صفر تا صد راه اندازی الکتروموتور با اینورتر

امروزه حضور الکتروموتورها را در همه جا مشاهده می‌کنیم. همگام با رشد گسترده و چشمگیر کاربرد انواع الکتروموتور، نیاز به دستگاهی برای کنترل بهتر موتورها احساس شد. اینورتر (به معنی وارونگر یا معکوس کننده)، همان طور که از نامش پیدا است ولتاژ مستقیم (DC) را به ولتاژ متناوب (AC) تبدیل می‌کند. همچنین امکان کنترل سرعت (دور) موتور را فراهم می‌کند. امروزه ردپای اینورتر را نه تنها در کارخانجات و صنایع، بلکه در منازل نیز می‌توان مشاهده کرد؛ صنایع برق خورشیدی، نوارهای نقاله، بالابرهای کارگاهی، فن‌ها، آسانسورها، پله‌های برقی و کولرهای گازی، نمونه‌هایی از کاربردهای اینورتر هستند.

معمولا در صنعت، اینورتر را با نام‌های مختلفی یاد می‌کنند:

• اینورتر برق صنعتی یا اینورتر موتور
• کنترل دور موتور
• تنظیم فرکانس
• درایو یا درایور
• درایو فرکانس متغیر (VFD)
• درایو دور متغیر (VSD)
• مبدل فرکانس (FC)

اهمیت استفاده از اینورتر در کنترل سرعت و گشتاور موتور

یک روش رایج راه‌اندازی الکتروموتور، استفاده از اینورتر است. به طور خلاصه مهم‌ترین کارکرد اینورتر، کنترل دور (سرعت) موتورها است. در کارخانجات، مراکز صنعتی و دستگاه‌های مختلف، نقش پررنگ موتورهای سه فاز قابل انکار و جایگزینی نیست. بنابراین چنانچه بخواهیم بر فرایند کار تجهیز، اعمال کنترل کنیم بایستی سرعت موتور را کنترل و برای این منظور از اینورتر استفاده کنیم. اینورتر با تغییر فرکانس، ولتاژ یا جریان ورودی موتور AC، سرعت، گشتاور و جهت حرکت آن را تغییر می‌دهد.

راه‌اندازی موتور با اینورتر مزایای بسیاری دارد:

1. راه‌اندازی و توقف نرم موتور برای جلوگیری از جریان هجومی و گشتاور بالای راه‌اندازی و نیز تکان‌ها و ضربه‌های مکانیکی.
2. امکان روشن و خاموش کردن موتور، بدون قطع و وصل برق اصلی.
3. کاهش استهلاک قطعات موتور و سیستم، و نیز صرفه جویی در مصرف برق، چرا که موتور لازم نیست دائما در سرعت نامی کار کند.
4. فراهم شدن امکان تغییر سرعت و تغییر جهت موتور، بدون نیاز به رله و کنتاکتور.
5. حفاظت از موتور در برابر جریان ناشی از اضافه بار و نیز افزایش ناگهانی ولتاژ.
6. امکان هوشمندسازی و برنامه‌ریزی برای موتور.

بررسی مشخصات فنی موتور و انتخاب اینورتر مناسب

برای اینکه بیشترین مزایای ممکن از کاربرد اینورتر حاصل شود، بایستی ابتدا مشخصات فنی موتور خود را به خوبی بررسی کنیم تا پارامترهای آن‌ها با هم مطابقت داشته باشند. مقادیر این پارامترها را می‌توانیم از روی پلاک موتور متوجه شویم. برخی از آن‌ها عبارتند از:

1) توان موتور

اگر معیار انتخاب اینورتر توان موتور باشد (کیلووات یا اسب بخار)، توان اینورتری که قرار است خریداری شود نباید کمتر، بلکه کمی هم بیشتر از توان موتور باشد. همچنین برای تامین بهتر پارامترهای حفاظتی مورد نظر موتور، نباید توان اینورتر از توان موتور خیلی بیشتر باشد. 

