آشنایی با تجهیزات مختلف اینورتر صنعتی

اینورتر صنعتی یکی از تجهیزات حیاتی و اساسی صنایع و کارخانه‌ها می‌باشد که عملکرد این مراکز بدون وجود اینورتر کاملا دچار اختلال می‌گردد. اینورتر یک مدار الکتریکی است که وظیفه‌ی آن تبدیل برق DC به برق AC یا سینوسی خالص (و همچنین تا حد امکان عاری از هارمونیک‌های فرد مرتبه پایین) می‌باشد. از عناصر اساسی اینورتر می‌توان به تجهیزات سوییچینگ آن (مانند IGBT یا MOSFET) اشاره نمود، که با استفاده از ترتیب سوییچ‌زنی آن‌ها موج سینوسی در خروجی اینورتر ظاهر می‌شود.

درایو از طرفی دیگر یکی از تجهیزات اساسی برای کنترل الکتروموتورهای موجود در کارخانه‌ها می‌باشد و اینورتر یکی از عناصر تشکیل‌دهنده‌ی آن است. از وظایف اساسی درایو، کنترل سرعت موتور القایی می‌باشد که کاربر می‌تواند با استفاده از کیپد درایو سرعت موتور را در یک بازه‌ی محدود کاهش و یا افزایش دهد. همچنین می‌توان جهت چرخش موتور القایی (راست‌گرد یا چپ‌گرد) را نیز با استفاده از درایو کنترل نمود. از اجزا تشکیل دهنده‌ی درایو می‌توان به یکسوساز، خازن لینک DC، اینورتر و سیستم کنترلی اشاره نمود.

درایو و اینورتر علاوه‌ بر اجزای اصلی، از تجهیزات جانبی متنوعی تشکیل می‌شوند. این تجهیزات باعث افزایش راندمان کلی سیستم، بهبود کیفیت توان رسانی به مصرف‌کننده، ارتقای کیفیت ارتباط بین تجهیزات صنعتی و کاهش احتمال آسیب به تجهیزات مکانیکی می‌شوند. می‌توان تجهیزات جانبی درایو را در چند دسته‌ی اصلی طبقه‌بندی کرد که هر دسته شامل تجهیزات خاص خود است. در ادامه، این دسته‌ها را معرفی می‌کنیم.

اجزای ترمزی و مدیریت انرژی

سیستم ترمز و مدیریت انرژی یکی از بخش‌های اصلی درایو به حساب می‌آید. هنگام ترمز گرفتن موتور، انرژی جنبشی موتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. با توجه به کاربرد صنعتی درایو، این انرژی یا به‌صورت گرما در مقاومت‌ها تخلیه می‌شود یا آن را به شبکه برق بازمی‌گردانند. در ادامه، این روش‌ها را به‌صورت کامل توضیح می‌دهیم.

مقاومت ترمزی (Braking Resistor)

وقتی اینورتر به یک موتور سه‌فاز القایی متصل می‌شود، موتور با یک جریان راه‌اندازی کنترل‌شده کار خود را آغاز می‌کند و به سرعت و گشتاور نامی می‌رسد. یکی از اهداف اصلی استفاده از درایو، کنترل سرعت موتور است. بنابراین، در هر لحظه امکان تغییر سرعت موتور وجود دارد.

در هنگام افزایش سرعت، درایو توان بیشتری را از شبکه به سمت مصرف‌کننده هدایت می‌کند. این روند با ماهیت عملکرد درایو سازگار است و مشکلی برای دستگاه ایجاد نمی‌کند. اما در برخی شرایط باید سرعت موتور کاهش یابد. از آن‌جایی که موتور القایی در زمان کار، انرژی جنبشی را در اجزای گردان خود ذخیره می‌کند، هنگام ترمز به‌صورت خودکار مانند یک ژنراتور عمل می‌کند و انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی وارد بخش DC درایو می‌شود.

