روش اتصال اینورتر به موتور

در اتصال یک اینورتر اقدامات احتیاطی زیر لازم است...

روش اتصال اینورتر به موتور

یک روش بهبود یافته برای اتصال اینورتر (VSD) به موتور الکتریکی

خلاصه اجرایی

در هنگام اتصال اینورتر به الکتروموتور و یا موتور القایی، باید اقدامات احتیاطی انجام شود. طول زیاد کابل موتور می تواند یک ولتاژ کوتاه مدت درترمینال موتورایجاد کند. این پدیده منجر به فرسودگی زودرس عایق سیم پیچ می شود و اگر به درستی طراحی نشده باشد، منجر به خرابی موتور خواهد شد. کاربران و مشاوران اغلب این مشکل را نادیده می گیرند و نسبت به استفاده از بهترین روش ها یا تعیین اقدامات مناسب بی توجهی می کندد. این مقاله نشان می دهد که چگونه می توانیم از این وضعیت مشکل ساز جلوگیری کنیم.

معرفی

در محیط های صنعتی، کنترل انعطاف پذیر، بهره وری انرژی و نگهداری کم هزینه، همگی از مزایای ثابت شده درایوهای متغیر سرعت (VSDs) یا همان اینورتر هستند. با این حال، هنگامی که از کابل های طولانی برای اتصال اینورترها به موتورها استفاده می شود، عایق سیم پیچی موتور سریعتر خراب شده و در نهایت ممکن است خود موتور خراب شود. برای درک خطرات مربوط به این مسئله و انتخاب راه حل موجود برای حل مشکل، در ابتدا بایستی ویژگی های فنی درایو و موتور را بدانید.

 

   در اینورتر یا همان VSD، ولتاژ تغذیه AC با استفاده از یک رگولاتور به ولتاژ DC تبدیل می شود. برق DC حاوی موج های ولتاژی است که با استفاده از خازن فیلتر می شود. این قسمت از VSD اغلب به عنوان لینک DC شناخته می شود. این ولتاژ DC سپس دوباره به ACتبدیل می شود (به شکل 1 نگاه کنید). این تبدیل به طور معمول با استفاده از تجهیزات الکترونیک قدرت مانند ترانزیستورهای قدرت IGBT وبا استفاده از تکنیک مدولاسیون پهنای پالس  (Pulse Width Modulation) یا (PWM) به دست می آید. ولتاژ خروجی در یک فرکانس بالا روشن و خاموش می شود،و با کنترل طول مدت زمان یا عرض پالس، شکل موج سینوسی تقریب زده می شود. پیشرفت در تکنولوژی تجهیزات الکترونیک قدرت باعث افزایش در فرکانس سوئیچینگ و کاهش تلفات شده است.IGBT ها معمولا در مواردی مورد استفاده قرار می گیرند که فرکانس کلید زنی تا 16 کیلوهرتز و فرکانس ولتاژ تغذیه موتور تا 1 کیلوهرتز باشد .

شکل1- طرح (شماتیک) کلی یک درایو فرکانس متغیر متصل به یک موتور.

اتصال درایو (اینورتر) به موتور

به طور معمول در فرکانس سوئیچینگ بالاتر، ریپل جریان خروجی موتور کمتر است. برای جبران کردن این افت،IGBT ها سریعا (تا 1 میکرو ثانیه) تغییر وضعیت می دهند.این سرعت بالای سوئیچینگ همراه با یک کابل طولانی بین اینورتر و موتور، یک اضافه ولتاژ موقت را در ترمینالهای اتصال به موتور ایجاد می کند. در عمل، اضافه ولتاژ می تواند بیش از دو برابر ولتاژ باس DC باشد. (شکل 2 را ببینید) این موضوع می تواند باعث آسیب رسیدن به سیم پیچ موتور شود. وضعیت اضافه ولتاژ در ترمینال موتور رخ می دهد.در زیر نمونه هایی از اینکه چگونه شرایط اضافه ولتاژ و اضافه جریان می توانند بر سیستم تاثیر بگذارند را می بینیم :

تاثیر بر روی درایو سرعت متغیر:

خطر اصلی وضعیت اضافه جریان در درایو سرعت ، خطای اتصال کوتاه (SCF) است.جریان پیک، به علت سوئیچینگ، می تواند توسط سنسورهای جریان درایو خوانده شود و منجر به یک خطای غیر منتظره شود.یکی دیگراز نتایج جریان پیک خازنی افزایش دما در IGBT متناسب با فرکانس سوئیچینگ است. این دمای بالاتر از حد معمول عمر اینورتر را کاهش می دهد.