نکته: چنانچه توان اینورتر خیلی بیشتر از توان موتور باشد، می‌توان با اعمال تغییراتی در تنظیمات اینورتر، اصلاحات لازم را انجام داد، هرچند که این کار از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

2) جریان نامی موتور

جریان نامی یا جریان بار کامل (FLA) حداکثر جریان مجازی است که می‌تواند در شرایط کارکرد عادی، از سیم‌پیچ‌های استاتور موتور عبور کند. نکته مهم اینکه همواره و به طور خاص در بارهایی که راه‌اندازی دشواری دارند، توجه به جریان نامی اولویت بیشتری نسبت به توان مصرفی موتور دارد. بنابراین بایستی دقت شود که جریان خروجی اینورتر بیش از جریان بار کامل موتور باشد، در غیر این صورت مشکلات عملیاتی ایجاد خواهد شد.

3) سرعت نامی موتور

همان طور که گفته شد استفاده از اینورتر به ما این امکان را می‌دهد تا سرعت موتور را روی مقادیری کمتر یا بیشتر از سرعت نامی آن تنظیم کنیم. بنا به معادله زیر، سرعت یا دور موتور موتور (بر حسب RPM) با فرکانس کاری آن رابطه مستقیم و با تعداد قطب‌ها نسبت عکس دارد:

بنابراین مخصوصا در موتورهای با دور بالا، بایستی اینورتر توانایی تولید این فرکانس را داشته باشد.

عوامل موثر در انتخاب اینورتر

پیش از راه‌اندازی موتور با اینورتر، باید به چند پارامتر اصلی و مهم توجه کنیم تا انتخاب درست و بهینه‌ای داشته باشیم. انتخاب نادرست درایو ممکن است عواقب جدی برای اینورتر و الکتروموتور داشته باشد و صدمات و خسارات قابل توجهی را به بار آورد.

یک . نوع برق ورودی و ولتاژ شبکه 

اینورترها در دو نوع تک فاز و سه فاز ساخته می‌شوند. اینورتر تک فاز، ولتاژ ورودی 220 ولت تک فاز را به 220 ولت سه فاز تبدیل می نماید و در موتورهایی که ولتاژ ورودی آن‌ها 220 ولت سه فاز است و یا قابلیت تنظیم به صورت 220 ولت سه فاز را دارا است استفاده می‌شود. نوع دیگر اینورترها مدل سه فاز است که ولتاژ سه فاز 380 ولت را در ورودی دریافت می‌کند و ولتاژ 380 ولت سه فاز را در خروجی تحویل می‌دهد. این مدل اینورتر برای الکتروموتور سه فاز با ولتاژ 380 ولت مناسب است. 

نکته 1 : برندهای اندکی وجود دارند که اینورترهایی با ولتاژ ورودی 220 ولت تک فاز و ولتاژ خروجی 380 ولت سه فاز تولید می‌کنند و در توان‌های محدودی عرضه می‌شوند. جهت مشاوره و خرید اینورتر با کارشناسان کالاصنعتی در ارتباط باشید.

نکته 2 : به طور کلی برای الکتروموتورهای تک فاز اینورتری تولید نمی‌شود. تنها، برند اینوت است که اینورترهایی با ولتاژ ورودی 220 ولت تک فاز و ولتاژ خروجی 220 ولت تک فاز تولید می‌کند. البته این اینورتر هم دور خروجی مناسبی تحویل نمی‌دهد و در بعضی از موتورهای تکفاز کاربردی ندارد.

دو. مشخصات موتور

مشخصات فنی موتور از قبیل توان، جریان نامی یا بار کامل و سرعت یا دور، موارد مهمی هستند که بایستی پیش از انتخاب اینورتر به خوبی بررسی شوند. در بخش قبلی توضیح کاملی در این خصوص داده شد.

