توقف موتور با اینورتر

توقف موتور با اینورتر

توقف موتور با اینورتر یکی از روش‌ های مدرن و پیشرفته برای کنترل فرآیندهای صنعتی و حفظ ایمنی تجهیزات به شمار می‌ رود. اینورترها به عنوان دستگاه‌ های تبدیل‌ کننده ولتاژ و فرکانس، امکان کنترل دقیق سرعت و شتاب موتورهای الکتریکی را فراهم می‌ کنند. توقف موتور با استفاده از دستگاه اینورتر صنعتی، نه تنها باعث افزایش عمر موتور و کاهش استهلاک قطعات می‌ شود، بلکه با جلوگیری از توقف ناگهانی و غیرکنترل‌ شده، ایمنی بیشتری را برای سیستم و کاربران به همراه دارد. این روش که در صنایع مختلف از جمله خطوط تولید، سیستم‌ های نوار نقاله و تجهیزات حساس به تغییرات ناگهانی استفاده می‌ شود، به دلیل قابلیت تنظیم زمان توقف و کاهش تدریجی سرعت موتور، بهره‌ وری بالاتر و کاهش هزینه‌ های تعمیر و نگهداری را نیز به دنبال دارد. در این محتوا درباره انواع روش های توقف موتور با اینورتر، توضیح می دهیم.

انواع روش های توقف موتور با اینورتر

در صنعت از موتورهای القایی استفاده های زیادی می شود. در گذشته کنترل سرعت موتورهای القایی کار دشواری بود. امروزه با اختراع اینورترها به راحتی می توان دور موتورهای القایی را کنترل کرد. مزایای زیاد موتورهای القایی نسبت به موتورهای DC باعث شد تا بیشتر مورد توجه قرار بگیرند. هرگاه کنترل موتور لازم باشد، ترمز کردن بخش مهمی از کنترل موتور است.

چندین روش مختلف برای ترمز یا کند شدن موتور القایی AC مفید است که در اینجا به چند مورد اشاره خواهیم کرد:

1. تزریق DC
2. ترمز دینامیکی
3. ترمز احیا کننده
4.  Plugging

1- ترمز تزریق DC

تزریق DC از تکنیک انرژی دادن به سیم پیچ استاتور با ولتاژ کم جریان DC به جای جریان الکتریسیته و جریان برق بالا استفاده می کند. اگر سیم پیچ استاتور موتور القایی AC در حال چرخش باشد و به جای AC از DC تغذیه کند، روتور خودش را در داخل یک میدان مغناطیسی ثابت می چرخاند، این امر باعث می شود که جریان ها در میله های روتور القا شود، که طبق قانون لنز، نیروی ترمز در روتور ایجاد شود.

دقیقاً خلاف آنچه اتفاق می افتد هنگامی که موتور از حالت ایستاده انرژی می گیرد: در آنجا، جریان ها در میله های روتور القا می شوند، زیرا موتور ثابت است و میدان استاتور در حال چرخش است. این روش ترمز کاملاً مؤثر است و تنها مقادیر کمی از جریان مستقیم از طریق سیم پیچ استاتور برای ایجاد گشتاور ترمز بزرگ لازم است.

گشتاور ترمز تزریق DC

گشتاور ترمز حاصل از تزریق DC با میزان جریان تزریق DC متفاوت است و همچنین مستقیماً با سرعت موتور تغییر می کند.

این بدان معنی است که موتور با کم شدن سرعت متوقف می شود و نیروی ترمز ایجاد شده توسط تزریق DC کاهش می یابد. محاسبه گشتاور ترمز تولید شده توسط تزریق DC عملی نیست. ترمز DC موتور سه فاز سرعت موتور را کنترل نمی کند، بنابراین زمان توقف موتور به بار بستگی دارد. جهت کسب اطلاعات بیشتر درباره روش های اندازه گیری گشتاور موتورهای القایی، می توانید مقاله زیر را مطالعه کنید.

قانون حفظ انرژی

هنگامی که هر حرکتی به عنوان ترمز عمل می کند انرژی جنبشی موتور و مکانیزمی که به آن متصل است باید به جایی برود. این یک اصل اساسی از فیزیک است، که به عنوان قانون حفظ انرژی نام گذاری شده است: “انرژی را نمی توان ایجاد کرد یا از بین برد، فقط در شکل تغییر می یابد.” هنگامی که از تزریق DC برای ترمز یک موتور استفاده می شود، انرژی ترمز با استفاده از جریان های القایی که از طریق میله های روتور و حلقه های کوتاه حلقه می شوند به شکل گرما از بین می رود.

