فكرة عمل مغیرات السرعة VFD
مغير السرعة يسمي Variable Speed Drive وإختصاره VSD كما يسمي أيضا Variable Frequency Drive وإختصاره VFD ويطلق عليه أيضا بالإنفرتر Inverter
وهو عباره عن جھاز إلكترونى يستخدم فى التحكم فى سرعة المحركات بالتحكم فى قیمة الجھد والتردد معا .
سرعة المحرك = 120 × التردد / عدد الاقطاب ( N = 120 f / P ) ، بالتالى سرعة المحرك تتناسب طرديا مع التردد فبزيادة التردد تزيد السرعة وبخفض التردد تنخفض السرعة .
بخفض التردد تنخفض الممانعة الحثیة للملفات ( X= 2×pi×f ) بالتالى سیزيد التیار إذا كان جھد المحرك ھو الجھد المقنن ،لذا يتم خفض الجھد بنفس نسبة خفض التردد للحفاظ على التیار .
تركيب جهاز مغير السرعة VFD
الجھاز يتكون من ثلاث مراحل :
وتستخدم لتوحید الجھد المتردد إلى جھد مستمر بواسطة قنطرة من الدايود او ثايرستور أو الترانزستور IGBT .
المرحلة الثانیة : DC Busوفيها يتم تنعیم الجھد المستمر بواسطة مكثف أو ملف أو كلاھما .
المرحلة الثالثة : (العاكس) Inverter
ويستخدم لتحويل الجھد المستمر إلى جھد متردد مرة أخرى بواسطة العاكس (انفرتر) تتكون من ستة ترانزستور من النوع IGBT أو موديول واحد يجمع الستة ترانزستور .
بما أن الھدف الاساسى ھو التحكم فى قیمة وتردد الجھد المتردد فتسمى مغیرات السرعة بإسم المرحلة الثالثة أى العاكس أى انفرتر!
المرحلة الاولى توحید التیار المتردد إلى تیار مستمر بواسطة قنطرة من الدايود أو ثايرستور أو الترانزستور IGBT
عند إستخدام الدايود كموحد يعنى أننا لا نستطیع التحكم فى قیمة الجھد المستمر وذلك يعنى أن الجھد المستمر يصل إلى قیمته الأسمى فى زمن صغیر مما يعنى أن تیار بدء مغیر السرعة عالى حيث أن الجھد المستمر dc bus = ١٫٣٦ × جھد المصدر (نظريا جذر ٢ فى جھد المصدر)
عند استخدام الثايرستور كموحد فان كفاءة مغیر السرعة أعلى منھا فى حالة إستخدام الدايود كموحد كما أن إمكانية التحكم فى زاوية إشعال الثايرستور تعنى التحكم فى جھد الثايرستور تعنى أننا نستطیع زيادة الجھد المستمر dc bus تدريجیا بالتالى نقلل من تیار بدء مغیر السرعة .
وعادة يستخدم الثايريستور فى مغیر السرعة ذات تیار اكبر من ٥٠ امبیر (أو قدرة مغیر السرعة أكبر من ٢٢ كیلو وات ، وفى مغیرات السرعة من سیمنز الأكبر من ٦٠٠ ك وات ، فإن قنطرة التوحید تكون دائما من الثايرستور)
ملحوظة :
- تیار التسرب عبر الثايرستور كبیر فى حالة الإنحیاز العكسى مع وجود نبضة فى البوابة gate ، بالتالى يجب عدم إرسال نبضة فى حالة كان الثايرستور فى حالة انحیاز عكسى ولفعل ذلك توجد دائرة تتعقب تردد المصدر لذا فى حالة كان المصدر مولد كھرباء فإن ضبط منظم السرعة ضرورى جدا فى حالة استخدام مغیر السرعة ھذا ، وإذا وجد مشكلة فى تردد المصدر قد يسبب اشعال خاطىء للثايرستور فیؤدى إلى خفض الجھد المستمر dc bus بالتالى تفصل
- معامل الازاحة displacement factor يكون منخفض فى حالة استخدام الثايرستور بسبب ترحیل موجة التیار عن موجة الجھد .