سه. شرایط و الزامات پروژه

معمولا هر پروژه، شرایط و اقتضائات مهم و خاص خود را دارد که بایستی در طراحی‌ها به خوبی لحاظ شوند. برای مثال در زیر به چند مورد از پارامترهای اینورتر که بسته به شرایط پروژه، باید در هنگام انتخاب درایو به آن توجه داشت، اشاره شده است:

1. نوع کنترل: اینورترها دارای دو مد کنترلی ولتاژ به فرکانس (V/F: Voltage per Frequency) و کنترل برداری (Vector Control) هستند که بر اساس آن قادرند تنظیم سرعت و گشتاور را متناسب با نیازهای پروژه انجام دهند. بررسی کنید که کدام مد کنترلی می‌تواند نیازهای شما را برآورده کند.
2. قابلیت‌های حفاظتی: بررسی کنید که آیا اینورتر دارای قابلیت‌های حفاظتی مناسب مانند حفاظت از برد الکترونیکی، حفاظت در برابر جریان بیش از حد و حفاظت در برابر ولتاژ نامناسب هست.
3. رابط‌ها و اتصالات: بررسی کنید که اینورتر دارای رابط‌ها و اتصالات مناسب برای اتصال به سیستم کنترل موتور است. همچنین، بررسی کنید که آیا درایو قابلیت اتصال به شبکه و یا سیستم‌های اتوماسیون صنعتی مانند PLC و HMI را داراست.

چهار. نوع بار (نیاز به گشتاور ثابت یا متغیر)

الکتروموتور برای چرخاندن باری که به آن متصل است بایستی گشتاور تولید کند. این گشتاور ممکن است ثابت یا متغیر باشد.

الف. گشتاور ثابت

در بارهای گشتاور ثابت، گشتاور تابعی از سرعت نیست و با تغییر سرعت، گشتاور ثابت می‌ماند. بارهای گشتاور ثابت باعث می‌شوند در سرعت‌های پایین، موتورها در مقایسه با کاربردهای گشتاور متغیر، جریان نسبتاً زیادی را بکشند. در این موارد اینورتر می‌تواند یک گشتاور راه‌اندازی بالا (1.5 برابر یا بیشتر از نرخ اسمی) را برای غلبه بر اصطکاک و اینرسی بار فراهم کند.

نوار نقاله، آسانسور، جرثقیل، میکسر و بالابر، نمونه‌هایی از بارهای با گشتاور ثابت هستند.

ب. گشتاور متغیر

در بارهای گشتاور متغیر، مقدار گشتاور متناسب با سرعت موتور تغییر می‌کند. در زمان راه‌اندازی و سرعت‌های کم، نیاز به گشتاور هم کم است و با افزایش سرعت، گشتاور با نسبت توان دو سرعت افزایش می‌یابد، یعنی اگر سرعت دو برابر شود، گشتاور چهار برابر می‌شود.

پمپ‌ها، فن‌ها و دمنده‌ها نمونه‌هایی از بارهای گشتاور متغیر هستند که در آن‌ها با افزایش سرعت، موتور جریان بیشتری از اینورتر می‌گیرد تا بتواند گشتاور مورد نیاز را تحویل دهد.

پنج. شرایط محیطی

در راه‌اندازی موتور با اینورتر، شرایط محیطی بایستی به خوبی بررسی شود. برای مثال حداکثر دمای محیطی که اکثر درایوها قابلیت نصب را دارند 40 تا 50 درجه سانتیگراد است. با افزایش دما، اینورتر توان کمتری را تحویل می‌دهد. همچنین در صورتی که ارتفاع از سطح دریا از 1000 متر بیشتر شود تهویه و خنک کاری دشوارتر می‌شود و می‌بایست رنج توانی درایو انتخابی افزایش یابد. 

یکی دیگر از عوامل تاثیرگذار در انتخاب درایو ، ضریب نفوذ پذیری جامدات و مایعات و یا IP آن است. IP سیستم یک عدد دو رقمی است که رقم اول میزان نفوذپذیری در برابر ورود جامدات و رقم دوم میزان نفوذ پذیری در برابر مایعات را نشان می‌دهد. برای مثال اگر IP تجهیز 68 باشد به این معنا است که در برابر نفوذ گرد و غبار و غوطه ور شدن در عمق زیاد آب مقاوم است.