شکل 2- طول زیاد کابل موتور، خود می تواند منجر به ایجاد ولتاژ و جریان اضافی ( بیش از حد ) شود.

اتصال درایو (اینورتر) به موتور اثرات طول زیاد کابل موتور

 

تأثیر بر روی محفظه تابلو برق:

اختلالاتی که از تاثیر متقابل کابل طولانی و موتورها حاصل می شود، موجب گردش یک جریان فرکانس بالا به زمین می شود و می تواند کار دستگاه هایی را که به آن شبکه متصل هستند را مختل کند. یک نتیجه آن دفعات زیاد  راه اندازی رله حفاظت دیفرانسیل است که در مسیر اینورتر واقع شده اند.جریانهای فرکانس بالا که از طریق کابل موتور جاری می شوند، تشعشعاتی را انتشار می دهند که می تواند کار دستگاه های الکترونیکی را در اطراف کابل موتور مختل کند.

تأثیر بر روی موتور:

وضعیت اضافه ولتاژ در ترمینال موتور می تواند بین دو سیم پیچ موتور ظاهر شود و می تواند باعث تخلیه جزئی و فرسودگی زودرس عایق سیم پیچ شود و در ادامه می تواند منجر به خرابی کامل موتور گردد. توجه داشته باشید که اضافه ولتاژ مجاز قابل قبول بستگی به کلاس عایق موتور دارد. (شکل 4 را ببینید)

کاربران نهایی و مشاوران اغلب این پدیده را دست کم می گیرند، و اقدامات لازم را در این زمینه انجام نمی دهند. حتی اگر با اجتناب ازهزینه های اضافیِ در خرید دستگاه های مکمل و گزینه های دیگر، مقداری صرفه جویی در کوتاه مدت به دست بیاید، در نهایت این روش طراحی نامناسب می تواند منجر به خرابی موتور یا وقفه غیرمنتظره در انجام کار شود. در موارد مهم مانند تاسیسات تامین آب یا نیروگاه، این سطح خطر قابل قبول نیست.

اثرات جانبی طول زیاد کابل موتور:

در کاربردهای استاندارد، زمانی که طول کابل موتور به بیش از 10 متر (32 فوت) می رسد، پدیده اضافه ولتاژ رخ می دهد. و در واقع طول کابل موتور با این پدیده رابطه مستقیم دارد (شکل 3 را ببینید).این اثر منفی هنگام استفاده از یک کابل حفاظت شده (مثل سیم آنتن) تقویت می شود.با این حال، ولتاژ بالا به دو برابر ولتاژ باس DC محدود می شود.

زمان خیز ولتاژ (rise time) در خروجی اینورتر، اغلب به عنوان dv/dt نامیده می شود، جریان گذرای بالاتری را در فرکانس های سوئیچینگ بالاتر تولید می کند.این مساله که بدلیل ظرفیت خازن پارازیتی است (زمانی اتفاق می افتد که دو هادی، مانند موتور و کابل موتور، در پتانسیل های مختلف در نزدیکی و مجاورت فیزیکی همدیگر قرار دارند، آنها تحت تاثیر میدان الکتریکی یکدیگر قرار می گیرند و مانند یک خازن یک بارالکتریکی مخالف را ذخیره می کنند). این جریان گذرا باعث افزایش تلفات اینورتر یا (VFD)، کابل و موتور می شود.

شکل 3- کابل طولانی تر بین موتور و درایو موجب ایجاد یک ولتاژ پیک بالاتر در ترمینال موتور می شود.

