شرح انفرتر VFD وطريقة عمله

لسنوات عديدة، كان التحدي الرئيسي لبعض التطبيقات التي تعمل بالمحركات هو عدم القدرة على التحكم في سرعتها. ونتج عن ظهور إلكترونيات القدرة تطوير طرق التحكم في سرعة المحركات باستخدام مغيرات التردد VFD. تُستخدم VFD على نطاق واسع في العديد من التطبيقات في الوقت الحاضر. لما تمتلك من وظائف وقدرات تشغيل أكبر مقارنة بأجهزة التحكم بالمحركات التقليدية مثل السوفت ستارتر أو دائرة ستار دلتا.

محتويات

ما هو الـ VFD؟

مغير التردد (VFD) اختصار variable frequency drive ويسمى الانفرتر هو جهاز مصنوع من أشباه الموصلات يقوم بالتحكم في سرعة وعزم دوران المحرك الكهربائي عن طريق تغيير التردد والجهد لمصدر الطاقة الداخل للمحرك. ويقوم أيضًا بالتحكم في تشغيل وإيقاف المحرك بشكل سلس.

يمكن لجهاز الـ VFD التحكم بسرعة المحرك من خلال تغيير قيمة التردد لأن العلاقة بين التردد والسرعة طردية كما في المعادلة التالية

N=120f/p

حيث N سرعة الدوران(دورة لكل دقيقة)، f تردد المصدر (هيرتز)، p عدد أقطاب المحرك.

على الرغم من أن ال VFD يتحكم في تردد وفولتية الطاقة الداخلة للمحرك، فإننا غالبًا ما نشير إلى ذلك باسم التحكم في السرعة، لأن النتيجة هي تعديل سرعة المحرك بواسطة تغيير التردد والجهد.

كيف يعمل VFD؟

بشكل أساسي، يأخذ VFD الجهد المتردد ويحوله إلى جهد مستمر بواسطة دائرة تقويم، ويقوم بفلترة جهد التيار المستمر، ثم يحول الجهد المستمر مرة أخرى إلى جهد متردد بواسطة دائرة العاكس. عادة ما يكون تردد خرج الجهاز من 0 إلى تردد المصدر، ويمكنه أيضًا زيادة التردد إلى قيم أعلى من قيمة تردد المصدر، وبالتالي يمكنه التحكم بالسرعة للمحرك بواسطة تغيير قيمة التردد.

وقد تتساءل لماذا يقوم الـ VFD بتحويل الجهد من متردد إلى مستمر ثم إلى متردد؟ الغرض من هذه التحويلات هي الحصول على تردد متغير وأبسط طريقة لهذا هي تحويل الجهد المتردد إلى مستمر ومن ثم يمكن تغيير التردد عند تحويل الجهد المستمر إلى متردد مرة أخرى بواسطة دائرة العاكس.

تُستخدم الـ VFD في التطبيقات التالية:

في التطبيقات التي تتطلب التحكم الكامل في السرعة.
عند الحاجة لتوفير الطاقة.
التطبيقات التي تتطلب تحكم خاص.

تركيب الـ VFD

بشكل عام يتكون الـ VFD من أربع أقسام لكل قسم وظيفته الخاصة، وهي دائرة التقويم، مرشح التيار المستمر، العاكس (Inverter)، وحدة التحكم.

دائرة التقويم Rectifier: يقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر. باستخدام الدايود أو ، الثايرستور، وأجهزة التحويل الإلكترونية الأخرى.
دوائر ترشيح: تتكون هذه الدائرة من مكثفات وملفات لتنعيم الموجة ومن ثم نقلها للعاكس.

العاكس Inverter: يتكون هذا القسم من مفاتيح إلكترونية مثل الترانزستور، يستقبل التيار المستمر ويحوله إلى تيار متردد يتم توصيله إلى المحرك. يستخدم تقنيات التعديل مثل تعديل عرض النبضة (PWM) لتغيير تردد الخرج للتحكم في سرعة المحرك الحثي.