شش. محدودیت‌های اقتصادی و شرایط بازار

هر پروژه بودجه محدودی دارد که بایستی در انتخاب اینورتر لحاظ شود. همچنین برخی اینورترها گارانتی ضعیفی دارند و پشتیبانی آن‌ها پاسخگوی مشکلات درایو نمی‌باشد که این موارد از ضعف‌های درایو به حساب می‌آید.

ابزار و تجهیزات مورد نیاز برای نصب اینورتر

به منظور بهبود عملکرد و افزایش عمر اینورتر و نیز سهولت کار، بهتر است برخی تجهیزات جانبی به اینورترها اضافه شوند.

1) راکتور یا چوک ورودی: این قطعه از اینورتر در برابر تغییرات ناگهانی ولتاژ ورودی محافظت می‌کند. همچنین از آنجا که استفاده از اینورتر باعث ایجاد هارمونیک‌هایی در شبکه می‌شود که بر عملکرد دستگاه‌های دیگر تاثیر می‌گذارد، چوک ورودی که یک سیم‌پیچ (سلف) است این هارمونیک‌ها را حذف یا محدود می‌کند و ضریب توان (pf) را نیز بهبود می‌بخشد. 

2) راکتور یا چوک خروجی: این قطعه که بین اینورتر و موتور نصب می‌شود به منزله یک فیلتر عمل می‌کند که جریان نشتی ناشی از هارمونیک‌های بالاتر خروجی را کاهش می‌دهد، نویز موتور را کاهش و عمر آن را افزایش می‌دهد. به طور کلی چوک خروجی عملکرد پایدارتر و راندمان بالاتر موتور را تضمین می‌کند.

3) کلید اتومات یا کلید مینیاتوری (قطع کننده مدار یا بریکر): این قطعه سوئیچینگ در شرایط عادی، جریان را عبور می‌دهد و در حالت اضافه بار یا اتصال کوتاه، جریان را قطع و از اینورتر محافظت می‌کند. 

4) مقاومت ترمز: در دستگاه‌هایی مانند آسانسور یا جرثقیل که لازم است موتور در زمان کوتاهی متوقف شود انرژی جنبشی موتور به انرژی الکتریکی تبدیل و موتور تبدیل به ژنراتور می‌شود. این ولتاژ برگشتی از موتور می‌تواند به درایو آسیب برساند، پس بایستی در یک مقاومت به گرما تبدیل شود.

5) فیلتر کننده نویز (فیلتر EMI): در بیشتر اینورترها یک فیلتر داخلی وجود دارد اما چنانچه نویز ایجاد شده در اینورتر زیاد باشد، از یک فیلتر نویز خارجی استفاده می‌شود. نویزهای ایجاد شده در اینورتر ممکن است روی تجهیزات مخابراتی و ارتباطی حساس در اطراف آن ایجاد تداخل کند. بنابراین فیلتری بین چوک ورودی و اینورتر (تا حد امکان نزدیک به اینورتر) قرار می‌گیرد تا نویزهای الکترومغناطیسی ایجاد شده را تضعیف یا حذف کند.

نحوه سربندی و راه‌اندازی موتور با اینورتر

سیم‌کشی اینورترها مانند دیگر تجهیزات صنعتی، به دو بخش مدار فرمان و مدار قدرت تقسیم می‌شود. مدار فرمان شامل قسمت‌های فرمان‌دهی و کنترلی مدار است و وظیفه برق‌دار کردن مدار قدرت (اینورتر و الکتروموتور) را بر عهده دارد.
مدار قدرت شامل دو بخش است: برق ورودی تا اینورتر و از اینورتر تا موتور.

همان طور که در بخش قبلی بررسی کردیم، در سیم‌کشی از برق ورودی تا اینورتر، بسته به شرایط، از تجهیزات مختلفی استفاده می‌شود. با این حال در فاصله بین اینورتر تا موتور، در صورت زیاد بودن مسافت، در مسیر سیم‌کشی، چوک خروجی و فیلتر کننده نویز (در صورتی که خود اینورتر فیلتر داخلی نداشته باشد) قرار داده می‌شود.

