تعظيم الكفاءة: دليل عملي لمحركات التردد المتغير ذات الجهد المنخفض (VFDs)

المبدأ الأساسي: كيف تنظم محركات VFD ذات الجهد المنخفض سرعة المحرك وطاقته

أ محرك التردد المتغير ذو الجهد المنخفض (VFD)، الذي يشار إليه غالبًا باسم محرك السرعة القابل للتعديل (ASD)، هو مكون أساسي للتحكم في سرعة الدوران لمحرك التيار المتردد (AC) من خلال إدارة الطاقة الكهربائية الموردة إليه. ينطبق تصنيف "الجهد المنخفض" عادةً على محركات VFD التي تعمل على الفولتية الصناعية القياسية التي تصل إلى 690 فولت. تعتمد العملية الأساسية على تغيير التردد والجهد في وقت واحد، والحفاظ على نسبة ثابتة من الجهد إلى التردد (V/f) لضمان بقاء التدفق المغناطيسي للمحرك ثابتًا ويمكنه توفير عزم الدوران المطلوب.

يقوم VFD داخليًا بتحويل طاقة التيار المتردد الواردة إلى تيار مباشر (DC) باستخدام قسم مقوم، عادةً جسر صمام ثنائي. يتم بعد ذلك تصفية طاقة التيار المستمر هذه بواسطة بنك مكثف وصلة التيار المستمر، مما يعمل على تسهيل الطاقة. أخيرًا، يقوم قسم العاكس، الذي يتكون عادةً من ترانزستورات ثنائية القطب معزولة (IGBTs)، بتحويل التيار المستمر مرة أخرى إلى تردد متغير دقيق وشكل موجة تيار متردد متغير الجهد باستخدام تقنية تسمى تعديل عرض النبض (PWM).

الفوائد العملية والتوفير الفوري في التكلفة من تنفيذ VFD

تمتد الفوائد العملية لدمج VFDs في الأنظمة الصناعية والتجارية إلى ما هو أبعد من التحكم البسيط في السرعة، مما يؤثر بشكل مباشر على تكاليف التشغيل وعمر المعدات وجودة العملية. توفر هذه المزايا عائدًا سريعًا على الاستثمار، خاصة في تطبيقات معالجة السوائل.

تخفيض كبير في الطاقة من خلال قوانين التقارب

بالنسبة لأحمال الطرد المركزي مثل المضخات والمراوح، يتبع استهلاك طاقة المحرك مكعب السرعة (قانون التقارب). وهذا يعني أن الانخفاض الطفيف في السرعة يؤدي إلى انخفاض كبير في الطاقة المسحوبة. على سبيل المثال، يؤدي تقليل السرعة بنسبة 20% فقط (التشغيل بسرعة 80%) إلى تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 50% تقريبًا (0.8^3 = 0.512$). هذه العلاقة التناسبية هي المحرك الأساسي لتحقيق توفير هائل في الطاقة في مرافق التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ومعالجة المياه.

تعزيز التحكم في العمليات وحماية المعدات

توفر VFDs إمكانية "البدء الناعم" عن طريق رفع المحرك ببطء من سرعة الصفر إلى سرعة التشغيل. يؤدي هذا إلى التخلص من تيار التدفق الهائل والصدمة الميكانيكية المرتبطة ببدء التشغيل "عبر الخط"، حيث يتلقى المحرك الجهد الكامل على الفور. من خلال تخفيف الضغط الكهربائي والتآكل الميكانيكي للمكونات مثل التروس، والأحزمة، والوصلات، يعمل VFD على إطالة فترات الصيانة والعمر التشغيلي الإجمالي للمعدات المدفوعة. علاوة على ذلك، يسمح التحكم الدقيق في السرعة بالتنظيم الدقيق للتدفق أو الضغط أو درجة الحرارة، مما يحسن جودة المنتج في عمليات التصنيع.

ملفات تطبيق VFD الشائعة ذات الجهد المنخفض

تتميز VFDs ذات الجهد المنخفض بأنها متعددة الاستخدامات ويتم نشرها في كل قطاع صناعي تقريبًا. عادةً ما يتم تصنيف تطبيقاتها حسب نوع الحمل: عزم الدوران المتغير، أو عزم الدوران الثابت، أو الطاقة الثابتة.

يلخص الجدول أدناه التطبيقات الشائعة وخصائصها:

اعتبارات عملية لاختيار VFD وتركيبه

يعتبر الاختيار والتركيب المناسبان أمرين حاسمين لتحقيق الفوائد الكاملة لـ VFD. وتشمل الاعتبارات الرئيسية الظروف البيئية، وتوافق المحركات، والتخفيف من مشاكل جودة الطاقة المحتملة.

الحجم والمرفقات والعوامل البيئية

يجب أن يكون حجم VFD صحيحًا وفقًا لتصنيف تيار الحمل الكامل (FLA) للمحرك، وغالبًا ما يكون كبيرًا قليلاً للتطبيقات ذات دورات العمل الصعبة أو متطلبات عزم الدوران العالية. يجب أن يكون نوع العلبة مناسبًا للبيئة، بدءًا من NEMA 1 (للأغراض العامة، داخلي) إلى NEMA 4X (مقاوم للتآكل، خارجي/قابل للغسل). يقوم VFD بتوليد الحرارة، لذا فإن خلوص التبريد الكافي والتحكم في درجة الحرارة المحيطة يعد أمرًا إلزاميًا للتشغيل الموثوق.

التخفيف من جودة الطاقة والقضايا التوافقية

يقوم قسم المقوم في VFD بسحب التيار في نبضات قصيرة وعالية السعة، والتي يمكن أن تؤدي إلى تشويه توافقي مرة أخرى في خط الإمداد الكهربائي. وهذا يمكن أن يؤثر سلبا على المعدات الحساسة الأخرى. وتشمل استراتيجيات التخفيف العملية ما يلي:

• أdding AC Line Reactors on the input side to smooth the incoming current and reduce harmonic content.
• تركيب DC Link يختنق بين المقوم وبنك المكثف لتقليل التوافقيات وتحسين استقرار ناقل التيار المستمر.
• استخدام VFDs للواجهة الأمامية النشطة (AFE) أو مقومات 18 نبضة للتطبيقات التي يكون فيها التشوه التوافقي الإجمالي المنخفض جدًا (THD) أمرًا بالغ الأهمية، على الرغم من أن هذه الخيارات تزيد من تكلفة رأس المال الأولية.

أdditionally, the high-speed switching of the IGBTs can generate voltage spikes, which may damage the motor windings over time. For longer motor lead lengths (typically over 50 feet), the installation of load reactors or output filters is highly recommended to protect the motor insulation.