در برخی از درایوها، سوییچ‌ها یا کلیدهای قدرت فقط توان را از سمت شبکه به مصرف‌کننده انتقال می‌دهند. در چنین حالتی، درایو به مقاومت‌های ترمزی در بخش DC مجهز می‌شود. این مقاومت‌ها انرژی واردشده از سمت موتور را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل می‌کنند. این فرآیند از بازگشت ناخواسته انرژی به سیستم جلوگیری کرده و همچنین فشار مکانیکی روی موتور را کاهش می‌دهد.

درایوهای دارای قابلیت Regenerative

در برخی کاربردهای صنعتی، نیاز وجود دارد که انرژی تولیدشده در زمان ترمز موتور به شبکه برق بازگردد. در این مواقع، به‌جای تلف کردن انرژی در مقاومت‌ها، درایوهایی با قابلیت Regenerative به‌کار گرفته می‌شوند. این درایوها از IGBTهایی استفاده می‌کنند که توان را در هر دو جهت، از شبکه به موتور و از موتور به شبکه، انتقال می‌دهند.

در هنگام ترمز، موتور مانند یک ژنراتور انرژی تولید می‌کند و IGBTها این انرژی را از باس DC به برق AC تبدیل می‌کنند. سپس این انرژی را با همان فرکانس و فاز، دوباره به شبکه تزریق می‌کنند. این ویژگی نه‌تنها مصرف برق را کاهش می‌دهد، بلکه پایداری ولتاژ شبکه را نیز افزایش می‌دهد.

تجهیزات کیفیت توان اینورتر صنعتی

به دلیل استفاده درایو و اینورتر صنعتی از سوییچ‌هایی مانند IGBT و MOSFET، سیگنال‌های ولتاژ و جریان خروجی از این درایوها دارای هارمونیک بوده که جهت جلوگیری از آسیب به موتورها و عملکرد درست‌ آن‌ها، باید این هارمونیک‌ها توسط فیلترهای هارمونیکی خنثی گردند. همچنین درایوها معمولا نویز و امواج الکترومغناطیسی تولید می‌کنند و این نویزها عملکرد تجهیزات الکترونیکی را دچار اختلال می‌کنند که این نویزها نیز باید توسط فیلترهای EMC فیلتر گردند.

فیلترهای هارمونیک

هارمونیک‌ها مضرب صحیح از فرکانس پایه (50 هرتز) شبکه قدرت می‌باشند که باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج سینوسی ولتاژ و جریان می‌شوند. بر خلاف بسیاری از باورها، اینورتر صنعتی موج سینوسی خالص در خروجی تولید نمی‌کنند و همیشه تا یک مقدار معینی دارای هارمونیک می‌باشند و میزان هارمونیک معمولا توسط کارخانه‌ی سازنده‌ی درایو اعلام می‌شود. یکی از عوامل ایجاد هارمونیک نحوه‌ی سوییچ‌زنی سوییچ های موجود در اینورتر می‌باشد که با توجه به استراتژی‌های کلیدزنی و مدولاسیون (همانند PWM، Subharmonic Elemination و …) ممکن است میزان هارمونیک تولید شده‌ی یک اینورتر از اینورتر دیگر متفاوت باشد.

برای حذف هارمونیک‌ها (خصوصا هارمونیک‌های فرد مرتبه پایین) تا حد ممکن، از فیلترهای هارمونیکی استفاده می‌شود. فیلترهای مورد استفاده به دو دسته‌ی فیلترهای اکتیو و فیلترهای پسیو دسته‌بندی می‌شوند. در فیلترهای پسیو از خازن‌ها، سلف‌ها و مقاومت‌ها جهت ایجاد مسیر امپدانس پایین برای از برطرف کردن هارمونیک‌ها بهره می‌برند. از طرفی دیگر فیلترهای اکتیو فیلترهای نسل جدیدی هستند که از IGBTها، کنترلرهای پردازش سیگنال و سنسورهای جریان بهره می‌برند. این نوع فیلترها، هارمونیک را در لحظه فیلتر می‌کنند ولی نسبت به فیلترهای پسیو گران‌تر هستند.