در سربندی موتور با اینورتر، کابل انتخاب شده را از ترمینال‌های خروجی اینورتر به ورودی الکتروموتور وصل می‌کنیم. البته بایستی نوع سربندی ستاره یا مثلث موتور را مورد نظر قرار داد.

مهم ترین پارامترهای اینورتر 

برای راه‌اندازی موتور با اینورتر بایستی پارامترهای اینورتر را مدنظر قرار داد. برخی از مهم‌ترین پارامترهای اینورتر عبارتند از:

الف. روش کنترلی

منظور از روش کنترلی این است که اینورتر دقیقا قرار است از چه روش کنترلی استفاده کند؛ کنترل سرعت، گشتاور یا کنترل حلقه بسته. بر این مبنا، اقدامات و تنظیمات لازم برای سیستم انجام می‌شود.

ب. حداقل فرکانس کاری

منظور، کمترین سرعتی است که موتور حرکتی می‌کند. کار کردن موتور در سرعت پایین باعث می‌شود گرمای موتور به خوبی دفع نشود و در طولانی مدت، موتور بسوزد. علاوه بر این کابل هم گرم می‌شود.

پ. حداکثر فرکانس کاری

اینورتر با افزایش فرکانس خروجی، سرعت موتور را افزایش می‌دهد. باید توجه داشت که قطعات مکانیکی موتورهای عادی، توانایی کار کردن در سرعت‌های بالاتر از حد تعیین شده را در زمان طولانی ندارند.

ت. فرکانس کریر

منظور از فرکانس کریر، نرخ روشن و خاموش شدن یا سوییچ کردن ترانزیستورهای قدرت داخلی اینورتر (IGBT) برای ایجاد ولتاژ و فرکانس متغیر در خروجی درایو است.

مقدار این فرکانس معمولا بین 4 کیلو تا 16 کیلوهرتز است. هرچه فرکانس کریر بیشتر باشد موتور با صدای کمتری کار می‌کند. با این حال در صورتی که طول کابل بین اینورتر و موتور زیاد باشد، جریان نشتی هارمونیک باعث تلفات و ایجاد گرما در موتور می‌شود و ممکن است به تدریج به سیم‌پیچ‌ها و یاتاقان‌ها صدمه بزند.

ث. زمان شتاب

منظور از این پارامتر اینورتر، مدت زمانی است که لازم است موتور از فرکانس 0 به بیشترین فرکانس، یا از بیشترین فرکانس به فرکانس 0 برسد. سرعت این تغییرات بایستی محدود باشد تا از اضافه جریان (در حالت اول ACC) و اضافه ولتاژ (در حالت دوم DEC) جلوگیری شود.

ج. جبران گشتاور

در سرعت‌های پایین در هنگام راه‌اندازی موتور، به علت مقاومت سیم‌پیچ استاتور گشتاور کاهش زیادی می‌یابد. بنابراین بعضی از درایوها به طور خودکار در هنگام راه‌اندازی ولتاژ موتور را افزایش می‌دهند تا به شکلی نرم، سرعت بگیرد.

چ. حفاظت گرمایی اضافه بار

پردازنده داخلی اینورتر مقدار جریان و فرکانس کاری موتور می‌تواند افزایش دمای موتور را محاسبه و از گرم شدن بیش از حد آن جلوگیری کند.

جمع بندی

همان طور که گفتیم امروزه هرجا که نامی از الکتروموتور برده می‌شود معمولا نیاز به حضور اینورتر هم احساس می‌شود. در این مقاله درباره مزایای استفاده از اینورتر و کاربردهای آن صحبت کردیم. مهم‌ترین وظیفه اینورتر کنترل سرعت موتورها است و برای این کار از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. همچنین عوامل موثر در انتخاب اینورتر و نیز سیم‌کشی و سربندی آن را بررسی کردیم.