محرك التردد المتغير (VFD) هو جهاز كهربائي يستخدم للتحكم في سرعة وأداء المحركات الكهربائية، ويستخدم على نطاق واسع في مجال التحكم في الأتمتة الصناعية. إنه ينظم تردد الخرج والجهد لمحركات التيار المتردد، وبالتالي يتحكم في سرعة المحرك وعزم الدوران، ويتيح التحكم الذكي والفعال والموفر للطاقة- في المعدات.
يتكون محرك التردد المتغير بشكل أساسي من قسم نقل الطاقة، وقسم المقوم، وقسم العاكس، ودوائر التحكم. يستخدم قسم نقل الطاقة محولًا لخفض جهد شبكة الإدخال (عادةً 380 فولت أو 220 فولت) إلى جهد الإدخال المطلوب. يقوم قسم المقوم بتحويل طاقة التيار المتردد المدخلة إلى طاقة تيار مستمر، بينما يقوم قسم العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر مرة أخرى إلى طاقة تيار متردد -عالية التردد. تقوم دوائر التحكم بتوجيه وإشارات التحكم في المعالجة لتنظيم خرج محرك الأقراص.
تتضمن الوظائف الأساسية لـ VFD التحكم في محرك السرعة المتغيرة-، وتنظيم الطاقة، والحماية من الجهد الزائد للتيار الكهربائي والأحمال الزائدة. من خلال ضبط تردد الخرج والجهد لـ VFD، يمكن تحقيق تحكم موثوق ودقيق للمحرك تحت أحمال مختلفة، مع تنفيذ أيضًا استراتيجيات التحكم المختلفة في المحرك مثل التحكم في المنطقة، والتحكم في المتجهات، والتحكم في الحلقة- المفتوحة.
نظرًا لمزايا التشغيل المستقر والتحسينات الكبيرة في الأداء وتوفير الطاقة، تُستخدم محركات التردد المتغير على نطاق واسع في عمليات ومجالات الإنتاج المختلفة، مثل التحكم في المضخة وأنظمة التهوية وأنظمة التبريد وإنتاج المصانع والروبوتات.
مبدأ العمل لمحرك التردد المتغير
محرك التردد المتغير هو جهاز كهربائي يستخدم لتنظيم سرعة تشغيل محرك التيار المتردد. مبدأ عملها الأساسي هو كما يلي:
يقوم العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد ويضبط سرعة تشغيل المحرك وعزم الدوران من خلال التحكم في المعلمات مثل الجهد والتردد والمرحلة. يمكن تقسيم عملية التشغيل المحددة بشكل عام إلى الخطوات التالية:
1. التصحيح: يستخدم العاكس دائرة مقوم لتحويل طاقة التيار المتردد من مصدر التيار الكهربائي إلى طاقة التيار المستمر.
2. الترشيح: تضمن دائرة الترشيح توصيل طاقة التيار المستمر بسلاسة إلى دائرة العاكس، مما يمنع ضوضاء النبض عالية التردد الصادرة عن التيار من تلويث مصدر الطاقة.
3. العكس: تقوم دائرة العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة التيار المتردد المطلوبة.
4. التحكم في الإخراج: من خلال التحكم في الجهد، والتردد، والطور لإخراج دائرة العاكس، يقوم VFD بضبط حالة تشغيل المحرك لتحقيق التحكم في سرعة المحرك بدون خطوات.
5. وظائف الحماية: يتميز العاكس أيضًا بوظائف الحماية المختلفة، مثل التيار الزائد، والحمل الزائد، والجهد الزائد، وحماية الجهد المنخفض، مما يضمن التشغيل الآمن والمستقر لكل من المحرك والعاكس.
باختصار، يقوم العاكس بضبط حالة تشغيل المحرك من خلال التحكم في المعلمات مثل تردد التيار المتردد والجهد، مما يتيح التحكم في السرعة بدون خطوات لتلبية متطلبات التحكم في المحرك لمختلف التطبيقات.