فیلترهای EMC

برخی از تجهیزات واسبته به فرکانس میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی و یا الکترومغناطیسی ایجاد کنند. اگر این میدان‌ها به اندازه‌ی کافی قدرت‌مند باشند، می‌توانند با تجهیزات دیگر تداخل پیدا کرده و اثرات نامطلوبی بر عملکرد آن‌ها بگذارند. Electromagnetic Capability (EMC) به توانایی عملکرد دستگاه الکترونیکی در محیطی که میدان‌های الکترومغناطیسی در آن وجود دارند گفته می‌شود. همچنین این دستگاه‌ها نباید در آن محیط تحت تاثیر میدان الکترومغناطیسی قرار گیرند و یا اینگونه میدان‌ها را تولید کنند.

درایوهایی که از IGBTها برای تولید موج AC سینوسی استفاده می‌کنند، در حین عملیات نویزهای فرکانس بالا (10 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز) تولید می‌کنند که در نهایت باعث ایجاد EMI می شوند. فیلترهای EMC با استفاده از المان‌های پسیو طراحی شده‌اند که وظیفه‌ی آن‌ها تضعیف تداخل الکترومغناطیسی می‌باشد. فیلترهای EMC با استفاده از اصل عدم تطابق امپدانسی (impedance mismatch) عمل می‌کنند که سیگنال‌های فرکانس بالا فیلتر شده در حالی که بقیه‌ی سیگنال‌ها از فیلتر عبور می‌کنند.

اگر فیلتر EMC در درایوها و اینورترها تعبیه نشده باشند مشکلات متعددی بوجود می‌آید؛ از جمله:

• تریپ ناخواسته PLCها و سنسورها
• ایجاد اختلال در ارتباطات بین تجهیزات
• گرما بیش از اندازه در موتورها

راکتور خط (Line Reactor)

راکتور خط از سلف‌ها تشکیل شده اند که معمولا در ورودی درایوها و اینورترها جهت رفع مشکلات کیفیت توان و اختلالات نصب می‌گردند. این تجهیزات باعث محدود شدن میزان تغییرات جریان شده که در نهایت منجر به کاهش هارمونیک‌های موجود در خط می‌شوند. این راکتورها یک امپدانس اضافه در مسیر ورودی درایوها ایجاد می‌کنند که مزیت‌های زیر را به همراه دارد:

• محدود شدن جهش جریان (di/dt) در هنگام سوییچ زنی اینورتر
• تضعیف شدن میزان هارمونیک خط و کاهش اثرات مخرب آن بوسیله‌ی فیلتر کردن نویزهای فرکانس بالا
• حفاظت در برابر اضافه ولتاژ گذرا

از کاربرد این راکتورها در صنایع نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نوار نقاله: اضافه کردن راکتور باعث جلوگیری از خاموشی سیستم در هنگام کاهش ولتاژ می‌شود.
• کنترل پمپ: قرار گرفتن راکتور عمر موتورهای کارخانه را تا 30 درصد افزایش می‌دهد.
• جرثقیل: 5 درصد راکتور خط از جهش‌های ایجاد شده ناشی از تولید انرژی در هنگام ترمز جلوگیری می‌کند.

همچنین راکتورها دارای معایبی هستند؛ از جمله:

• کاهش ولتاژ در خط (5% تا 10% تلفات)
• نیازمند هزینه‌ی اضافه
• ایجاد نویز در رنج فرکانس شنوایی انسان

اگرچه راکتورها به ظاهر تجهیزات ساده‌ای به نظر می‌رسند، اما با فیلتر نویزهای فرکانس بالا با استفاده از مسیر امپدانسی می‌توانند به ارتقای کیفیت توان کمک نمایند.

