اینورتر VFD و نحوه عملکرد آن

VFD چیست؟ امروزه در بسیاری از صنایع و کارخانجات برای کاهش مصرف انرژی و افزایش میزان کارایی چرخه تولید از اینورترهای VFD استفاده می شود. در این مقاله قصد داریم به معرفی اینورهای VFD  بپزداریم که به درایو فرکانس متغیر نیز شناخته می شوند. همچنین کاربرد VFD و مزیت های این نوع اینورتر و ساختار آن را بررسی خواهیم کرد.

درایو فرکانس متغیر (Variable frequency Drive) یا اینورتر VFD چیست؟

درایو فرکانس متغیر یا Variable Frequency Drive به صورت مخفف VFD نامیده می شود. درایو فرکانس متغیر (VFD) نوعی کنترل‌کننده موتور است که با تغییر فرکانس و ولتاژ ورودی به الکتروموتور، سرعت و گشتاور آن را کنترل می‌کند. این درایوها به نام‌های مختلفی نظیر درایو سرعت متغیر، درایو AC، میکرودرایو و اینورتر نیز شناخته می‌شوند. اولین بخش درایو AC فرکانس متغیر، کانورتر است که از شش دیود تشکیل شده است. این دیودها مانند شیرهای یک طرفه عمل می‌کنند و تنها اجازه عبور جریان در یک جهت را می‌دهند. به عنوان مثال، زمانی که ولتاژ فاز A مثبت‌تر از فازهای B یا C باشد، دیود مربوط به فاز A باز می‌شود و جریان برقرار می‌گردد.

وقتی فاز B مثبت‌تر از فاز A شود، دیود فاز B فعال می‌شود و دیود فاز A بسته می‌شود. این فرآیند برای دیودهای موجود در بخش منفی نیز صدق می‌کند. به این ترتیب، با روشن و خاموش شدن دیودها، شش پالس جریان تولید می‌شود. این روش به عنوان VFD شش پالس شناخته می‌شود و یک ترکیب استاندارد در درایوهای فرکانس متغیر جریان محسوب می‌شود.

با تغییر فرکانس، سرعت موتور به صورت مستقیم تحت تأثیر قرار می‌گیرد؛ به این ترتیب، فرکانس بالاتر موجب افزایش سرعت موتور و RPM می‌شود. در کاربردهایی که نیاز به کارکرد در سرعت کامل نیست، VFD می‌تواند فرکانس و ولتاژ را کاهش دهد تا با نیاز بار موتور هماهنگ شود. همچنین، در صورت تغییر نیاز سرعت، این درایو به راحتی می‌تواند سرعت موتور را تنظیم کند.

تاریخچه VFD

درایو فرکانس متغیر (VFD) به عنوان یک نوع درایو برای موتورهای AC، امکان کنترل سرعت و گشتاور را از طریق تغییر فرکانس برق ورودی فراهم می‌کند. این درایوها علاوه بر کنترل سرعت، می‌توانند در سرعت‌های پایین به عملکرد مشابهی با موتورهای جریان مستقیم دست یابند و در بسیاری از کاربردها، موتورهای AC قفس‌سنجابی را به جای موتورهای DC به کار ببندند. VFDها با توپولوژی‌های مختلف طراحی شده‌اند و بسته به نوع طراحی، کنترل ولتاژ یا جریان را انجام می‌دهند.

ساختار سیستم VFD

درایو فرکانس متغیر شامل سه زیرسیستم اصلی است: موتور AC، کنترل‌کننده و رابط کاربری. این اجزا به همکاری با یکدیگر امکان کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتور را فراهم می‌آورند. موتور AC انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند، کنترل‌کننده وظیفه مدیریت و تنظیم فرکانس و ولتاژ اعمال‌شده به موتور را بر عهده دارد و رابط کاربری به کاربر این امکان را می‌دهد که تنظیمات و پارامترهای مورد نظر را اعمال کند و وضعیت سیستم را مشاهده کند.

۱- موتور جریان متناوب

 در سیستم‌های VFD، معمولاً از موتورهای القایی سه فاز به عنوان موتور الکتریکی جریان متناوب استفاده می‌شود. این موتورها به دلیل مقرون به صرفه بودن و عملکرد مناسب، گزینه‌ای محبوب هستند. در برخی موارد، موتورهای تک فاز یا سنکرون نیز می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند، اما موتورهای القایی سه فاز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرند. موتورهایی که برای کارکرد با سرعت ثابت طراحی شده‌اند، معمولاً در این سیستم‌ها به کار می‌روند. به دلیل تنش‌های ولتاژ بالایی که بر این موتورها اعمال می‌شود، طراحی آن‌ها باید با رعایت الزامات مشخصی مانند بخش ۳۱ استاندارد NEMA MG-1 انجام گیرد تا از عملکرد صحیح و ایمنی آن‌ها اطمینان حاصل شود.

