همین علت وجود  یک فیلتر الزامی خواهد بود تا بتواند ولتاژ ثابت و بدون نویز را تحویل دهد.

فیلتر DC جهت برطرف کردن نویز سیگنال یکسوشده

آخرین مرحله، اینورتر یا مبدل DC to AC است. در این بخش سوییچ های الکترونیکی مختلف (ترانزیستور، ماسفت و IGBT و ...) به کار گرفته شده اند. این سوییچ ها با سرعت زیاد خاموش و روشن می‌شوند تا سیگنال خروجی مشابه سیگنال متناوب باشد. فرکانس خروجی کاملا وابسته به سرعت سوئیچینگ در این مرحله است و با آن رابطه مستقیم دارد.

خروجی متناوب متصل به موتور 

پارامترهای مهم در انتخاب اینورتر مناسب

قبل از انتخاب و خرید اینورتر لازم است موتور مناسب برای کاربری مدنظر خود را انتخاب نمایید. توجه داشته باشید که موتور انتخابی شما چه یک موتور AC معمولی باشد چه یک اسپیندل موتور دور بالا، برای انتخاب اینورتر باید این اطلاعات را داشته باشید:

• توان مصرفی موتور (کیلووات یا اسب بخار)
• جریان مصرفی ماکزیمم
• ولتاژ
• سرعت و فرکانس

بسته به نوع کاربری و نیازهای مخصوص هر سیستم ممکن است به اطلاعات زیر نیز نیاز داشته باشید:

• نوع بار (گشتاور ثابت یا گشتاور متغیر)
• بازه سرعت و مد کنترلی
• ابعاد و اندازه

با بررسی آیتم‌های موردنیاز برای انتخاب یک درایو مناسب برای موتورمان اولین نکته‌ای که باید به آن توجه کنیم همخوانی توان است. با وجود اینکه جریان مصرفی موتور مهمترین فاکتور در انتخاب اینورتر است، دانستن توان مصرفی موتور کمک می‌کند تا بتوانیم انتخاب خود را در بازه محدودتری انجام دهیم و زودتر به نتیجه برسیم.

جریان مصرفی در حالت بارگذاری کامل، مشخصه بسیار مهمی است که باید به آن توجه کنیم. از لحاظ عملی نیز در نظر گرفتن و مقایسه جریان مصرفی اسپیندل موتور و جریان خروجی اینورتر راه مطمئن تری نسبت به انتخاب اینورتر صرفا بر اساس توان مصرفی و خروجی است. در این مرحله توصیه می‌شود که محافظه کار باشید تا با انتخاب مناسب بتوانید طول عمر دستگاه خود را افزایش دهید. به خصوص اگر کارکرد مدنظر شما گشتاور ثابت است و یا بار استارت حرکت بسیار بالا است. ممکن است انتخاب اینورتر با جریان خروجی بالاتر از جریان مصرفی موتور هزینه اضافی در بر داشته باشد ولی به تبع آن طول عمر دستگاه افزایش میابد و کارکرد آن قابل اعتمادتر خواهد بود.

فاکتور بعدی یعنی ولتاژ ورودی، وابسته به برق در دسترس در محل استفاده از دستگاه است. به طور معمول درایوهایی با توان زیر 3 اسب بخار با ولتاژ ورودی تک فاز 220 ولت سازگار هستند. اگر توانی بالاتر از 3 اسب بخار موردنیازتان باشد به احتمال بسیار زیاد اینورتر مناسب برای این کاربری سه فاز خواهد بود. در انتخاب اینورترهای سه فاز باید دقت داشته باشید که معمولا پارامترهای اینورتر دو برابر پارامترهای موتور در نظر گرفته می‌شود. به طور مثال اگر یک موتور با توان مصرفی 9 کیلووات و جریان مصرفی 22 آمپر داشته باشید؛ اینورتر مناسب این موتور توان 18 کیلووات و قابلیت تامین جریان خروجی تا 44 آمپر را باید دارا باشد. اگر کارکرد دائم موتور الزامی باشد پارامترهای زیر را نیز باید در نظر بگیرید:

• نوسان ولتاژ ±10%
• تغییرات فرکانس ±3%

بازه سرعت و رنج فرکانس نیز عامل مهم دیگری در انتخاب اینورتر است. بسیاری از تولید کنندگان موتور و اسپیندل توصیه می‌کنند که هیچ‌گاه موتور با سرعتی کمتر از 20% سرعت ماکزیمم و همچنین 20% بیشتر از سرعت ماکزیمم استفاده نشود. زیرا این نحوه کارکرد باعث افزایش حرارت موتور شده و به آن آسیب وارد می‌نماید.

برای به دست آوردن اطلاعات فوق و مقایسه مدل های مختلف هر اینورتر بهترین روش مراجعه به دیتا شیت آن است. با مطالعه اطلاعات فنی می‌توان به تمامی پارامترهای مهم دسترسی داشت همچنین روش سیم بندی و اتصال اینورتر به موتور و کنترلر (PLC) و سایر قطعات را نیز متوجه شد.