ماژول‌های ارتباطاتی اینورتر صنعتی

ماژول‌‌های ارتباطاتی قسمت‌های سخت افزاری از درایوها و اینورترها می‌باشند که تبادل اطلاعات و دیتا در لحظه و هماهنگ‌سازی سیستم‌های کنترلی را فراهم می‌آورند. این ماژول‌ها اتصالات سیم‌های متعدد را با شبکه‌های دیتا جایگزین می‌کنند که اینورتر صنعتی را به یک سخت افزار هوشمند تبدیل می‌نمایند.

از وظایف این سیستم‌های ارتباطاتی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کنترل آنی: چندین درایو را می‌تواند با پروتکل‌های پرسرعت (EtherCAT، PROFINET) همگام‌سازی کند.
• مانیتورینگ اطلاعات: پارامترها و اطلاعات موتور (گشتاور، سرعت، دما و…) را به PLC ارسال می‌کند.
• پروتکل ایمنی: از پروتکل‌های ایمنی (مانند PROFIsafe) برای کنترل سرعت و توقف اضطراری پشتیبانی می‌کند.
• مدیریت از راه دور: درایوها را به کمک اینترنت اشیا به‌روزرسانی، عیب‌یابی و پیکربندی می‌نماید.

از مزیت‌های این ماژول‌ها و پروتکل‌های ارتباطاتی نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش هزینه‌ها: تا 50 درصد هزینه‌ی نصب و سیم‌کشی کاهش می‌یابد.
• انعطاف‌پذیری: منطق و تنظیمات درایو می‌تواند بدون تغییرات فیزیکی پیکربندی شود.
• دارای قابلیت توسعه: می‌توان درایو‌های جدید را بدون اینکه سیستم‌های کنترلی پیچیده‌تر شوند، به سیستم اضافه کرد.

تجهیزات و سیستم‌های کنترلی اینورتر صنعتی

سیستم‌های کنترلی موجود در درایوهای صنعتی، سیستم‌های نرم افزاری و سخت افزاری به هم پیوسته‌ای هستند که وظیفه‌ی اصلی آن‌ها تنظیم دقیق پارامترهای موتور و تبدیل ورودی‌های الکتریکی به خروجی‌های مکانیکی می‌باشد. سیستم کنترلی به عنوان مغز درایو عمل کرده و در نهایت موجب افزایش بازدهی، ایمنی و پاسخ‌دهی می‌گردند. این سیستم از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که در پایین این قسمت‌ها بطور مفصل توضیح داده شده اند:

کارت کلوز یا کارت PG

کارت‌ Pulse Generator (یا به اختصار PG)، ماژول‌های سخت افزاری هستند که در اینورتر صنعتی یا درایو جهت پردازش سیگنال‌های فیدبک انکودرها تعبیه می‌شوند. این کارت‌ها کنترل حلقه بسته را بوسیله‌ی فراهم آوردن اطلاعات موقعیت، سرعت و جهت چرخش روتور در لحظه برای سیستم کنترلی درایو پیاده‌سازی می‌کنند.

از مراحل پردازش و عملکرد کارت PG می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تبدیل سیگنال: در این کارت، سیگنال دیجیتال یا آنالوگ ورودی تولید شده از انکودرها (به عنوان مثال کانال‌های A/B/Z) پردازش شده و به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌شوند که در نهایت توسط درایو می‌توانند تحلیل شوند.
• فیدبک سرعت و موقعیت روتور: چرخش شفت روتور را برای همگام‌‌سازی دقیق ردگیری می‌‌کند.
• تشخیص جهت روتور: سیگنال‌های شیفت فاز داده شده (کانال‌های A و B) جهت تشخیص جهت حرکت روتور رمزگشایی می‌شوند.
• ویژگی‌های ایمنی: این کارت‌ها از قابلیت‌هایی نظیر Safe Limited Position (SLP) و Safe Speed Monitoring (SSM) پشتیبانی می‌کنند.