۲- کنترلر VFD

درایو فرکانس متغیر شامل یک سیستم تبدیل الکترونیک قدرت است که از سه زیرسیستم اصلی تشکیل شده: مبدل پل یکسوساز، بخش ارتباطی DC و اینورتر. درایوهای VSI (اینورتر منبع ولتاژ) به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و بیشتر آن‌ها درایوهای AC-AC هستند که ورودی AC را به خروجی AC تبدیل می‌کنند. در برخی موارد، مانند کاربردهای خورشیدی یا گذرگاه DC، درایوها به صورت DC-AC پیکربندی می‌شوند. مبدل یکسو کننده اولیه برای درایو VSI معمولاً به صورت یک پل دیودی سه فاز و شش پالسی طراحی می‌شود. بخش ارتباطی DC شامل یک خازن است که ولتاژ DC خروجی مبدل را صاف کرده و به اینورتر ورودی پایدار می‌دهد. این ولتاژ DC سپس به کمک عناصر کلیدزنی اینورتر به خروجی AC شبه سینوسی تبدیل می‌شود. درایوهای VSI دارای ضریب توان بالاتر و اعوجاج هارمونیک کمتری نسبت به سایر انواع اینورترها هستند. همچنین، کنترل کننده درایو می‌تواند به عنوان مبدل فاز با ورودی تک فاز و خروجی سه فاز تنظیم شود.

۳- رابط کاربری

رابط کاربری وسیله ای را برای اپراتور فراهم می کند تا موتور را روشن و خاموش کند و سرعت کار را تنظیم کند. VFD همچنین ممکن است توسط یک کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر از طریق مودباس Modbus یا یک رابط مشابه دیگر کنترل شود. عملکردهای اضافی کنترل اپراتور ممکن است شامل معکوس کردن، و تغییر بین تنظیم سرعت دستی و کنترل خودکار از سیگنال کنترل فرایند خارجی باشد. رابط اپراتور اغلب شامل یک نمایشگر حرفی‌عددی یا چراغ های نشانگر و نشان دهنده مقادیر برای ارائه اطلاعات در مورد عملکرد درایو است. صفحه کلید رابط کاربری و واحد نمایش اغلب در جلوی کنترلر VFD همانطور که در عکس بالا نشان داده شده است، ارائه می شود. نمایشگر صفحه کلید اغلب می تواند به یک کابل متصل شود و در فاصله کوتاهی از کنترلر VFD نصب شود. اکثر آنها همچنین دارای پایانه های ورودی/خروجی (I/O) برای اتصال دکمه های فشاری، سوئیچ ها و سایر دستگاه های رابط کاربری یا سیگنال های کنترلی هستند. یک پورت ارتباط سریال نیز اغلب در دسترس است تا به VFD اجازه پیکربندی، تنظیم، نظارت و کنترل با استفاده از رایانه را بدهد.

نحوه عملکرد اینورتر VFD چگونه است؟

بخش کلیدی در درایو فرکانس متغیر، مبدل است که از شش دیود تشکیل شده است. این دیودها تنها اجازه عبور جریان الکتریکی در یک جهت خاص را می‌دهند. به عنوان مثال، زمانی که ولتاژ فاز A بیشتر از ولتاژهای فاز B یا C باشد، دیود مربوط به فاز A باز می‌شود و جریان جاری می‌شود. وقتی که ولتاژ فاز B بیشتر از فاز A باشد، دیود فاز B باز و دیود فاز A بسته می‌شود. این روند برای سه دیود دیگر نیز صادق است و در نتیجه شش پالس جریانی به وجود می‌آید که ناشی از باز و بسته شدن مسیر جریان توسط دیودهاست. این پیکربندی استاندارد درایوهای فرکانس متغیر مدرن به حساب می‌آید.

