معایب اینورترها و راه حل آن ها

اینورتر ها با تمامی مزایای خود در کنترل فرایند ها و مدیریت بر کار الکتروموتور ها و همچنین صرفه جویی در انرژی، یکسری معایب و اثرات منفی بر مدار و موتور ها نیز دارند که در هنگام استفاده باید به این نکات توجه داشت. ما در این مقاله به صورت کلی معایب اینورتر را معرفی کرده و در ادامه راه حل آن ها را نیز ارائه می دهیم. توجه داشته باشید که راه حل این مشکلات بصورت پیشنهادی است و برای استفاده و رفع این مشکلات حتما با یک کارشناس متخصص در زمینه برق صنعتی مشورت نمایید تا راه حل بهینه برای سیستم شما را پیشنهاد دهد.

به صورت کلی می توان گفت که تمامی انواع درایوها به صورت ساختاری دارای اثرات نامطلوب زیر هستند:

۱-ایجاد ولتاژ ضربه ای

۲- تولید هارمونیک ها در هر دو سمت ورودی و خروجی

۳- ایجاد جریان بیرینگ مخرب

4-ایجاد نویز الکترومغناطیسی

5- افزایش دمای موتور

6- ایجاد صدای آزاردهنده در موتور

7- محدودیت در فاصله موتور تا درایو

تولید ولتاژ ضربه ای

خروجی درایوها چه از نوع مدولاسیون پهنای باند PWM و چه از نوع کنترل مستقیم گشتاور DTC باشند دارای عملکرد کلید زنی یا همان سوئچینیگ می باشند. در هنگام باز و بسته شدن کلید، ولتاژ لحظه ای ضربه ایجاد می گردد که تا ۲ یا ۲.۵ برابر ولتاژ نامی درایو نیز ممکن است برسد. برای مثال اگر درایوی با ولتاژ ۴۰۰ ولت داشته باشیم، میزان ولتاژ ضربه ممکن است به ۱۰۰۰ ولت برسد. با توجه به فرکانس سوئیچینگ که معمولا ۴ کیلوهرتز می باشد این میزان ولتاژ، باعث ایجاد ضربه ای است که در هر ثانیه ۴ هزار بار بر روی قسمت عایق موتور وارد شده و آن را تحت فشار الکتریکی مخربی قرار می دهد.

راه حل:  یکی از راه های رفع این مشکل استفاده از فیلتر ها در قسمت خروجی درایو است که به آن ها چوک خروجی یا موتور چوک نیز می گویند.

تولید هارمونیک

هرگونه فرآیند و یا مداری که شکل موج را از حالت سینوسی خارج کند باعث ایجاد هارمونیک می گردد و این یکی از مهمترین معایب اینورتر ها ست. درایو با توجه به دارا بودن یکسوساز در ورودی و مبدل یا همان اینورتر در خروجی چنین هارمونیک هایی را ایجاد می کند. هارمونیک های بوجود آمده هم برای مدار تغذیه بالادستی و هم برای موتورهای پایین دستی، درایوها آسیب زننده هستند. این هارمونیک ها در مدارات بالا دستی باعث داغ شدن خازن ها و اخلال در عملکرد رله ها می گردند و در موتورها باعث ایجاد گشتاور مخالف، صدای سوت ممتد و نیز گرمای بالا و اعمال فشار الکتریکی بر عایق موتور می گردند.

راه حل: استفاده از موتور چوک یا چوک خروجی و فیلتر خروجی، تا میزان زیادی از اثرات مخرب این هارمونیک ها می کاهد.

تولید جریان بیرینگ مخرب

جریان بیرینگ (Electrostatics Discharge Machining) یا به اختصار  EDM، زمانی اتفاق می افتد که الکتروموتور به یک منبع تغذیه سه فاز غیر سینوسی متصل باشد که در اثر آن برایند ولتاژ ها در ولتاژ نقطه خنثی (Common Mode Voltage ) برابر صفر نخواهد بود. این اتفاق در داخل بیرینگ ها (بلبرینگ ها) می افتد و از اختلاف ولتاژ بین استاتور و روتر بوجود می آید. ولتاژ سطح بیرونی رینگ که به بدنه متصل است با ولتاژ استاتور همسان است و رینگ داخلی بیرینگ که به شافت و روتور متصل است با سطح ولتاژ روتور که کمی عقب تر از استاتور است هماهنگ است. ماده روانکار بین بلبرینگ و رینگ نقش یک ماده دی الکتریک را بازی میکند. حال اگر این اختلاف ولتاژ کمتر از تحمل دی الکتریک باشد در اینجا یک خازن خواهیم داشت. به محضی که این ولتاژ بیشتر از دی الکتریک باشد، دی الکتریک شکسته و باعث تخلیه جریان در بیرینگ مابین ساچمه ها و رینگ داخلی می گردد. وقتی که موتور به منبع سینوسی وصل باشد عملیات تخلیه الکتریکی، نرم و بدون ایجاد خرابی صورت می گیرد. اما در حالتی که موتور به درایو متصل است بعلت وجود اختلاف سطح ولتاژی بالا و ناگهانی، تخلیه الکتریکی بوجود آمده بین بلبرینگ و رینگ داخلی به صورت آرک یا جرقه انجام می شود که این اتفاق باعث ایجاد خوردگی می گردد.