این موضوعی است که باید هنگام انتخاب تزریق DC به عنوان یک روش ترمز در نظر داشته باشید: آیا موتور می تواند در صورت لزوم با خیال راحت حرارت را از بین ببرد؟ چرخه های ترمز مکرر، به خصوص با کمی وقفه بین چرخه ها، ممکن است روتور را بیش از حد گرم کند و باعث آسیب به موتور شود.

تزریق DC با اینورتر

اینورتر دلتا و یا ورتکس به راحتی تزریق DC را برای ترمز فراهم می کنند. تمام کارهایی که باید انجام دهند انرژی دادن به ترانزیستورهای خروجی آن ها به گونه ای است که یک یا چند سیم پیچ استاتور به جای قطبیت متناوب، قطبی از ولتاژ ثابت را مشاهده کند، همانطور که موتور در حال کار کردن است.

شماتیک زیر جریان برق به داخل موتور را هنگام تزریق DC نشان می دهد.

شکل 1: نمایش تزریق DC به موتور در اینورتر

2- ترمز دینامیکی

در ترمز دینامیکی موتور به عنوان ژنراتور کار می کند و انرژی را از طریق یک بار مقاومت از بین می برد. اگر موتور القایی AC با سرعتی سریعتر از میدان مغناطیسی در حال چرخش خود بچرخد، به عنوان ژنراتور عمل می کند: منبع تغذیه را به منبع ولتاژ برگردانده، انرژی جنبشی را از موتور چرخشی گرفته و به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

به عنوان مثال: می توان از یک موتور احتراق داخلی، توربین بخار، توربین آب یا برخی دیگر از روش های مکانیکی دیگر استفاده کرد و در یک موتور القایی نیرو را به صورت مکانیکی قرار داد تا سریعتر از سرعت همزمان خود چرخش کند. اگر برق بین این موتور و شبکه برق خط AC متصل شود، کنتور برق منفی (یعنی نیرویی را که از موتور به شبکه منتقل می شود، به جای اینکه از شبکه به موتور وارد کند) ثبت می کند.

توقف موتور با درایو اینورتر در ترمز دینامیکی

این اصل در مورد موتور القایی که در آن از درایو استفاده می شود نیز صادق است: اگر موتور سریعتر از سرعت میدان مغناطیسی در حال چرخش توسط اینورتر بچرخد، به عنوان یک ژنراتور عمل می کند و قدرت بیشتری را به اینوتر می فرستد. از آنجا که سرعت چرخش میدان مغناطیسی متغیر است به کمک درایو برای سنتز هر فرکانس مطلوب – به این معنی که ممکن است یک موتور القایی تقریباً با هر سرعتی که بخواهیم به عنوان ژنراتور عمل کند.

هنگام کار موتور به عنوان ژنراتور الکتریکی، یک موتور القایی نیاز به ورودی انرژی مکانیکی دارد. به این معنی که موتور به چرخش سریعتر از سرعت همزمان نیاز دارد که به کمک انرژی مکانیکی امکان پذیر است، زیرا موتور به طور طبیعی می خواهد با سرعت همزمان یا کندتر چرخش کند. این بدان معنی است که موتور به عنوان ترمز عمل می کند و سعی می کند هر چیزی که باعث چرخش سریع تر آن از سرعت همزمان می شود را کند کند.

این تاثیر ترمز نسبت مستقیم با میزان مصرف انرژی یا از بین رفتن انرژی الکتریکی توسط بار الکتریکی دارد. اگر ما یک اینورتر بسازیم تا این انرژی را به صورت کنترل شده از بین ببرد، موتور توانایی عمل به عنوان ترمز دینامیکی را دارد.

در مدار اینورتر، جریان قدرت “معکوس” دریافت شده از موتور به شکلی از جریان هایی است که از طریق دیودهای محافظ معکوس که به موازات ترانزیستورهای خروجی قرار دارند، عبور می کند که باعث می شود خازن فیلتر DC باس شارژ شود و در نتیجه ولتاژ  DC باس افزایش می یابد.

