امروزه استفاده از موتور الکتریکی در کنار درایو یاسکاوا به یکی از ملزومات سیستمهای اتوماسیون صنعتی موجود در صنایع تبدیل شده است. وصل مستقیم موتور به شبکه سه فاز باعث میگردد تا روتور این دستگاه و در نتیجه شفت آن در سرعت و گشتاور ثابت کار کند. نصب و راهاندازی درایو در کنار موتور القایی همراه با کنترل V/f نهتنها موجب میشود که جریان راهاندازی موتور (بدون کاهش یافتن گشتاور راهاندازی) کاهش یابد؛ بلکه در طول بهرهبرداری از درایو، کاربر در زمینه کنترل فرکانس، گشتاور و سرعت موتور آزادی نیز عمل زیادی دارد و بازدهی سیستم اتوماسیون بطرز چشمگیری افزایش مییابد.
کلیدهای IGBT و سیستم سوییچزنی آن، زمینهساز آزادی عمل کاربر درایو در کنترل گشتاور و سرعت موتور القایی میباشند. همچنین در درایو یاسکاوا، فرکانس حامل (carrier frequency) که تاثیر مستقیمی بر سرعت سوییچینگ IGBTها میگذارد نیز با استفاده از پارامتر C6-02 نیز قابل تنظیم است.
پایین بودن فرکانس حامل باعث میگردد درایو نویز بیشتری تولید کرده و همچنین هارموینکهای تولید شده توسط درایو نیز دارای مرتبههای پایینتری میباشند (چرا که هارمونیکهای تولیدی توسط درایو مضربی از فرکانس حامل درایو هست) و در نتیجه نیاز به فیلتر چوک (Line Reactor) بزرگتر در ورودی درایو یاسکاوا میباشد که دارای هزینهی بالاتری نیز هستند. اما از مزایای پایین بودن فرکانس حامل میتوان به کم شدن تلفات سوییچینگ، کاهش ایجاد اضافه جریان و اضافه ولتاژ در خروجی درایو یاسکاوا اشاره کرد.
اما با بالا بردن فرکانس حامل درایو یاسکاوا نویز کمتری تولید کرده و همچنین با بالا رفتن مراتب هارمونیکی تولیدی توسط درایو، آلودگی هارمونیکی کمتری به شبکه تزریق میگردد. از معایب مهم و قابل توجه آن میتوان به تلفات سوییچینگ بالا و همچنین افزایش نوسان ولتاژ و جریان نشتی در کابل بین درایو و موتور اشاره کرد که این موارد ممکن است باعث آسیب عایقی موتور، خطای اضافه جریان (oC) و خطای زمین (GF) در درایو یاسکاوا منجر شود.
نقش جریان نشتی در ایجاد خطاهای oC و GF در درایوهای یاسکاوا
خطای اضافه جریان و خطای زمین از خطاهای رایج درایوهای یاسکاوا میباشند. طبق تعریف این خطاها در دفترچه فنی درایوهای یاسکاوا، یکی از دلایل ایجاد این دو خطا در درایو، ایجاد جریان نشتی در خروجی درایو عنوان شده و به کاهش طول کابل و کاهش فرکانس حامل به عنوان راهحلهای رفع این مشکل عنوان شده است. هدف از نگارش این مقاله، آشنایی کاربر با پدیدههای بازتاب ولتاژ (Voltage Reflection) و جریان نشتی (Leakage Current) در کابل بین موتور و درایو یاسکاوا بوده و رابطهی آنها با فرکانس حامل و همچنین چگونگی ایجاد خطای oC و GF با وجود این پدیدهها مورد بررسی قرار میگیرد.
دلایل ایجاد جریان نشتی و بازتاب ولتاژ در کابل
در پایین دلایل ایجاد این پدیدهها از چند جنبه مورد بررسی قرار گرفته است:
ظرفیت خازنی ذاتی در کابل
هماتطور که در جریان هستید، یک کابل از دو یا چند هادی عایقدار تشکیل شده است که این هادیها کاملا بهم چسبیده هستند. این ساختار کابل بصورت طبیعی یک خازن پراکنده را در کابل ایجاد میکند. یک خازن ساده از دو صفحهی هادی که بین آنها یک فاصلهی هوایی وجود دارد تشکیل شده است. حالا دو هادی بهم چسبیده در کابل را تصور کنید. دو هادی کابل به مانند دو صفحه خازن عمل کرده و روکش بین آنها بمانند فاصلهی هوایی بین دو صفحهی خازن میباشد.
اگر فرکانس حامل یا سرعت کلیدزنی IGBTهای درایو یاسکاوا بر روی مقدار بالایی تنظیم شده باشد (به عنوان مثال 15 کیلو هرتز)، ولتاژ متناوب با فرکانس بالا (که ناشی از فرکانس حامل بالا در درایو یاسکاوا میباشد) به کابل اعمال شده و این خازن دائما شارژ و دشارژ میشود.
