اینورتر یا درایو فرکانس متغیر (VFD) چیست؟

درایو فرکانس متغیر (VFD)نوعی کنترل‌کننده موتور است که یک موتور الکتریکی را با تغییر فرکانس و ولتاژ اعمال شده به موتور الکتریکی هدایت می‌کند. نام‌های دیگر برای یک VFD عبارتند از درایو سرعت متغیر، درایو سرعت قابل تنظیم، درایو فرکانس قابل تنظیم، درایو AC، و اینورتر.

همان‌طور که می‌دانید، فرکانس (یا واحد آن هرتز) مستقیما با سرعت موتور (RPMs) مرتبط است. به عبارت دیگر، هرچه فرکانس بیشتر باشد، سرعت موتور نیز بیشتر می‌شود. در کاربردهای که یک موتور الکتریکی نیاز ندارد تا با سرعت کامل مورد استفاده واقع شود، می‌توان از یک اینورتر برای تغییر فرکانس و ولتاژ مطابق با بار موتور الکتریکی استفاده کرد. از این طریق، اینورتر می‌تواند به راحتی باعث تغییر سرعت موتور در جهت کاهشی یا افزایشی شود.

درایو فرکانس متغیر چگونه عمل می‌کند؟

مهم ترین بخش در درایو فرکانس متغیر یا اینورتر، مبدل است. این مبدل متشکل از شش دیود است. این دیودها اجازه می‌دهند که جریان الکتریکی تنها در یک جهت جریان داشته باشد؛ جهتی که توسط پیکان در نماد دیود نشان‌داده شده‌است. به عنوان مثال، هر زمان که ولتاژ فاز A مثبت بیشتری نسبت به ولتاژهای فاز B  یا C باشد، آنگاه این دیود باز خواهد شد و  و اجازه جاری شدن جریان را خواهد داد. هنگامی که فاز B  مثبت بزرگتری از فاز ۱ می‌شود، دیود فاز B  باز خواهد شد و دیود فازA  بسته خواهد شد. همین مساله برای سه دیود در سمت دیگر نیز صادق است. بنابراین، ما شش پالس جریانی به دلیل باز و بسته شدن مسیر جریان توسط دیودها داریم. این ساختار، پیکربندی استاندارد درایوهای فرکانس متغیر امروزی می‌باشد.

فرض می‌کنیم که درایو متصل به ولتاژ  ۴۸۰ ولت می‌باشد. در واقع، این عدد مقدار موثر یا RMS ولتاژ شهر می‌باشد (مقادیر برای کشور ایران متفاوت می‌باشد). همانطور که می‌دانید، مقدار موثر 679 برابر با 480 ولت می‌باشد. به عبارت دیگر مقدار موثر یک موج سینوسی با پیک 679، برابر با 480 می‌باشد. با توجه به شکل زیر، باس dc اینورتر یک ولتاژ DC  با ریپل AC  دارد. ولتاژ حدودا بین ۵۸۰ و ۶۸۰ ولت است.

ما می‌توانیم با افزودن یک خازن از ریپل AC روی باس DC  خلاص شویم. این خازن ریپل‌های AC  را جذب کرده و یک ولتاژ DC  صاف تحویل می‌دهد. ریپل AC  روی باس DC  معمولا کم‌تر از ۳ ولت است. بنابراین، ولتاژ روی باس DC  حدودا ۶۵۰ ولت  DCمی‌شود .قابل ذکر است، مبدل پل دیودی که موج AC را به DC تبدیل می‌کند معمولا با عنوان مبدل یا کانورتر شناخته می‌شود. مبدلی که DC  را به AC  تبدیل می‌کند نیز یک مبدل است، اما برای تشخیص آن از مبدل دیودی، معمولا به عنوان “اینورتر”  از آن یاد می‌شود.

در شکل بالا، در زمانی که یکی از کلیدهای بالایی در اینورتر بسته می‌شود، فاز متناظر با  آن کلید از سمت موتور به باس جریان مستقیم یا DC از سمت پلاریته مثبت متصل می‌شود و ولتاژ روی آن فاز مثبت می‌شود. وقتی یکی از کلیدهای پایینی را در مبدل می‌بندیم، آن فاز به باس جریان مستقیم از سمت پلاریته منفی متصل می‌شود. در نتیجه، منفی می‌شود. بنابراین، ما توانایی کنترل مثبت یا منفی بودن فازهای متصل به ترمینال موتور را خواهیم داشت که در واقع بیان کننده فرکانس می‌باشد. این نکته قابل ذکر است که در اینورترها، سوئیچینگ یا کلیدزنی از طریق IGBT ها و ترانزیستورها انجام می‌شود.

توجه داشته باشید که خروجی درایو یک شکل موج مستطیلی است. می‌توان گفت معمولا این شکل موج مستطیلی برای یک موتور مسئله‌ای ایجاد نمی‌کند. حال اگر بخواهیم فرکانس موتور را به ۳۰ هرتز کاهش دهیم، می‌توانیم به سادگی سرعت کلیدزنی را کاهش دهیم. اما اگر فرکانس را به ۳۰ هرتز کاهش دهیم، پس باید ولتاژ را نیز تا ۲۴۰ ولت کاهش دهیم تا نسبت V / Hz را حفظ شود. حا اگر ولتاژ ما ۶۵۰ ولت DC باشد، چطور باید ولتاژ را کاهش دهیم؟

توجه داشته باشید که طبق شکل بالا، در طول نیمه اول دوره شکل موج، ولتاژ نیمی از زمان مقدار دارد و در نیمه دیگر صفر است. بنابراین ولتاژ متوسط برابر با نصف ۴۸۰ ولت یا ۲۴۰ ولت است (توجه داشته باشید که محاسبه ولتاژ متوسط و ولتاژ موثر با توجه به شکل موج و مقدار پیک محاسبه می‌شود). بدین صورت، ما می‌توانیم هر میانگین ولتاژی که می‌خواهیم را توسط پالس‌ها تولید کنیم.

مزایای استفاده از درایوهای فرکانس متغیر

۱ – کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های انرژی

در کاربردهایی که نیازی نیست موتور با سرعت بیشینه خود بچرخد، می‌توان هزینه‌های انرژی را با کنترل موتور با یک درایو فرکانس متغیر کاهش دهید. دلیل این نکته این است که امکان تطبیق سرعت موتور متناسب با نیاز بار فراهم می‌شود. به جز استفاده از درایوهای AC، هیچ روش دیگری برای کنترل موتورهای الکتریکی جود ندارد که این امکان را به شما بدهد. امروزه موتورهای الکتریکی بیش از ۶۵ درصد توان مصرفی در صنعت را شامل می‌شوند. سیستم‌های کنترل موتور می‌توانند مصرف انرژی را تا ۷۰ درصد کاهش دهند. علاوه بر این، استفاده از اینورترها کیفیت محصول را بهبود می‌بخشد و هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.

۲ – افزایش تولید از طریق کنترل فرآیند سخت گیرانه تر

با بهره‌برداری از موتور در سرعت بهینه، اشتباهات کمتری رخ خواهد داد و در نتیجه میزان تولید افزایش خواهد یافت، که منجر به افزایش درآمد خواهد شد.

۳ – بهبود طول عمر تجهیزات و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری

به دلیل کنترل بهینه فرکانس و ولتاژ موتور، اینورتر حفاظت بهتری را برای موتور شما در برابر مسائلی مانند اضافه بار، اضافه ولتاژ و … فراهم می‌کند.