- أيضا انخفاض معامل القدرة power factor بسبب التشوه فى موجة التیار
لذا يفضل استخدام قنطرة من الترانزستور IGBT لتوحید الجھد المتردد الى مستمر بدلا من قنطرة الثايرستور حیث يتم التحكم فى زاوية التیار لتكون نفس زاوية الجھد بالتالى يكون معامل الازاحة displacement factor بواحد صحیح أيضا يتم التحكم فى شكل موجة التیار لتكون موجة جیبیة تقريبا بالتالى يكون معامل القدرة عالى .
يسمى مغیر السرعة فى ھذه الحالة Active Front End ويكون قادر على إعادة الكھرباء المرتدة من المحرك فى حالة الفرملة إلى المصدر .
فى حالة مصدر الكھرباء ذا المعاوقة الصغیرة (تیار خطأ عالى) يفضل إضافة معاوقة حثیة على دخل مغیر السرعة لحماية القنطرة من التلف لذا فى حالة العمل من المحول نضیف المعاوقة وفى حالة المولد يفضل عدم إستخدامھا حیث أن معاوقة المولد كبیرة جدا مقارنة بالمحول .
يعیبھا ھو السعر الغالى مقارنة بقنطرة الثايرستور .
يمكن ايضا إستخدام قنطرة توحید من الدايود مع إضافة مقاومة RC على خرج القنطرة للحد من تیار البدء .
يتم توصیل المقاومة لحظة توصیل مغیر السرعة بالمصدر لخفض تیار بدء مغیر السرعة العالى حیث يزيد الجھد تدريجیا فى ال dc bus على أطراف المكثف حتى تمام شحن المكثف فیتم عمل قنطرة أو كوبرى على المقاومة لأنها إن ظلت فى الدائرة فتسبب فقد عالى .
المرحلة الثانیة : تنعیم الجھد المستمر
يتم إستخدام ملف أو مكثف أو كلاھما للتنعیم حیث يقوم المكثف بالحد من معدل التغیر فى الجھد dv/dt بينما يقوم الملف بالحد من معدل التغیر فى التیار dt/di
كما أن المكثف يقوم بتنعیم الجھد المستمر الموحد وأيضا يقوم بتغذية المحرك بالكیلو فار مما يرفع من معامل القدرة وأيضا يقوم بتخزين الكھرباء المرتدة من المحرك ويكون معه دائرة شحن فى حالة قنطرة الدايود وفى حالة قنطرة الثايرستور لايحتاج الى دائرة الشحن كما اوضحنا .
المرحلة الثالثة لمغیر السرعة : تحويل الجھد المستمر الى متردد متغیر القیمة والتردد
يتم التحكم فى قیمة جھد خرج مغیر السرعة (الجھد المتردد ) عن طريق ما يسمي ب pulse width modulation أو PWM أي التحكم فى عرض النبضة (نبضة تشغیل الترانزستور)
يتم التحكم فى زمن تشغیل الترانزستور كنسبة مئوية من الزمن الكلى (الزمن الكلى ھو زمن تشغیل الترانزستور + زمن ايقاف الترانزستور ) فكلما زاد زمن تشغیل الترانزستور مقارنة بزمن إيقافه زاد جھد خرج الترانزستور .
بزيادة زمن تشغیل الترانزستور يزيد الجھد
يتم التحكم فى زمن تشغیل الترانزستور للتحكم فى قیمة الجھد للحصول على موجة جیبیة .
الموجة الناتجة لا تكون جیبیة خالصة ولكن تكون بالشكل التالى :
تردد تشغیل وفصل الترانزستور يسمى Pulse frequency أو Carrier frequency وتتراوح قيمته ما بین ٤ - ١٨ كیلو ھرتز تقريبا .