دائرة التحكم: وتحتوي على معالج دقيق ويؤدي وظائف مختلفة مثل التحكم وتحديد إعدادات الجهاز، ومراقبة حالات الأعطال وربط بروتوكولات الاتصال. ويتلقى إشارة تغذية (feedback) من المحرك كمرجع وبالتالي ينظم نسبة الجهد إلى التردد للتحكم في سرعة المحرك.

مميزات استخدام جهاز VFD

تقوم ال VFD بالتحكم الكامل في السرعة وأيضًا تعمل على توفير الطاقة المستهلكة مع تحسين الكفاءة والتحكم البسيط للمحركات.

تحسين الكفاءة: طرق التحكم في السرعة التقليدية تهدر الكثير من الطاقة مقارنة بال VFD، لذلك يتم استخدام VFD في الصناعات لزيادة كفاءة المحرك والحفاظ على كمية كبيرة من الطاقة.

الدقة في التحكم: يسمح VFD بتحكم أكثر دقة في السرعة باستخدام الحساسات لتشغيل المحرك بسرعة فعالة تزيد من سرعة الإنتاج في الصناعات.

الحد من تيار البدء: ينتج المحرك تيار بدء كبير أثناء بدء تشغيله يصل لحوالي 5 إلى 8 مرات من التيار المقدر. يمكن أن تتلف ملفات المحرك، ويعمل الـ VFD على الحد من تيار البدء.

إطالة العمر الافتراضي للمعدات: يعمل VFD على بدء تشغيل المحرك وإيقافه بأمان مع تغيير تدريجي في السرعة دون أي اهتزازات ميكانيكية مما يطيل من العمر الافتراضي للمحرك.

انخفاض الصيانة: يقلل التشغيل السلس للمحركات من الضغط الميكانيكي ويزيل الاهتزازات التي تقلل في النهاية من الصيانة المطلوبة لهذا المحرك. وبالتالي تقليل التكلفة على المدى الطويل.

معامل القدرة: يؤدي انخفاض معامل القدرة إلى فقدان في الطاقة ويعمل VFD على تحسين معامل القدرة للاستفادة من الطاقة بشكل أكثر كفاءة.

الحماية: يمكن أن يوفر VFD أيضًا الحماية ضد الحمل الزائد والجهد الزائد وسقوط الفاز. ويقوم مباشرة بإيقاف تيار التيار في حالة حدوث مثل هذه الأعطال لحماية الحمل المتصل من التلف.

سهولة التركيب: يسهل تركيبها وتشغيلها مع واجهة مستخدم سهلة التشغيل والاستخدام.

عيوب انفرتر VFD

تتمتع VFD بالعديد من المزايا ولكنها بالمقابل غالية الثمن، وتحتاج لمساحة أكبر من السوفت ستارتر، وتولد توافقيات Harmonic تؤثر على المعدات الكهربائية المتصلة معها بالتوازي. لذلك، فإنه يتطلب مرشحات إضافية.

تطبيقات VFD

تتمثل الوظيفة الرئيسية لـ VFD في تغيير تردد مصدر التيار المتردد ولكن يمكن أيضًا تغيير الجهد. فيما يلي بعض تطبيقات VFD.

يتم استخدام خاصية التردد المتغير للتحكم في سرعة المحرك الحثي الذي تعتمد سرعته على التردد فقط.
يتم استخدامه للتحكم الدقيق في سرعة المحرك مع بدء التشغيل والتوقف السلس في أنظمة السيور الناقلة لزيادة الإنتاج وتجنب أي حوادث.
يتم استخدامه في أنظمة التبريد والتكييف للحفاظ على درجة الحرارة.
المعالجة والتحريك والتشغيل الآلي.
يتم استخدامها لمضخات المياه.
تستخدم الرافعات VFD للتحكم الدقيق في السرعة وتحديد المواقع.

تستخدم هذه الوظائف في العديد من قطاعات الصناعة مثل: