انتخاب اینورترها در کاربردهای مختلف
تصویر از شرکت Danfoss
انتخاب اینورتر
در انتخاب یک اینورتر برای یک کاربرد معین، نخست باید به مشخصات بار در آن کاربرد توجه کنیم دو مشخصه اساسی بسیار مهم بار، عبارتند از:
- محدوده سرعت عملیاتی موتور در فرایند و،
- رابطه گشتاور و توان با سرعت موتور.
توجه کنید که، عدم توجه به مشخصه های موتور و مشخصه های بار ممکن است عملکرد اینورتر را با مشکل جدی روبرو کند. برای محاسبه اکنون بهتر است با برخی از انواع متداول بار آشنا شویم. بطور کلی 5 نوع مشخصه بار ( گاه ترکیبی از این مشخصه های بار) زیر را درصنعت داریم:
مشخصه بار موتورها
-
- گشتاور ثابت (Constant torque )
- بیش از 90% ماشین های صنعتی، گشتاور ثابت می باشند , گشتاور مورد نیاز موتور مستقل از سرعت آن مورد نیاز است. نقاله ها، کمپرسورهای اسکرو، و سیستم های کشش (کشش سیم، کشش ورق ) در این گروه قرار دارند.
موتورهایAC سه فاز که برای کار با سرعت های قابل تنظیم توسط اینورتر های فرکانس متغیر، طراحی شده اند بصورت نرمال می توانند بکمک اینورتر بیش از رنج سرعتی که برای آن طراحی شده اند کار کنند. توجه کنید که در سرعتهای پایین ممکن است فن خنک کننده عمل تهویه موتور القایی را بخوبی انجام ندهد (معمولاً در سرعتها کمتر از 50% سرعت نامی). در این حالت استفاده از فن تهویه با تغذیه جداگانه و بهره گیری از یک ترمیستور با دمای 90C (برای حفاظت موتور در هنگام خرابی فن) اجباری است. توجه کنید که یک موتور مجاز به کار در سرعتی کمتر از 20% سرعت نامی خود نیست. افزون براین، بهره برداری موتور در سرعتهایی بیش از 1.2 برابر سرعت نامی نیاز به کنترل مشخصات فنی موتور دارد، تا اطمینان حاصل کنیم سرعت مورد نیاز دستگاه در دامنه سرعت مجاز موتور است. بعد از اینکه در اینمورد مطمئن شدید باید در این سرعت گشتاور قابل انتقال موتور را کنترل کنید تا کمتر از نیاز شما نباشد.
توجه کنید که در این حالت که گشتاور بار ثابت است، می توان از اینورتر گشتاور ثابت استفاده کرد.
-
- گشتاور درجه دوم (Quadratic torque )
گشتاور درجه دوم شایع ترین نوع بار است. برنامه های کاربردی متداول، پمپ های سانتریفیوژ و فن ها می باشند. در روابط و شکل شماتیک، گشتاور درجه دوم است و توان به صورت مکعبی برای سرعت متناسب است.
توجه کنید که در گشتاور بار متغییر، مناسبتر است تا از اینورتر گشتاور متغییر استفاده شود تا در مصرف برق صرفه جویی گردد.
-
- توان ثابت (Constant power )
نمونه بار توان ثابت را در دستگاه های رول جمع کن (طاقه پارچه و ورق فلزی) می توان دید که در حین چرخش رول قطر رول افزایش می یابد و چون در طول رول کردن طاقه سرعت خطی ماشین و کشش طاقه ثابت نگه داشته می شوند، مقدار توان ثابت خواهد ماند. در نمودار، توان ثابت است و گشتاور با سرعت رابطه عکس دارد.
توجه کنید که در گشتاور بار متغییر، مناسبتر است تا از اینورتر گشتاور متغییر استفاده شود تا در مصرف برق صرفه جویی گردد.
-
- توان/گشتاور ثابت ( Constant power/torque)
نمونه بار توان/گشتاور ثابت را در صنایع کشش کاغذ می توان دید که با ثابت ماندن سرعت خطی (V) و کشش طاقه مقدار گشتاور و توان هردو در طول فرایند ثابت خواهند ماند. وقتی گشتاور بار ثابت است می توان از اینورتر گشتاور ثابت استفاده کرد.
-
- گشتاور استارت/گریز بالا (Starting/breakaway torque demand )
در پارهای از کاربردها، مثل اکسترودر ها و پمپ های اسکرو نیاز به اعمال گشتاور بالا در فرکانس پایین است. در این حالت به یک راه اندازی با گشتاور بالا نیاز است که باید مورد توجه قرار گیرد.
توجه کنید که در این حالت که گشتاور بار متغییر است، ضروری است تا از اینورتر گشتاور متغییر استفاده شود.
دلایل توجه به مشخصه بار
برای اینکه اهمیت مشخصه های بار را روشن کنیم اجازه دهید به عملکرد پمپها و فنها توجه کنیم. وقتی سرعت فن و پمپ افزایش پیدا میکند، توان مورد نیاز این تجهیزات به نسبت توان سوم دور افزایش پیدا خواهد کرد.
دامنه کار طبیعی پمپها و فنهای گریز از مرکز در 60 تا 90% سرعت نامی است. گشتاور این تجهیزات با نسبت سرعت ها رابطه توان دو دارد. یعنی:
به این ترتیب، نسبت توان مصرفی و گشتاور اعمال شده در مقایسه توان و گشتاور نامی معادل است با:
این دو عامل در مشخصه گشتاور یک اینورتر کنترل کننده موتور نشان داده می شود. شکل 3 و شکل 4 مشخصه دو اینورتر (frequency converter, FC ) با اندازه مختلف را نشان می دهد. یکی از این دو (شکل 4) یک سایز کوچکتر از دیگری است. با اینهمه، برای هر دو مشخصه گشتاور مقدار مشخصه بار پمپ گریز از مرکز یکسان در نظر گرفته شده است.
شکل 4- اینورتر کوچک | شکل 3- اینورتر بزرگ |
در شکل 3، دامنه کلی عملکرد پمپ (0-100%) در بین مقادیر نامی موتور قرار می گیرد. چون دامنه کار عادی پمپ 30-80% است، یک اینورتر با یک توان خروجی کمتر را می توان انتخاب نمود.
اگر گشتاور بار ثابت باشد، موتور باید بتواند گشتاوری بیش از گشتاور بار تولید کند تا امکان ایجاد شتاب وجود داشته باشد. یک گشتاور اورلود 60% که توسط اینورتر در زمان کوتاهی تولید شود، برای گشتاور راه اندازی و شتاب دادن به دستگاهی مثل تسمه نقاله کافی است.
گشتاور اورلود، افزایش بارهای ناگهانی سیستم را نیز جبران می کند. اگر اینورتر اجازه هیچگونه گشتاور اضافه باری را ندهد باید بگونه ای انتخاب شود که گشتاور شتاب (acceleration torque, TB) در محدوده گشتاور نامی اینورتر باشد (شکل 5).
شکل 5- استفاده از اینورتری با 60% گشتاور اولود برای ایجاد شتاب (شکل سمت چپ)؛ استفاده از اینورتری که گشتاور بار با در محدوده گشتاورش است.
از مطالب یاد شده مشخص گردید که نوع کاربری موتور، عامل انتخاب اینورتر خواهد بود. در کاربردهایی مثل پمپ ها و فن ها به جهت کاهش انرژی یک اینورتر گشتاور متغیر مناسب تر خواهد بود. این نوع اینورتر ها تنها گشتاور مورد نیاز را اعمال کند و بشدت مورد توجه دوستان محیطزیستی هستند. در حالیکه برای تجهیزاتی چون نقاله ها، پمپ های جابه جایی مثبت، پرس پانچ، اکسترودرها، و دیگر کاربردهای مشابه که در سرعتهای مختلف نیاز به گشتاور ثابتی را دارند درایوی با گشتاور ثابت مناسب تر است.
توجه کنید که یک اینورتر گشتاور ثابت باید ظرفیت جریان اضافه بار ۱۵۰% یا بیشتر برای یک دقیقه را داشته باشد. در حالیکه، چون اینورترهای با گشتاور متغیر تنها به ظرفیت جریان اضافه بار ۱۲۰% برای یک دقیقه نیاز دارند؛ زیرا همانگونه که پیش تر گفته شد، در کاربردهای گریز از مرکز (فنها و پمپها) کار در محدوده 30 تا 80 درصد جریان نامی خواهد بود.
روشهای انتخاب اینورتر با توجه به مشخصه های مختلف موتور
وقتی مشخصه بار مشخص شد، چهار مجموعه مختلف از مشخصه های موتور برای تصمیم گیری در باره اندازه توان اینورتر وجود دارد.
روش یک – روش جریان Im
بر پایه جریان Im که موتور را استارت می کند، اینورتر را می توان بدقت و بسرعت انتخاب نمود. اگر موتور بارگذاری کامل نشود، جریان موتور را می توان از منحنی بار کامل آن بدست آورد.
شکل 6- انتخاب کانورتر بر پایه جریان نامی
مثال 1- انتخاب اینورتر برای موتور سه فاز 3 x 400 V با توان 7.5 kW و جریان 14.73 آمپر
با مراجعه به اطلاعات فنی اینورتر، باید اینورتری انتخاب شود که در مشخصه گشتاور ثابت یا مشخصه گشتاور بتوان دو، جریان پیوسته بیشینه آن از 14.7 آمپر بالاتر باشد
توجه: اگر یک اینورتر بر اساس توان (روش های 2-4) انتخاب شود، مهم است که مقایسه توان محاسبه شده و توانی که در مشخصات فنی اینورتر بیان شده است در یک ولتاژ معین انجام شود.
اگر اینورتر بر اساس جریان محاسبه شود (روش 1) دیگر نیازی به محاسبات توان نیست. در واقع جریان خروجی اینورتر بر دیگر مشخصه های فنی اثر می گذارد.
روش دو – روش توان ظاهری Sm
در این روش انتخاب اینورتر بر پایه توان ظاهری Sm مورد مصرف موتور و توان ظاهری که اینورتر انتقال می دهد، انجام گیرد.
شکل 7- انتخاب اینورتر بر پایه توان ظاهری
اکنون توان ظاهری موتور را از رابطه زیر بدست میآوریم
و با مراجعه به کاتالوگ، اینورتری انتخاب خواهد شد که خروجی پیوسته بیشینه آن در مشخصه گشتاور ثابت یا گشتاور بتوان دو (بسته به نوع بار) برابر یا بزرگتر از 10.2 kVA باشد
روش سه – روش توان خروجی موتور، Pm
انتخاب اینورتر می تواند بر پایه توان Pm که موتور تولید می کند نیز انجام گیرد. با اینهمه، چون cos φ و η با بار تغییر می کنند، این روش دقیق نیست.
شکل 8- انتخاب اینورتر بر پایه توان شافت خروجی
Example // A 3 kW motor with an efficiency and of 0.80 or 0.81 draws as follows //j,hk
در این روش ابتدا با داشتن= 0.8 و cos φ = 0.81 توان خروجی موتور را محاسبه میکنیم:
اکنون با مراجعه به کاتالوگ اینورتری انتخاب خواهد شد که خروجی بیشینه پیوسته آن در مشخصه گشتاور ثابت یا گشتاور بتوان دو (بسته به نوع بار) برابر یا بزرگتر از 4.6 kVA باشد.
روش چهار – روش سری استاندارد موتورها
به دلایل عملی، توان نامی بیشتر اینورتر ها از سری استاندارد موتورهای آسنکرون پیروی می کند. در نتیجه، اینورتر ها بیشتر بر این پایه انتخاب می شوند. اما این روش، بویژه اگر موتور در بار کامل نباشد چندان دقیق نیست.
شکل 9- انتخاب اینورتر بر پایه سری استاندارد موتورها