كلما زاد ھذا التردد كلما كانت الموجة أقرب للموجة الجیبیة بالتالى تقل التوافقیات المؤثرة على المحرك ، ولكن زيادة التردد سیزيد من حرارة ترانزستور IGBT وأيضا قد يسبب جھد عالى على المحرك بسبب المعاوقة السعوية للكابل فى حالة كان الكابل طويل .
وكلما زادت قدرة مغیر السرعة انخفض ھذا التردد .
مثلا فى بعض الماركات (تختلف القیم قلیلا بین الماركات) مغیر السرعة الاقل من ٣٠ كیلو وات يكون التردد ١ - ١٨ كیلو ھرتز والقیمة الافتراضیة ١٠ كیلو ھرتز .
مغیر السرعة الاكبر من ٣٠ كیلو وات يكون التردد ١ - ٩ كیلو ھرتز والقیمة الافتراضیة ٦ كیلو ھرتز .
ملاحظات :
- دائما لانقم بتغییر قیمة ھذا التردد ونتركه على الاعداد الافتراضى من الشركة المصنعة
- إذا زاد طول كابل المحرك عن قیمة معینة يتم خفض التردد
- إذا تم زيادة التردد عن القیمة الافتراضیة يجب خفض قدرة مغیر السرعة
- فى حالة كانت الضوضاء لیست ھامة فى التطبیق يمكن خفض قیمة التردد (حتى نزيد من تیار مغیر السرعة المقنن قلیلا)
كلما زاد ال Carrier frequency (تردد توصیل وفصل الترانزستور للحصول على جھد متردد) كلما تحسن شكل موجة الخرج لمغیر السرعة وانخفضت التوافقیات ولكن فى نفس الوقت زاد الإجهاد على عزل المحرك وأيضا إنخفض العمر الافتراضى لمغیر السرعة لأن زيادة التردد معناه زيادة حرارة موديول البور وبالتالى يقل العمر الافتراضى مع العلم بزيادة قدرة مغیر السرعة يتم تشغیل مغیر السرعة بتردد أقل ٠
حقیقة لم أقابل تطبیق تم فیه تغییر القیمة الافتراضیة لكن وجب التنويه على اى حال!!!
الترانزستور المستخدم فى المرحلة الثالثة يكون من النوع IGBT وذلك لأنه يتحمل تیارات كبیرة بالتالى نستطیع إستخدامه فى قدرات كبیره أيضا يتحمل ترددات عالیة بالتالى نستطیع أن نحصل على موجة جیبیة أضف لذلك أنه يتم التحكم به بسھولة عن طريق نبضة جھد إلى البوابة gtae بالتالى تكون قدرة التحكم منخفضة power gate
صورة لموديول من الترانزستور من النوع IGBT module ويسمى IGBT
ملحوظة :
- إذا زاد طول الكابل عن ١٥ متر يجب خفض تردد الترانزستور carrier frequency حتى لا يسبب جھد زائد على أطراف المحرك فیحرقه (طول الكابل يختلف من ماركة إلى أخرى لذا ارجع لدلیل الإستخدام)
نتیجة للتوصیل والفصل السريع للترانزستور يتعرض المحرك لإجھاد عالى على عزل الملفات نتیجة للتغیر السريع للجھد dt/dv
حیث يكون جھد المحرك عبارة عن نبضات من الجھد المستمر قیمتھا (١٫٣٦ × ٤٠٠) وزمن النبضة تقريبا ٠٫١ میكرو ثانیة بالتالى يكون معدل تغیر الجھد على ملفات المحرك تقريبا ٥ كیلوفولت/میكرو ثانیة .
يجب أن يتحمل عزل ملفات المحرك ھذا الاجھاد العالى.
أيضا يؤدى ذلك لوجود جھد لحظى عالى على المحرك .