هيكل الدائرة الرئيسية لمحرك التردد المتغير
يتكون هيكل الدائرة الرئيسية لمحرك التردد المتغير بشكل أساسي من دائرة مقوم، ومكثفات وسيطة، ودائرة عاكسة، ودائرة مرشح الإخراج. على وجه التحديد، فإنه يشمل المكونات التالية:
1. دائرة المقوم: تتكون دائرة المقوم لمحرك التردد المتغير بشكل أساسي من جسر مقوم ومكثفات التيار المستمر. عن طريق إضافة جسر مقوم ومرشح تيار مستمر إلى محطة إدخال التيار المتردد الأصلية، يتم تحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر.
2. المكثفات المتوسطة: يتم استخدام المكثفات المتوسطة في المقام الأول لضمان جهد التيار المستمر السلس والمستقر للعاكس، بينما تعمل أيضًا كمرشح للإخراج.
3. دائرة العاكس: تشتمل دائرة العاكس على طبولوجيا مختلفة، مثل تكوينات نصف -جسر وكامل-جسر، لتحويل جهد التيار المستمر إلى جهد تيار متردد. ويستخدم التحكم PWM لإخراج جهد التيار المتردد مع شكل موجة جيبية قريبة-، وبالتالي تحقيق التحكم في السرعة.
4. دائرة مرشح الإخراج: تتكون دائرة مرشح الإخراج بشكل أساسي من نوعين: مرشحات من النوع L- ومرشحات من النوع LC-. يتم استخدامها لتصفية ضوضاء التردد العالي- الناتجة عن دائرة العاكس، وبالتالي إنتاج جهد تيار مستمر جيبي سلس عند طرف الخرج.
باختصار، يتطلب هيكل الدائرة الرئيسية لمحرك التردد المتغير (VFD) اختيار المكونات المناسبة بناءً على متطلبات التطبيق الفعلية، بما في ذلك الأجهزة النشطة (مثل IGBTs وMOSFETs) والأجهزة السلبية (مثل المكثفات والمحاثات)، لتحقيق التحكم في سرعة المحرك بدون خطوات.
هيكل دائرة التحكم لمحرك التردد المتغير
ينقسم هيكل دائرة التحكم لمحرك التردد المتغير بشكل أساسي إلى المكونات التالية: الواجهات الطرفية، وحدة معالجة إشارة الإدخال، وحدة المعالجة المركزية، وحدة التحكم في إشارة الخرج، ووحدة إمداد الطاقة.
1. الواجهات الطرفية: وتشمل واجهات الاتصال لإشارات الإدخال والإخراج، المستخدمة للاتصال والتفاعل مع الأجهزة الخارجية.
2. وحدة معالجة إشارات الإدخال: تقوم هذه الوحدة بمعالجة وتحويل إشارات الإدخال المختلفة. فهو يقبل أنواعًا متعددة من إشارات الإدخال، مثل الإشارات التناظرية أو الرقمية، ويحولها إلى إشارات تحكم قياسية لإخراجها إلى وحدة المعالجة المركزية، مما يتيح التعرف على إشارات التحكم ومعالجتها.
3. وحدة المعالجة المركزية: هذا هو المكون الأساسي للعاكس، المسؤول عن حساب والتحكم في تردد وجهد خرج المحرك، وكذلك التحكم في تشغيل مكونات الإخراج مثل محولات IGBT. تحتوي وحدة المعالجة المركزية عادةً على وحدة معالجة مركزية واحدة أو أكثر وذاكرة داخلية لتخزين المعلمات المحددة وبرامج التحكم.
4. وحدة التحكم في إشارة الإخراج: تتحكم هذه الوحدة في تشغيل مكونات الإخراج. من خلال التحكم في مكونات الإخراج مثل IGBTs، فإنه ينظم تردد وجهد خرج المحرك، وبالتالي التحكم في سرعة المحرك وعزم الدوران.
5. وحدة إمداد الطاقة: توفر هذه الوحدة مصدر طاقة ثابتًا وتستخدم مكونات مثل المرشحات لتصفية وتنعيم تموج التردد العالي- في خرج المحرك، مما يضمن استقرار النظام وموثوقيته.
باختصار، يتكون هيكل دائرة التحكم لمحرك التردد المتغير من وحدات متعددة، تؤدي كل منها وظيفة محددة. تعمل هذه الوحدات بشكل متضافر لتحقيق وظائف التحكم في محرك الأقراص بشكل جماعي.