درایو متصل به ولتاژ ۴۸۰ ولت معمولاً مقدار مؤثر یا RMS ولتاژ شهری را نشان می‌دهد. در کشور ایران، این مقدار مؤثر برابر با ۶۷۹ ولت است، که به بیان دیگر نشان‌دهنده رابطه بین ولتاژ پیک و RMS در یک موج سینوسی است. باس DC اینورتر ولتاژی با ریپل AC دارد که بسته به طراحی و بار، معمولاً در محدوده ۵۸۰ تا ۶۸۰ ولت نوسان می‌کند. این نوسانات در ولتاژ DC می‌توانند ناشی از فرآیند تبدیل و بار متصل به سیستم باشند.

برای کاهش ولتاژ در یک درایو فرکانس متغیر، می‌توان به تنظیم نسبت ولتاژ به فرکانس (V/Hz) توجه کرد. اگر فرکانس موتور را به ۳۰ هرتز کاهش دهید، باید ولتاژ نیز به ۲۴۰ ولت برسد تا این نسبت حفظ شود. در صورتی که ولتاژ ورودی شما ۶۵۰ ولت DC باشد، می‌توانید از روش‌های مختلفی برای کاهش ولتاژ استفاده کنید، از جمله:

• استفاده از مبدل‌های DC-DC: می‌توانید از مبدل‌های کاهنده (Buck Converter) برای کاهش ولتاژ DC به سطح مورد نیاز استفاده کنید.
• تنظیمات PWM: با تغییر فرکانس و عرض پالس‌های PWM، می‌توانید ولتاژ متوسط خروجی را کاهش دهید.
• استفاده از فیلترهای RC یا LC: این فیلترها می‌توانند به کاهش ولتاژ موثر کمک کنند و شکل موج را بهبود بخشند.

با استفاده از این روش‌ها، قادر خواهید بود ولتاژ متوسط مورد نیاز را با توجه به شکل موج و مقدار پیک تولید کنید.

انواع VFD چیست؟

انعکاس منبع جریان (CSI)

اینورتر منبع جریان (CSI) به‌گونه‌ای طراحی شده است که بر اساس جریان عمل کند و به جای ولتاژ، به جریان وابسته است. در مقایسه با اینورتر منبع ولتاژ (VSI)، CSI می‌تواند انرژی خروجی را با استفاده از القاگرهای سری، به عنوان جایگزینی برای خازن‌ها، هموار کند. در این نوع اینورتر، از مبدل پل تریستور (SCR) به جای یکسوکننده پل دیود استفاده می‌شود. نوع CSI از VFDها مانند ژنراتورهای جریان ثابت عمل می‌کنند و قادر به تولید موج مربع جریان هستند، به جای اینکه فقط ولتاژ را به شکل موج مربعی ارائه دهند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که CSI به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق جریان دارند، مفید باشد.

انعکاس منبع ولتاژ (VSI)

اینورتر منبع ولتاژ VSI یکی از پرکاربردترین انواع درایورهای فرکانس متغیر است. در این سیستم، ابتدا با استفاده از پل دیود، سیگنال AC به DC تبدیل می‌شود و خازن برای ذخیره انرژی به کار می‌رود. سپس مدار سوئیچینگ اینورتر با استفاده از انرژی ذخیره‌شده در خازن، خروجی لازم را تأمین می‌کند. این روش به کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتور کمک می‌کند و در کاربردهای صنعتی بسیار رایج است.

مدولاسیون عرض پالس (PWM)

این نوع VFD یک نسخه بهبود یافته از VSI است که با استفاده از تکنیک مدولاسیون عرض پالس (PWM) عمل می‌کند. این تکنیک به VFDها این امکان را می‌دهد که ولتاژ پایدار و متناسب با فرکانس ارائه دهند. در این ساختار، از یک پل دیود برای اصلاح سیگنال AC به DC استفاده می‌شود. مدار سوئیچینگ به کنترل چرخه وظیفه در محدوده فرکانس متغیر می‌پردازد و یک تنظیم‌کننده اضافی برای بهینه‌سازی خروجی PWM به کار می‌رود تا ولتاژ و جریان مناسبی به بار تأمین شود.

مزیت های درایو فرکانس متغیر VFD کدامند؟

خوب شاید دوست داشته باشید بدانید دلایل استفاده از VFD چیست و چه مزایایی به همراه دارد.