أقصى جھد لحظى على المحرك peak = ١٫٩ × الجھد المستمر DC Bus
الجھد المستمر DC Bus = ١٫٣٦ × جھد المصدر
بالتالى اقصى جھد على اطراف المحرك = ٢٫٦ × جھد المصدر
لو جھد المصدر ٤٠٠ فولت يبقى أقصى جھد لحظى = ٤٠٠ × ٢٫٦ = ١٠٤٠ فولت !!!
نبضات الجھد تتحرك فى الكابل بسرعة ١٥٠ متر/ میكرو ثانیة !
ھذه السرعة تعتمد على طول الكابل فبزيادة طول الكابل يزيد الزمن وتقل السرعة .
نتیجة لأن مقاومة ملفات المحرك اكبر من مقاومة الكابل فإن موجة الجھد ترتد بمجرد وصولھا إلى المحرك وتعود إلى جھاز مغیر السرعة الذى يردھا مرة أخرى للمحرك ويكون الزمن الكلى ٠٫١ میكرو ثانیة .
لكى يرد مغیر السرعة موجة الجھد بالكامل مرة أخرى للمحرك يجب أن يكون زمن زيادة الجھد المستمر bus dc أقل من زمن انتشار الموجة
زمن انتشار الموجة = ٠٫١ میكرو ثانیة = طول الكابل / السرعة
٠٫١ میكرو ثانیة = طول الكابل / ١٥٠
إذا طول الكابل = ٠٫١ × ١٥٠ = ١٥ متر أى أن طول الكابل يجب أن يكون أقل من ذلك (تختلف من ماركة الى اخرى)
توصيل مغير السرعة VFD مع المحرك
الصورة التاليه توضح كيفية توصيل مغير السرعة (أحد الأنواع) مع المحرك :
ممیزات مغیر السرعة
1 تتیح التحكم فى سرعة المحرك فتسمح بزيادة أو خفض السرعة عن السرعة المقننة
بالتالي ھى تغنى عن صندوق التروس أو الجیربوكس box gear والذى يعطى سرعة ثابتة أو مدى صغیر للسرعة كما تغنى عن التارة والسیر أو ال V belt .2 خفض تیار بدء المحرك بالتالى تغنى عن دوائر البدء
تتیح مغیرات السرعة التحكم فى زمن تسارع وتباطؤ المحرك بالتالى يتم زيادة الجھد والتردد تدريجیا خلال زمن تسارع معین تحدده أنت كذلك فى الايقاف يتم خفض الجھد والتردد تدريجیا خلال زمن تحدده انت والنتیجة ھى خفض تیار بدء المحرك أقل من التیار المقنن (لأن الجھد والتردد يزيدا من الصفر تدريجیا) .ومن مميزات إستخدامه كطريقة بدء هو الحصول علي العزم الكامل عندء البدء بخلاف أجهزة البدء الأخرى .
3 إمكانیة التحكم فى زمن التسارع و التباطؤ
بالتحكم فى زمن التسارع والتباطؤ يقل تیار البدء أيضا تنخفض الاجھدات المیكانیكة على المعدة عنھا فى حالة البدء مباشرة حیث يبدء المحرك بسلاسة ويتوقف بسلاسة .أيضا فى حالة الطلمبات يؤدى ذلك لخفض او التخلص من ظاهرة ال water hammer وھو الضغط العالى الناتج من التشغیل المباشر للطلمبة .
4 إمكانیة فرملة المحرك
يمكن أن تقوم مغیرات السرعة بتغذية المحرك بجھد مستمر لزمن معین بغیة فرملته وتتیح لك تحديد قیمة الجھد وزمن الفرملة .يقوم الجھد المستمر بتولید عزم فرملى فیتوقف المحرك لكن يؤدى ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة المحرك بالتالى لا تستخدم بصورة متكررة .