راه حل: برای این مشکل درایو راه حل های متفاوتی پیشنهاد شده است که برخی از این ها رو در اینجا بیان می کنیم:

• استفاده از کابل مناسب :

یکی از راه های مناسب و مطمئن جهت جلوگیری از ایجاد جریان بیرینگ استفاده از کابل سه رشته متقارن شیلددار از قسمت خروجی درایو تا ورودی الکتروموتور است. در این حالت شیلد کابل می تواند جریان نقطه خنثی را به درایو برگرداند.

•  استفاده از بیرینگ های عایق:

استفاده از بلبرینگ های عایق (Insulation Bearings ) در الکتروموتور باعث قطع مسیر جریان می گردند. الکتروموتورهایی که از کنترل دور استفاده می کنند در صورتی که ولتاژ شافت این الکتروموتورها از 500 mV    بیشتر باشد ، باید از بیرینگ  عایق استفاده کنند [IEC 60034 -17: 1994]. به غیر از استفاده از بیرینگ های عایق می توان با استفاده از مواد عایق در کاسه بیرینگ نیز مسیر عبور جریان را قطع نمود .

• سیستم ارت مناسب تجهیزات :

استفاده از سیستم ارت مناسب جهت تجهیزات مدار مانند تابلو برق ها ، الکتروموتورها ، بدنه ماشین آلات و … در کاهش عوارض ناشی از جریان بیرینگ بسیار مفید است . در این راستا و بدلیل جذب و تبخیر آب، پایش و آزمایش چاه های ارت و در فصول گرم سال، اضافه نمودن آب به چاه های ارت بسیار حائز اهمیت است . یکی از راه های کاهش تاثیرات جریان بیرینگ مخرب  ، نصب ذغال روی شافت الکتروموتور است که از این طریق شافت الکتروموتور با مقاومت بسیار پایین ارت شده و باعث تخلیه جریان بدون ایجاد جرقه و عبور نرم جریان از بلبرینگ می گردد .

• استفاده از فیلترهای مناسب در اینورتر  :

همانطور که در موارد قبلی نیز پیشنهاد شد، استفاده از فیلتر های مناسب که توسط شرکت سازنده درایو در کاتالوگ دستگاه پیشنهاد می شود، مانند فیلتر Common Mode Filter و سایر فیلترهای موجود، برای جلوگیری از بوجود آمدن جریان بیرینگ بسیار موثر می باشند. این فیلترها معمولا ًدر کنترل دور های با توان بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

تولید نویزهای الکترومغناطیسی

تمامی درایو ها بدلیل تولید پالس یکسری امواج الکترومغناطیسی نیز ایجاد می کنند که ممکن است روی دستگاه های مجاور آن ها تاثیرات منفی بگذارد. این تاثیرات ممکن است در برخی جاها خطرناک باشد مانند بیمارستان ها، مراکز مخابراتی یا مراکز دارای دستگاه های حساس و پیچیده نظامی. به همین دلیل یک استاندارد بنام سازگاری الکترومغناطیسی ارائه شده که با نام مخفف EMC شناخته می شود و دستگاه های یک مجموعه برای کاهش تداخلات الکترومغناطیسی باید تابع این استاندارد باشند. درایوها بسته به اینکه شبکه بالادستی آن ها در زمان نصب چه باشد باید از فیلترهای مناسب برای اطمینان از سازگاری الکترومغناطیس استفاده کنند. شبکه های بالادستی کنترل دور به دو نوع شبکه صنعتی و شبکه خانگی تقسیم بندی می شوند.

راه حل:

الف) استفاده از فیلتر

استفاده از فیلترهای سینوسی و یا du/dt باعث کاهش اختلالات ایجاد شده می شود که با کمی اغماض می توان از آنها در مراکز حساس به امواج و تداخلات الکترومغناطیسی مثل بیمارستان ها، استفاده نمود. در نظر داشته باشید استفاده از این فیلتر ها هزینه مصرف برق را تا حدود 5 درصد افزایش می دهد.

ب) استفاده از کابل شیلددار

درصورت استفاده از کابل های شیلددار تا حدودی جلوی انتشار امواج الکترومغناطیسی گرفته می شود. استفاده از کابل های شیلددار و اتصال به زمین نمودن دو سر انتهایی آن ها نیز از شرایط انطباق با استاندارد EMC می باشد.

افزایش دمای موتور

همانطور که می دانید از درایو برای راه اندازی الکتروموتور در سرعت هایی با کمتر از سرعت نامی آن استفاده می شود. در چنین شرایطی و با وجود هارمونیک ها و نوسان های سرعت در موتور، دمای موتوری که با اینورتر کار می کند افزایش پیدا می کند. فن خنک کننده موتور ها به روتور متصل است و وقتی سرعت موتور کم می شود سرعت فن نیز کم شده و در حالی که موتور نیاز به تهویه دارد این کار به درستی انجام نمی شود.