سیستم PLC و HMI در کنار اینورتر صنعتی

PLCها به عنوان سیستم کنترلی مستقل عمل کرده و جز سیستم کنترلی درایو نمی‌باشند. وظیفه‌ی PLCها شامل:

• تعیین setpointها (سرعت هدف) برای درایوها
• هماهنگ‌سازی چندین درایو (همگام‌سازی نوار نقاله‌ها)
• فراهم‌سازی امکانات ایمنی (به عنوان مثال توقف اضطراری) می‌باشد.

همچنین در کنار PLCها، بسته به نوع کاربرد اینورتر صنعتی، بسیاری از سیستم‌ها از HMIها نیز استفاده می‌کنند. HMIها، سیستم‌هایی با رابط کاربری هستند که مهندسین و بهره‌برداران از طریق آن‌ها با ماشین‌ها و درایوها ارتباط برقرار می‌کنند. این تجهیزات با نمایش اطلاعات فرآیند یا سیستم بر روی نمایشگر، امکان نظارت، کنترل و پیکربندی ماشین‌ها و تجهیزات اتوماسیون را برای کاربران فراهم می‌سازند.

از ویژگی‌های برجسته‌ی سیستم HMI می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تصویرسازی اطلاعات: HMIها داده‌های مربوط به فرآیند و تجهیزات را در لحظه، به شکلی خوانا و ساده بر روی نمایشگر نشان می‌دهند.
• کنترل و پیکربندی: این سیستم‌ها به کاربران اجازه می‌دهند تا عملکرد ماشین‌ها و درایوها را به‌صورت مستمر بررسی کرده، پارامترهای کلیدی را دنبال کنند و مشکلات احتمالی را به‌موقع شناسایی نمایند.
• هماهنگی کامل با PLCها: معمولاً HMIها را در کنار PLCها به‌کار می‌گیرند تا ضمن خودکارسازی فرآیندهای صنعتی، بتوانند کنترل دقیق‌تری را نیز فراهم کنند.
• رابط کاربری ساده: این تجهیزات با هدف ایجاد یک رابط گرافیکی ساده، قابل فهم و همراه با صفحه‌نمایش لمسی طراحی می‌شوند تا کاربران بتوانند به‌راحتی با سیستم کار کنند.

جمع‌بندی

در این مقاله، تلاش کردیم خواننده را با انواع تجهیزات جانبی اینورتر صنعتی آشنا کنیم.ابتدا، به مقاومت ترمزی و سیستم مدیریت انرژی در اینورترها پرداختیم. مثلا در مواردی که IGBTها جریان را تنها در یک جهت عبور می‌دهند، مقاومت ترمزی به‌کار می‌رود تا جریان تولیدشده توسط موتور را در قالب گرما تلف کند. در مقابل، درایوهایی که از قابلیت Regenerative بهره می‌برند، در صورت وجود سوئیچ‌های دوطرفه، انرژی را دوباره به شبکه بازمی‌گردانند.

تجهیزات مربوط به کیفیت توان شامل فیلترهای هارمونیک، فیلترهای EMC و راکتورهای خط هستند که وظیفه‌ی حذف نویز و هارمونیک‌های ایجاد شده توسط درایو را بر عهده دارند. ماژول‌های ارتباطی نیز فرآیند تبادل داده بین سیستم‌های کنترلی و درایو را ساده می‌کنند و به هماهنگ‌سازی این تجهیزات کمک می‌کنند. در نهایت، به سیستم‌های کنترلی پرداختیم که PLCها و HMIها بخش اصلی آن را تشکیل می‌دهند. این سیستم‌ها نظارت و تنظیم پارامترهای موتور و سایر تجهیزات صنعتی را بر عهده دارند.