مثلا يمكن برمجة نقطة دخل فى مغیر السرعة كفرملة ويوصل مفتاح بھا - كمفتاح ايقاف فرملى - وفى حالة التشغیل الطبیعى (مفتاح الفرملة مفصول) يعمل ويتوقف المحرك بزمن تسارع وتباطؤ عادى .
وفى حالة الضغط على مفتاح الفرملة سيقوم مغیر السرعة بفرملة المحرك .
5 توفیر الطاقة
بعض مغیرات السرعة بھا خیار توفیر الطاقة حیث تقوم بقیاس تیار المحرك وفى حالة إنخفاض الحمل ينخفض التیار فیقوم الجھاز بخفض الجھد بقیمة معینة بالتالى يتم توفیر الطاقة .تستخدم فى حالة الطلبمات والمراوح حیث أن القدرة تتناسب مع مكعب السرعة بالتالى خفض السرعة بمقدار ١٠ % يخفض القدرة بمقدار ٣٣ % بالتالى نوفر فى الطاقة .
6 تحسین كفاءة المحرك
يقوم الجھاز برفع معامل قدرة المحرك بسبب المكثف الموجود بالجھاز ، وفى حالة نظام التحكم الاتجاھى نستطیع أن نحصل على اقل تیار للعزم .كما نستطیع أن نحصل على العزم المقنن عند السرعات المنخفضة .
بالاضافة إلى دقة السرعة العالیة وزمن الإستجابة السريع .
7 وجود نظام تحكم مغلق PID
بعض مغیرات السرعة بھا نظام تحكم مغلق PID حیث تتیح توصیل اشارة تماثلیة خارجیة لمغیر السرعة وتقوم على اساسھا بالتحكم فى سرعة المحرك .
لا تستخدم للتحكم فى المسافة لأن سرعة الاستجابة منخفضة بالتالى ستكون الدقة منخفضة وغیر مجدية .
تستخدم عادة للتحكم فى الضغط أو المستوى أو السريان مثلا ، حیث تكون سرعة الاستجابة المطلوبة مناسبة وأيضا الدقة تكون فى حدود ١ % .
8 نقاط الدخل قابلة للبرمجة (بساطة دائرة التحكم ودائرة القدرة)
يوجد بمغیرات السرعة عدد من نقاط الدخل سواء نقاط دخل رقمى اى يتم توصیلھا بمفاتیح او نقاط دخل تماثلیة مثل نقطة دخل PID ، ھذه النقاط قابلة للبرمجة بمعنى تستطیع برمجة كل نقطة دخل بأي وظیفة تريد .مثلا يمكن برمحة نقطة الدخل الاولى كتشغیل/ايقاف للمحرك او كفرملة للمحرك او لعكس سرعة المحرك او لزيادة السرعة او لخفض السرعة او كتشغیل بالسرعة الثابتة الاولى او كتشغیل بالسرعة الثابتة الثانیة
بالتالى تكون دائرة التحكم فى المحرك فى حالة مغیرات السرعة من اسھل ما يكون والاسھل ھو تتبع الاعطال .
مثلا إذا تم برمجة أى نقطة كتشغیل فى إتجاه معاكس بالتالى إذا تم توصیل مفتاح بھذه النقطة وتشغیله سیدور المحرك فى الإتجاه المعاكس دون الحاجة لدوائر عكس الحركة .
9 وجود ريلیھات قابلة للبرمجة
يوجد بمغیرات السرعة نقاط خرج ريلاى قابل للبرمجة حیث يتیح لك الجھاز إختیار وظیفة الريلاى أى متى يغلق الريلاى نقاطه .مثلا فى حالة حدوث خطأ - فى حالة حدوث حمل زائد على المحرك - فى حالة كان الجھاز جاھز للعمل- الخ الخ
أيضا بعض مغیرات السرعة تتیح لك برمجة الريلاى كريلاى فرامل أى يتحكم فى فتح وغلق فرامل المحرك خصوصا فى حالة الأوناش أو المصاعد حیث يمكن للحمل أن يدير المحرك حین تفتح الفرامل .