شکل 2: تولید جریان از طریق دیود های محافظ معکوس

بنابراین، بدون مکانی برای اتلاف این انرژی، احتمال اینکه ترمز درست عمل کند کم است و خازن به سرعت توسط ولتاژ بیش از حد DC باس از بین می رود. برای اینکه کار ترمزدینامیکی انجام شود، اینورتر باید به مقاومت ترمز مجهز شود تا انرژی دریافتی را از بین ببرد. ترانزیستور ویژه برای تنظیم ولتاژ DC باس است که سریع روشن و خاموش می شود و باعث می شود خازن آسیب نبیند و ترمز موثر باشد.

ترانزیستور ترمز

ترانزیستور ترمز به نسبت مستقیم با ولتاژ DC باس روشن می شود. هرچه ولتاژ باس DC بیشتر باشد، چرخه وظیفه (به موقع در مقابل کل زمان) ترانزیستور ترمز بیشتر می شود.

شکل 3: مقاومت ترمز برای اتلاف انرژی

 بنابراین، ترانزیستور به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ شنت عمل می کند، یک بار کنترل شده روی DC باس را به نسبت مستقیم با حداکثر ولتاژ خود قرار می دهد. این ترانزیستور هیچگاه روشن نمی شود تا ولتاژ DC باس در محدوده عملکرد عادی (موتوری) باشد. هنگامی که موتور سریعتر از سرعت همزمان می چرخد، ولتاژ DC باس را به سطح معقول می رساند.

با استفاده از مدار ترمز موتور سه فاز، تنها عملی که اینورتر باید برای ترمز دینامیکی یک موتور القایی AC انجام دهد، به این صورت است که به سادگی سرعت فرکانس AC اعمال شده را به موتور کاهش می دهد تا اینکه این فرکانس کمتر از سرعت روتور معادل باشد.

مانند ترمز تزریق DC، گشتاور ترمز ایجاد شده توسط ترمز دینامیکی تابعی از قدرت میدان مغناطیسی و سرعت روتور است. به طور دقیق تر، این تابعی از نسبت ولت / هرتز است که توسط درایو اینورتر به موتور اعمال می شود. گشتاور ترمز در درجه اول از نظر قدرت مقاومت ترمز و همچنین قدرت اینورتر محدود است. از آنجا که اتلاف انرژی جنبشی در خارج از موتور اتفاق می افتد، مانند ترمز تزریق DC، گرمای کمی در روتور وجود دارد.

3- توقف موتور با اینورتر در روش ترمز احیا کننده

ترمزهای احیاگر مفهوم ترمز دینامیکی را یک قدم جلوتر می برند، در ترمز احیا کننده همچنین موتور به عنوان ژنراتور کار می کند، اما به جای هدر دادن انرژی به شکل گرمایش مقاومتی، یک اینورتر موتور احیا کننده، موتور را مجبور می کند که انرژی را به داخل منبع تغذیه برگرداند. با استفاده از نیروی معکوس در موتور کار می کند و قدرتمندترین وسیله برای توقف موتور با درایو است.

با تبدیل یک DC باس ولتاژ بالا به توان AC قابل استفاده برای بازگشت مجدد در خط AC برای سایر دستگاه های AC به جای تنظیم ولتاژ DC باس از طریق یک مقاومت شنت که توسط ترانزیستور ویژه روشن و خاموش شده است. یک درایو احیا کننده با افزودن پل دیود یکسو کننده با مجموعه ای از شش ترانزیستور برق دیگر، همان کار را انجام می دهد و سپس ترانزیستورها را همزمان خاموش می کند.

همزمان با ولتاژ (منبع تغذیه AC) ترانزیستورها را روشن و خاموش می کند. سوئیچ هماهنگ خط، ولتاژ DC باس را می گیرد و آن را به AC تبدیل می کند تا اینورتر بتواند توان واقعی را به سیستم برق AC برگرداند.

شکل 4: ارسال نیرو به خط AC از طریق ترانزیستور اینورتر

مدارهای یکسو کننده مجهز به مجموعه ای از ترانزیستورهای برق، که اغلب در انتهای (سمت ورودی جلوی مدار قدرت اینورتر) درایو موتور فعال است. اصطلاح “فعال” به ترانزیستورها اطلاق می شود.

در اینورتر، ترانزیستورها در صورت نیاز برای توالی ولتاژ DC باس به حداکثر حد معقول می رسند، دقیقاً مانند ترانزیستور ترمز در درایو با ترمز دینامیکی پالس می شود تا ولتاژ DC باس را تنظیم نکند.