1. پایین آوردن هزینه های مصرف انرژی: استفاده از درایورهای فرکانس متغیر (VFD) امکان کاهش هزینه‌ها و مصرف انرژی را فراهم می‌کند. در صورتی که دستگاه به سرعت کامل نیاز نداشته باشد، می‌توان با کنترل موتور از طریق VFD، هزینه‌های انرژی را به طرز قابل توجهی کاهش داد. این رویکرد نه تنها به صرفه‌جویی اقتصادی کمک می‌کند، بلکه می‌تواند برای بهینه‌سازی عملکرد سیستم نیز بسیار مؤثر باشد. در نتیجه، استفاده از VFD به عنوان یک راهکار مفید و سودآور شناخته می‌شود.
2. بالا رفتن میزان تولید و مدیریت آن: استفاده از VFD در صنایع موجب کاهش اشتباهات و افزایش تولید محصولات می‌شود که در نهایت به افزایش درآمد شرکت کمک می‌کند. به ویژه در صنایع معدنی و کارخانجات بزرگ، نصب VFD بر روی سیستم‌های کانوایر، نوار نقاله و تسمه‌ها باعث حذف ضربه‌های راه‌اندازی می‌شود و سرعت انجام عملیات را افزایش می‌دهد. این بهبودها نه تنها کارایی را افزایش می‌دهد بلکه هزینه‌های انرژی را نیز کاهش می‌دهد و به بهره‌وری بیشتر کمک می‌کند.
3. کم کردن قیمت هزینه های نگهداری و بالا بردن طول عمر دستگاه ها: سهولت در نصب استفاده از VFD به افزایش عمر قطعات دستگاه و کاهش نیاز به تعمیرات و نگهداری کمک می‌کند. این به دلیل کنترل بهینه فرکانس و ولتاژ است که VFD فراهم می‌آورد. این درایو با تنظیم دقیق سرعت موتور، شرایط ایده‌آلی برای عملکرد دستگاه ایجاد می‌کند. این ویژگی‌ها به حفاظت مؤثر از موتور نیز منجر می‌شود، از جمله جلوگیری از اضافه بارهای حرارتی، نوسانات ولتاژ، و حفاظت از فاز. به این ترتیب، VFD نه تنها کارایی دستگاه را بهبود می‌بخشد، بلکه به حفظ سلامت و طول عمر آن نیز کمک می‌کند.

کاربرد درایو VFD در صنعت

• کنترل سرعت موتورها در خطوط تولید.
• بهینه‌سازی مصرف انرژی در دستگاه‌های صنعتی مانند پمپ‌ها و فن‌ها.
• استفاده در سیستم‌های تهویه و تهویه مطبوع.
• کنترل سرعت و تغییرات فرکانس در دستگاه‌های CNC و ربات‌ها.
• استفاده در سیستم‌های نقل و انتقال مواد مانند نوارهای نقاله.
• کاربرد در صنایع خودروسازی برای تنظیم سرعت موتورها و سیستم‌های ترمز.
• کنترل سرعت و گشتاور در پمپ‌ها و فن‌های استخراج مواد معدنی.
• استفاده در سیستم‌های تولید برق از منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید

ویژگی های یک VFD با کیفیت

• فرکانس خروجی: مطمئن شدن از تطابق فرکانس خروجی اینورتر با فرکانس نامی موتور، برای عملکرد بهینه و جلوگیری از آسیب به موتور بسیار حیاتی است. این تطابق باعث می‌شود که موتور در شرایط مناسب کار کند و از ایجاد اضافه بارهای حرارتی و مشکلات دیگر جلوگیری شود. این ویژگی در VFD به کنترل دقیق فرکانس و ولتاژ کمک می‌کند و به افزایش عمر مفید موتور و کاهش نیاز به تعمیرات کمک می‌کند.
• میزان ولتاژ دریافتی و خروجی: تطابق ولتاژ ورودی و خروجی اینورتر با ولتاژ شبکه و ولتاژ نامی موتور از اهمیت بالایی برخوردار است. این همخوانی باعث می‌شود که عملکرد موتور بهینه باشد و از آسیب‌های احتمالی ناشی از ناهماهنگی ولتاژ جلوگیری شود. همچنین، این تطابق به حفظ کارایی سیستم و افزایش عمر مفید تجهیزات کمک می‌کند. استفاده از اینورترهایی که ولتاژ مناسب را فراهم می‌کنند، به بهبود عملکرد کلی سیستم و کاهش مشکلات مرتبط با نوسانات ولتاژ می‌انجامد.
• درجه حفاظت IP: اینورتر باید دارای حفاظت‌های لازم در برابر اضافه بار، کاهش ولتاژ، افزایش دما و سایر خطرات باشد.
• تعدد آپشن ها: وجود قابلیت‌های اضافی مانند ارتباط شبکه‌ای و کنترل از راه دور می‌تواند تأثیر زیادی در انتخاب اینورتر داشته باشد. این ویژگی‌ها به کاربران این امکان را می‌دهند که عملکرد سیستم را به‌راحتی مدیریت کرده و در صورت نیاز، تنظیمات را از راه دور تغییر دهند. همچنین، ارتباط شبکه‌ای می‌تواند به جمع‌آوری داده‌ها و نظارت بر عملکرد دستگاه کمک کند که به بهینه‌سازی فرآیندها و افزایش کارایی منجر می‌شود. این قابلیت‌ها همچنین می‌توانند به راحتی در یک سیستم اتوماسیون صنعتی یکپارچه شوند و به تسهیل در مدیریت و کنترل سیستم‌های پیچیده کمک کنند.