اتصال درایو (اینورتر) به موتور اثرات طول زیاد کابل موتور

  استانداردهای رایج IEC و NEMA، مشخصات فنی و دستورالعمل های مربوط به ولتاژ و جریان قابل قبول برای انواع موتورهای مختلف در شکل 4 نشان داده شده است.مقدار اضافه ولتاژ قابل قبول به نوع (کلاس) عایق موتور بستگی دارد. استانداردهای مربوط به IEC و NEMA عبارتند از:

  • IEC 60034-17 : محدودیت ولتاژ تغذیه برای موتورهای با کاربرد عمومی در هنگام تغذیه با مبدل های فرکانس، موتورهای 500 ولت.
  • IEC 60034-25 : محدودیت مقادیر نامی برای موتورهای با مبدل: منحنی A برای موتورهای 500v و منحنی B برای موتورهای 690v است.
  • NEMA MG1 : تعیین مشخصات موتورهای تغذیه شونده توسط اینورتر

شکل 4- خطوط محدودکننده ولتاژ انواع مختلف موتورها

اتصال درایو به موتور خطوط محدودکننده ولتاژ انواع مختلف موتورها

   در کاربردهای بحرانی، موتورِ IEC60034-25 کلاسِ B یا NEMA 600V باید مشخص شود.برای کاهش احتمال خطا در موتور هنگام استفاده آن با یک درایو سرعت، IEC60034-25 Bیا NEMA 400 باید تعیین شود.

   یکی دیگر از عوارض جانبی استفاده از VSD، تخریب بلبرینگ موتور است.این مشکل ناشی از ولتاژ متعارف تولید شده توسط اینورتر VSD (نویز القا شده در یک کابل توسط سوئیچینگ) است و موجب ایجاد جریان فرکانس بالا در بلبرینگ موتور می شود.بسته به نوع موتور، و اینکه آیا بلبرینگ عایق شده است یا نه ، سه مسیر جریان متداول و مختلف در موتور می تواند ایجاد شود:

1-      مسیر اول بین استاتور، سیم پیچ و شفت موتور. در این حالت جریان القایی دو بار در دور بلبرینگ جریان می یابد.

2-      مسیر دوم بین خازن پارازیتی سیم پیچ ها و شفت موتورکه از طریق مسیر بار، به زمین متصل شده می شود.این مورد زمانی رخ می دهد که فریم موتور به درستی زمین نشده باشد. در این حالت جریان پالس خازنی به سمت بلیرینگ جریان می یابد.

3-      مسیر سوم بین خازن پارازیتی استاتور، سیم پیچ روتور، فریم موتور و بلیرینگ. در این مورد، قاب به درستی به زمین متصل شده است و جریان بلبرینگ درصدی از ولتاژ مود مشترک است.جریان در بلبرینگ به دلیل تخلیه الکترواستاتیک خازنی رخ می دهد.

اقدامات پیشگیرانه

 برای محدود کردن تأثیر اضافه ولتاژ و پیک جریان، باید چندین راه حل را ارزیابی کرد. قابلیت اجرایی هر راه حل بستگی به محیط کاری دارد.

حفاظت  نرم افزاری

برخی از VSD ها از قبل با پیکربندی نرم افزاری ساخته شده اند که راه حل را بیشتر قابل اعتماد می سازد. این درایوهای مدرن سرعت متغیر همیشه یک کنترل موتور را ایجاد می کنند که از شرایطی به نام "انتقال دوتایی" جلوگیری می کند.این اتفاق زمانی می افتد که، به طور همزمان یک فاز موتور، از منفی به مثبت DCتغییر می کند در حالی که فاز دیگری از مثبت به منفی سوئیچ می کند.