اگر ولتاژ DC باس در اینورتر احیاگر بیش از حد بالا رود، ترانزیستورهای انتهایی برای مدت زمان طولانی تر (یعنی با چرخه های وظیفه بیشتر) پالس می کنند تا بیشتر از این انرژی ترمز را در شبکه برق AC اعمال کنند.

مزایای ترمز احیا کننده

یک روش ساده و ارزان تر برای بهره‌مندی از مزایای ترمز احیا کننده بدون اضافه کردن پیچیدگی زیادی به مدار اینورتر، قرار دادن چندین درایو و اتصال مدارهای DC باس آن ها به صورت موازی است. اگر یکی از اینورترها موتور خود را کند کند، ولتاژ DC باس افزایش یافته در سایر درایوهای موتور در دسترس خواهد بود تا به آنها کمک کند که بتوانند موتور خود را هدایت کنند.

نمودار زیر شماتیک دو مدار اینوتر بهم پیوسته را نشان می دهد که ترمز درایو بالایی و موتور اینورتر پایین:

شکل 5: شماتیک دو مدار اینوتر بهم پیوسته

تنها ایراد احیا کننده در این مد، این است که انرژی ترمز توسط موتورهای دیگر قابل بازیابی است که DC باس آنها موازی است و فقط در همان زمان دقیقاً یک یا چند تا از آن موتورها ترمز می کنند. این به اندازه ترمز احیا کننده خط AC مناسب و کاربردی نیست، جایی که تعداد نامحدودی از بارها روی شبکه وجود دارد تا انرژی ترمز را در هر زمان جذب کند.

  DC باس مشترک با اینورتر ورتکس ir233

برنامه های کاربردی متشکل از دو درایو می توانند از یک باس مشترک استفاده کنند. مزیت یک باس مشترک تقسیم و متعادل کردن قدرت است.

به عنوان مثال، سیستمی را با دو اینورتر و دو موتور در نظر بگیرید: ممکن است یک موتور در حالت موتور باشد در حالی که موتور دیگر در حالت احیا است.

در طی این شرایط، موتور درایو به جای بیرون کشیدن از شبکه، قدرت ترمیم کننده را مصرف می کند. 

شکل 6:اتصال DC باس دو اینورتر از طریق فیوز

یکسو کننده پل دیود شش پالس با درایو ورتکس

یک گزینه برای طراحی DC باس مشترک استفاده از یکسو کننده پل دیود شش پالس می باشد. پل دیود برای اصلاح توان ورودی AC به DC است. پل دیود برای تمام اینورترها و بارهای متصل باید دارای اندازه مناسب باشد. احیا کننده موتورهای تنظیم شده درایو می تواند باعث ایجاد نیرو شود (و سیم کشی را نیز کاهش دهد).

برای اینکه ولتاژ DC-bus در یک سطح مطمئن نگه داشته شود، بارهای موتوری باید بیشتر از بارهای احیا کننده باشند.

شکل 7: یکسو کننده دیود 6پالس

4- Plugging

نوع دیگر ترمز، ترمز Plugging است. که با استفاده از نیروی معکوس در موتور کار می کند و قدرتمندترین روش توقف موتور با درایو است. در این روش ترمینال های تامین معکوس می شوند، در نتیجه گشتاور ژنراتور نیز معکوس می شود که در برابر چرخش عادی موتور مقاومت می کند و در نتیجه سرعت کاهش می یابد. در حین اتصال مقاومت خارجی نیز برای محدود کردن جریان در مدار وارد مدار می شود.

توقف موتور با اینورتر برای کنترل فرآیندهای صنعتی و حفظ ایمنی تجهیزات اهمیت دارد

به طور کلی، توقف موتور با اینورتر نقش حیاتی در بهینه‌ سازی فرآیندهای صنعتی و حفظ ایمنی تجهیزات ایفا می‌ کند. این فناوری با ارائه کنترل دقیق بر سرعت و توقف موتور، نه تنها از آسیب‌ های ناشی از توقف ناگهانی جلوگیری می‌ کند، بلکه باعث افزایش عمر مفید تجهیزات و کاهش هزینه‌ های نگهداری و تعمیرات می‌ شود. همچنین، توانایی تنظیم زمان توقف و کاهش تدریجی سرعت موتور، ایمنی کاربران و پایداری سیستم را تضمین می‌ کند. در نتیجه، استفاده از اینورتر به عنوان راه‌ حلی پیشرفته برای توقف موتور، گامی مهم در جهت بهره‌ وری بیشتر و ایمنی بهتر در صنایع مختلف به شمار می‌ رود.