نکات لازم برای تعمیر و نگهداری درایو فرکانس متغیر VFD

یکی از بهترین روش های نگهداری VFD بررسی مداوم آن در فواصل زمانی منظم است. بهتر است اینورتهای VFD را در شرایط محیطی تمیز بدون آلودگی های حاصل از گرد و غبار در محیطی خشک و با تهویه ای مناسب نگهوداری شوند.

VFD چه تفاوتی با اینورتر و درایو دارد؟

در مورد تفاوت‌های این سه عبارت، می‌توان گفت که “درایو” به‌طور کلی به هر دستگاهی اشاره دارد که برای کنترل موتورها و دستگاه‌های الکتریکی به کار می‌رود. “VFD” نوع خاصی از درایو است که با تغییر فرکانس، سرعت موتور را کنترل می‌کند و به کاربر این امکان را می‌دهد که سرعت را به دلخواه تنظیم کند. در عوض، “اینورتر” معمولاً به دستگاه‌هایی اطلاق می‌شود که ولتاژ DC را به AC تبدیل می‌کنند و می‌توانند به‌عنوان بخشی از یک VFD عمل کنند. در نتیجه، VFD نوعی اینورتر است که به‌طور خاص برای کنترل سرعت موتورها طراحی شده است.

چگونه بهترین VFD را انتخاب کنیم؟

کنترل سرعت و عملکرد موتورهای الکتریکی با استفاده از درایوها، به ویژه VFDها، به بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش کارایی کمک می‌کند. برای انتخاب VFD مناسب، در نظر گرفتن نیازهای خاص سیستم و برنامه کاربردی ضروری است. نکاتی مانند توان مورد نیاز، نوع موتور، شرایط محیطی و ویژگی‌های کنترلی لازم باید مدنظر قرار گیرد. همچنین، بررسی قابلیت‌های اضافی مانند ارتباطات شبکه‌ای و امکانات مانیتورینگ می‌تواند در انتخاب بهینه موثر باشد. با دقت در این موارد، می‌توان بهترین گزینه را برای بهره‌وری و عملکرد مطلوب انتخاب کرد.

سخن نهایی

در این مقاله توضیح دادیم اینورتر VFD چیست و چگونه کار می کند. خوشبختانه برندهای مطرحی در زمینه تولید این محصول فعالیت دارند که از محبوب ترین آنها می توان اینورتر زیمنس، درایو ABB و ایتان مولر را نام برد که تمامی آنها در مارش شاپ قابل تامین می باشند. جهت خرید اینورتر یا دریافت مشاوره رایگان قبل از خرید لطفا از طریق شماره ۰۲۱۹۱۰۹۹۲۲۰ با کارشناسان ما در تماس باشید.

سوالات متداول

نام های دیگر VFD چیست؟

اینورتر VFD با نام های دیگری نظیر درایو سرعت متغیر، درایو فرکانس قابل تنظیم، میکرودرایور، درایو سرعت قابل تنظیم و درایو ACنیز شناخته می شود.

اینورتر VFD چیست؟

اینورتر یک دستگاه الکترونیکی است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند.

vfd مخفف چیست؟

درایو فرکانس متغیر یا Variable Frequency Drive به صورت مخفف VFD نامیده می شود.

کاربران محتواهای زیر را نیز خوانده اند...

اینورتر صنعتی چیست؟| همه چیز در مورد اینورتر چگونه بهترین اینورتر را انتخاب کنیم؟ | راهنمای خرید بررسی و مقایسه تفاوت اینورتر و درایو خطاهای اینورتر لیست انواع خطاهای اینورتر دلتا سری ۲۰۰۰ و VFD-B روش های نگهداری اینورتر (درایو فرکانس متغیر) و افزایش طول عمر آن دلایل خرابی اینورتر و سوختن آن ساختار مدار داخلی اینورتر و نحوه عملکرد آن