شکل 5- تاثیر نرم افزار در جلوگیری از شرایط انتقال دوگانه

تاثیر نرم افزار در جلوگیری از شرایط انتقال دوگانه

پالس PWM که با توجه به ثابت زمانی کابل، خیلی کوتاه است، می تواند منجر به برانگیختگی دو نوسان و تولید ولتاژ اضافی بیش از 2 برابر شرایط ولتاژ DC گردد.آخرین نسل از تکنولوژی VSD، با تنظیم حداقل زمان بین دو پالس ولتاژ PWM، برانگیختگی وضعیت انعکاس ولتاژ را از بین می برد (به شکل 5نگاه کنید ).اگر چه تنظیم این محدودیت زمانی کمی عملکرد درایو سرعت را کاهش می دهد (3٪ گشتاور) ولی در شرایط عادی روی عملکرد کلی سیستم تاثیر نمی گذارد.

راکتورخروجی

   راکتورهای خروجی با تغییرات سریع جریان مخالفت کرده و به طور کلی در تجهیزات محرکه موتور برای محدود کردن جریان راه اندازی به کار می روند. آنها ممکن است برای محافظت درایوهای فرکانس متغیر و موتور استفاده شوند. به طور ذاتی، چوک موتور مربوط به ظرفیت خازنی کابل آن، dv/dt و ولتاژ پیک را کاهش می دهد. این اثر به نوع و طول کابل ستگی دارد. با این حال، بایستی مراقب بود، زیرا اگر راکتور خروجی نامناسب انتخاب شود، می توانند به طور نظری طول مدت فراجهش (Overshoot: زمانی که یک سیگنال الکترونیکی از حد مجازش عبور میکند) را افزایش دهند.

 

فیلترخروجیdv/dt

   فیلترهای خروجی dv/dtارزان قیمت ترین راه حل برای تضمین حفاظت موتور و کاهش اثر اضافه جریان در درایوهای سرعت است. این فیلتر dv/dt را کاهش می دهد، بنابراین اثر اضافه ولتاژ و جریان نشتی خازن بین خود فاز ها و بین فاز ها و زمین به حداقل می رسد. چنین فیلترهایی انعطاف پذیری را ارائه می دهند زیرا می توانند بدون ایجاد هرگونه مشکل با اکثر موتورها و هر نوع کابلی (مستقل از نوع و طول) مورد استفاده قرار گیرند. هنگامی که مشخصات یک موتور خاص ناشناخته باشد این روش توصیه می شود.

 

فیلترسینوسی

   یک طراحی ویژه از فیلتر پایین گذر (یک فیلتر الکترونیکی که سیگنال های فرکانس پایین را می گذراند و دامنه سیگنال هایی با فرکانس های بالاتر از فرکانس قطع را کاهش می دهد)، یک فیلتر سینوسی نامیده می شود، باعث می شوند تا جریان های فرکانس بالا از بین بروند. نتیجه این است که شکل موج ولتاژ در ترمینال موتور سینوسی خالص می شود. فیلتر تفاضلی سینوسی امکان سرکوب کامل اثر اضافه ولتاژ را فراهم می کند و اختلال سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را کاهش می دهد.

 

شکل6- نمودار چگونگی عملکرد یک فیلتر سینوسی .

 نمودار چگونگی عملکرد یک فیلتر سینوسی

   اگر فیلتر سینوس با یک فیلتر حالت مود مشترک همراه شود، این امکان را می دهد که جریانهای بلبرینگ دمپ گردیده (نگاه کنید به شکل 6) و اختلالات EMC هدایت شده به شبکه کاهش یابد. ترکیبی از این دو فیلتر، راه حل قوی برای جلوگیری از مشکلات مربوط به اتصال VSD به موتور را ارائه می دهد اگر کابل موتور طولانی است ،تا زمانی که یک کابل حفاظت شده مورد نیاز نباشد این راه حل نیز بسیار مقرون به صرفه است.

 

نمونه های کاربردی

   برخی از حوزه های کاربری بیشتر از موارد دیگر تحت تاثیر طول کابل بلند هستند.به عنوان مثال، در کاربرد های بالابر، موتورها بخش بزرگی از عمر مفید خود را در حالت ترمز صرف می کنند.انرژی ترمز از طریق دیودهای هرزگرد به سمت لینک DC میانی منتقل می شود و در نتیجه موجب افزایش 15-20٪ در ولتاژ لینک DC می شود (و همچنین افزایش ولتاژ پیک موتور).