10 حماية المحرك
- يقوم جھاز مغیر السرعة بحماية المحرك من الحمل الزائد حیث يمكنك من تحديد قیمة الحمل الزائد للمحرك كنسبة من التیار المقنن وسیفصل الجھاز عند الوصول لھذه القیمة وسیظھر لك رسالة خطأ بسبب الفصل بالتالى تغنى عن الاوفرلود .- حماية المحرك من إرتفاع أو إنخفاض الجھد حیث يقوم الجھاز بقیاس الجھد المستمر الموحد ولو انخفض عن الحدود المسموح بھا يكون السبب انخفاض جھد المصدر بالتالى يفصل الجھاز ونفس الكلام مع إرتفاع الجھد فھى ستفصل وتحمى المحرك لكن يجب أن يكون ھناك وسیلة لحماية الجھاز نفسه من الجھد الزائد ، بعض الاجھزة توجد بھا فاريستور MOV لھذا الغرض .
- يمكن توصیل حساس حرارة ptc للجھاز لفصل المحرك فى حالة ارتفاع درجة حرارته أو حساس حرارة kty 84 لقیاس حرارة المحرك بدقة ، ايضا بدون استخدام حساس حرارة يستطیع الجھاز تعیین حرارة المحرك نظريا بدقة اعتمادا على النموذج الحراري للمحرك .
- تحمى مغیرات السرعة المحرك من عكس الحركة بسبب انعكاس تتابع الاطوار فالطريقة الوحیدة لعكس حركة المحرك ھى عكس فازتین من كابل المحرك المتصل بمغیر السرعة أما عكس فازتین من تغذية مغیر السرعة فلیس له أى تأثیر حیث أن المرحلة الاولى بالجھاز ھى تحويل الجھد المتردد إلى مستمر بالتالى لاحاجة لإستخدام ريلاى تتابع الفازات فى حالة وجود مغیر السرعة .
11 تشغیل المحرك فى حالة انقطاع الكھرباء EPS
بعض الاجھزة قادرة على العمل بجھد مستمر فى حالة إنقطاع الكھرباء لتشغیل المحرك فترة قصیرة مثلا فى حالة المصاعد وإنقطاع الكھرباء تقوم دائرة بتوصیل جھد مستمر من بطاريات إلى مغیر السرعة وتقوم بتشغیل المصعد إلى أقرب طابق وتتوقف .12 سھولة ضبط اعدادات مغیر السرعة
فى التحكم التقلیدى لتغییر وظیفة الدائرة يجب عمل الكثیر من التعديلات على التوصیلات مما ينتج عنھا حدوث أخطاء والتكلفة عالیة أما فى حالة مغیر السرعة فلتغیر طريقة التحكم يمكن تغییر إعدادات الجھاز بكل سھولة سواء بضبط الإعدادات بواسطة شاشة الجھاز أو بواسطة جھاز حاسب آلى يتم ربطه بالجھاز بإستخدام شبكة RS232 أو أى شبكة أخرى، أيضا بعض انواع مغیرات السرعة تتیح نسخ الإعدادات من جھاز لآخر بواسطة الشاشة .شاهد أيضا
■ شرح المحركات الحثية ثلاثية الأطوار induction motors | التركيب وفكرة العمل
■ جميع أعطال المحركات ثلاثية الأوجه وتتبع أسبابها وعلاجها
■ طرق بدء الحركة في المحركات الحثية ثلاثية الأطوار
■ شرح دائرة ستار دلتا star/delta لبدء حركة المحركات الحثيه
■ بدء حركة المحرك الحثي بإستخدام محول ذاتي Auto-transformer starter
■ شرح السوفت ستارتر soft starter فكرة عمله وتركيبه ومميزاته وتطبيقاته
■ حساب القاطع / الفيوز / الكونتاكتور / الأوفرلود لموتور او محرك ستار دلتا