جریان ناشی از شارژ و دشارژ همین خازن داخلی کابل، باعث تزریق جریان نشتی در درون عایقهای کابل و در نتیجه به شلید یا زمین میشود. این جریان نشتی به زمین اگر به مقدار قابل توجهی وجود داشته باشد، توسط سنسورهای درایو یاسکاوا حس شده و ممکن است درایو خطای GF را صادر کند که در نهایت منجر به توقف عملکرد درایو میگردد. یکی از راهحل های کاهش جریان نشتی ناشی از خازن ذلتی کابل میتوان به کاهش سرعت سوییچزنی درایو یاسکاوا و یا کم کردن طول کابل اشاره کرد.
برای روشن شدن موضوع در نظر داشته باشید که ظرفیت خازن ساده به دو عامل بستگی دارد. یک عمل سطح مقطع دو صفحه هادی و دیگری فاصله هوایی بین این دو صفحه هادی است. اگر فاصله هوایی کاهش یابد و یا سطح مقطع صفحه هادی افزایش یابد ظرفیت خازنی افزایش یافته و اگر فاصله هوایی افزایش یابد و یا سطح مقطع صفحات کاهش یابد ظرفیت خازنی تضعیف میگردد.
این مساله برای کابل نیز برقرار است. بطور مثال، برای کاهش ظرفیت خازنی کابل باید ضخامت عایق بین هادیها را افزایش داد که این اقدام تقریبا توسط کاربر غیر عملی است و یا سطح مقطع هادیها را کاهش داد که این عمل با کاهش طول کابل امکانپذیر است. بنابراین کاهش طول کابل ظرفیت خازنی ذاتی کابل را کاهش داده و در نتیجه جریان نشتی در کابل کاهش پیدا میکند. به همین دلیل کاهش طول کابل به عنوان یکی از راهکارهای احتمالی جهت رفع خطای oC و GF در سری درایوهای یاسکاوا میباشد.
پدیده بازتاب ولتاژ در کابلهای بلند
اگر طول کابل بین موتور و درایو (درایو V1000 به عنوان مثال) بیش از اندازه طولانی باشد، کابل بمانند یک خط انتقال سیستم قدرت عمل خواهد کرد. بطوری که زمان صعود پالس ولتاژ خروجی درایو بسیار کوتاه باشد (زمان صعود پالس ولتاژ خروجی درایو با افزایش فرکانس حامل کاهش پیدا میکند)، ولتاژ بصورت شکل موج سیار به سمت موتور پیش میرود. در انتهای کابل، بدلیل بالاتر بودن مقاومت ظاهری سیم پیچ موتور نسبت به مقاومت مشخصه کابل، این موج بازتاب پیدا میکند.
برهمنهی موج رفت و بازتابی در ترمینال موتور میتواند ولتاژ را تا دو برابر مقدار نامی افزایش دهد. این اضافه ولتاژ شدید، علاوه بر فشار مضاعف بر عایق سیمپیچ، جریان شارژ و دشارژ ظرفیت خازنی پراکنده کابل را به شدت زیاد کرده و جریان نشتی را به اوج میرساند.
برای رفع این مشکل از فیلتر dV/dt استفاده میشود. این فیلتر که از ترکیب سلفهای سری و مدار مقاومتی-خازنی ساخته شده، در خروجی درایو یاسکاوا نصب میگردد و زمان صعود پالس ولتاژ را از نانوثانیه به چند میکروثانیه افزایش میدهد. با ملایمتر شدن شیب تغییرات ولتاژ، طول موج معادل پالس بزرگتر از طول کابل شده و پدیده موج سیار و بازتاب آن عملاً خنثی میگردد. در نتیجه، اضافه ولتاژ مخرب انتهای کابل از بین رفته و فشار وارده بر عایق موتور و جریان نشتی خازنی کابل به شدت کاهش مییابد. نکته مهم آن است که این فیلتر بر خلاف فیلتر سینوسی، شکل موج را کاملاً سینوسی نمیکند و صرفاً لبههای تیز پالس را کاهش میدهد.
کهنگی عایقها
در صورت کهنگی کابل یا وجود رطوبت و گرد و غبار صنعتی رسانا بر سطح عایق، مقاومت عایقی کاهش یافته و به جریان نشتی مقاومتی (که مقدار آن بسیار کمتر از نشتی خازنی است) دامن میزند.
راهحلهای کاهش جریان نشتی در خروجی درایو یاسکاوا
- کاهش طول کابل بین موتور و درایو
- استفاده از فیلتر dV/dt یا راکتور خروجی؛ این تجهیزات شیب تند تغییرات ولتاژ را کاهش داده و اضافه ولتاژ انتهای کابل را دفع میکند.
- زمین کردن صحیح و با امپدانس کم؛ هم موتور و هم شیلد کابل باید به بهترین شکل به شینه زمین متصل شوند تا مسیر بازگشت جریان نشتی، مسیر مقاومت کمتری برای عبور داشته باشد و در مسیرهای پیشبینی نشده پراکنده نشود.