   اثر مشابه با افزایش ولتاژ تغذیه تا 20٪ است.در چنین مواردی، یک کاربری 400V باید همانند حالت تغذیه با 480Vدر نظر گرفته شود.در مواردی که موتورها به صورت موازی کار می کنند، طول کابل مناسب باید بر اساس مجموع کابل ها محاسبه شود. به عنوان مثال، اگر سه موتور به صورت موازی به یک VSD واحد متصل شوند، هر یک با یک کابل 20 متر (66 پا)، طول کلی نباید 20 متر محاسبه شود، بلکه باید 60 متر (197 فوت) در نظر گرفته شود. جهت محافظت از VSD در برابر هر گونه وقفه غیر منتظره در نظر گرفتن اقدامات احتیاطی لازم است.

 

جدول1- اقدامات پیشگیرانه توصیه شده به ویژگی های موتور و طول کابل بستگی دارد.

 جدول فیلتر مناسب برای هر طول کابل

نکته: هنگام محاسبه طول کابل به منظور محافظت در برابر این شرایط اضافه ولتاژ، یک کابل محافظت شده به اندازه دو برابر طول کابل محافظت نشده محسابه می شود.برای مثال، اگر طول یک کابل محافظ دار 100 متر باشد، در محاسبات خود آن را برابر با 200 متر از یک کابل استاندارد معمولی در نظر می گیریم.

نتیجه

     هنگامی که درایوهای سرعت متغیر (VSD)با موتورها مورد استفاده قرار می گیرند، ترکیبی از سوئیچینگ سریع ترانزیستور و کابل های طولانی موتور می تواند باعث ایجاد ولتاژ پیک تا دو برابر ولتاژ لینک DC شود. در موارد شدید، این ولتاژ بالا می تواند باعث فرسودگی زودرس عایق سیم پیچ شده و منجر به نارسایی و خرابی کلی موتور شود. برای اطمینان از اینکه مدت زمان عمر موتور در معرض خطر نیست، چند مرحله ساده را می توان انجام داد:

 

1-      درمشخصات موتور طراحی شده برای کاربری با درایو سرعت، (استانداردهای IEC60034-25 B  یا NEMA 400 باید در نظر گرفته شود)

2-      در صورت امکان فاصله بین موتور و VSD را تا حد امکان کاهش دهید.

3-      در صورت امکان از کابلهای محافظت نشده استفاده کنید.

4-      فرکانس سوئیچینگ VSD را کاهش دهید(کاهش به 2.5KHz توصیه می شود)

 

با پیروی از این توصیه های ساده، یک کابل 300 متری (طول 984 پا) یا کوتاهتر را می توانید بدون نیاز به خرید هر گونه تجهیزات دیگری اضافی استفاده کنید.برای کابلهای بالای 300 متر (984 پا)، بسته به شرایط استفاده از فیلتر خروجی  dv/dtیا فیلتر سینوسی توصیه می شود.اگر سطح عایق موتور معلوم نیست (مثل موتورهای سیم پیچی و بازسازی شده)،یا اگر از موتورهای غیر استاندارد استفاده شده اند، بسته به طول کابل موتور، یک فیلتر dv/dtیا فیلتر سینوسی توصیه می شود.

اگر خواهان اطلاعات بیشتری در این زمینه هستید از لینک های

درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟ 

 " نحوه سیم کشی اینورتر (درایو فرکانس متغیر) " 

 " عیب یابی و تعمیر اینورتر "

 " مزایای VFD ها، اینورترها و درایوها "

نکات مهم در خرید درایو فرکانس متغیر "  

چرا ما به درایوهای سرعت متغیر (VSD) نیاز داریم؟ "  دیدن فرمایید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره تخصصی با بخش مشاوره سایت در تماس باشید.

منبع : by : Hed Vang and Marco Chiari . " an improved approach forconnecting vsd and electric motors , scneider electric

 

 

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code