در چنین مواردی موتور بدلیل وجود بار ناشی از گرمای هارمونیکی و محروم بودن از خنک شوندگی معمول خود دچار افت عملکرد و کاهش عمر مفید خواهد شد. طبق بررسی های انجام شده هر ۱۰ درجه افزایش دمای بیشتر از دمای نامی موتور باعث نصف شدن عمر موتور می گردد.

راه حل: در صورتیکه موتور شما بصورت مداوم در سرعت های پایین استفاده نمی شود می توانید با انتخاب الکتروموتور هایی با ضریب سرویس بالاتر این مشکل را تا حدی مرتفع نمایید. اما در صورتیکه در مدت زمان طولانی تری موتور با سرعت پایین کار می کند باید یک فن یا دمنده جداگانه که با سرعت ثابتی می چرخد را برای خنک سازی الکتروموتور خود بکار ببرید.

تولید صدای آزار دهنده توسط موتور

درایوها عمل سوییچینگ را برای کنترل دور موتور انجام می دهند که در نتیجه این کار موتور صدایی شبیه به زوزه یا جیغ را تولید می کند. این صدای آزار دهنده در نتیجه تلف شدن و استهلاک هارمونیک ها در موتور بوجود می آید و میزان آن با میزان فرکانس سوئیچینگ اینورتر بصورت مستقیم رابطه دارد. این صداها، محیط کارگاه را به شدت آزار دهنده می کنند و ممکن است در دراز مدت آستانه شنوایی افراد را کاهش دهد.

راه حل: با کمی افزایش فرکانس سوئیچینگ IGBT های اینورتر، صدای تولید شده تا حدودی از آستانه شنوایی انسان خارج شده و از میزان آزار دهندگی آن کاسته خواهد شد، هرچند که هنوز هم وجود دارد. همچنین می توان درایو را در تابلوی مناسبی در فاصله دورتری از محل کارگاه نصب کرد.

از دیگر معایب اینورتر: فاصله محدود موتور تا درایو

بدلیل وجود اندوکتانس ناشی از ولتاژ در کابل و همچنین ایجاد حالت خازنی مابین سیم های رسانای داخل کابل و حالت خازنی بین کابل و زمین،  ما مقاومت اهمی و سلفی داریم که منجر به تلفات انرژی خواهد شد و بنابر این استفاده از کابل طولانی بین درایو و موتور امکان پذیر نیست.

همچنین باید توجه داشت که بدلیل انتقال ولتاژ پالسی توسط کابل قدرت واسطِ بین اینورتر و الکتروموتور، دامنه ولتاژ افزایش می یابد و باعث افزایش زیاد سطح ولتاژ در انتهای کابل و بر روی ورودی موتور خواهد شد. بنابراین مقدار کابل را نمی توان مانند روش های راه اندازی مستقیم و یا ستاره مثلث از جداول ارائه شده در آورد، و باید با توجه به نوع درایو و کاربرد آن، سیستم کنترلی موجود و نیز استفاده و یا عدم استفاده از فیلترهای اینورتر و طبق کاتالوگ شرکت سازنده انتخاب گردد.

راه حل: برای کاهش حالت خازنی بوجود آمده و یا از بین بردن آن ، اتصال به زمین در دو سر کابل الزامی است و باید حتما از کابل های شیلددار استفاده کرد تا علاوه بر امکان زمین نمودن پوسته کابل برای جلوگیری از حالت خازنی، از انتشار نویز الکترومغناطیسی در محیط اطراف کابل نیز جلوگیری شود. راه های زیر نیز توصیه می گردد:

الف) استفاده از درایو در نزدیکی موتور

 این کار باعث کاهش طول می شود اما همیشه نیز امکان پذیر نیست زیرا در بیشتر اوقات در مجاورت موتور ها فضای کافی یا مناسب برای نصب و راه اندازی درایو وجود ندارد و یا اینکه فراهم آوردن چنین فضایی دارای هزینه زیاد یا خارج شدن از حالت استاندارد را موجب می شود.

ب) استفاده از فیلتر  du/dt

این فیلتر با پاکسازی پیک های بوجود آمده از سوئیچینگ IGBTها، افزایش میزان ولتاژ پیک را کاهش می دهد و همچنین امکان طولانی شدن کابل را تا دو برابر مقدار مجاز حالتی که از فیلتر استفاده نمی کنیم را فراهم می آورد.

ج) استفاده از فیلتر سینوسی

فیلتر سینوسی از انواع فیلترهای پایین گذر بوده که در قسمت خروجی درایو نصب می شوند و موجب خنثی شدن فرکانس سوئیچینگ درایو و صاف شدن شکل موج خروجی میگردد. این فیلتر ها از فشار بار بر روی عایق بندی سیم پیچ الکتروموتور می کاهند، موجب کاهش جریان گردابی بوجود آمده در موتور و کاهش آلودگی های صوتی توسط موتور می شود. این فیلتر به افزایش طول کابل کمک می کند، اما از آنجایی که باعث کاهش جریان نشتی نمی شود، محدودیت هایی را در طول کابل خواهیم داشت و این طولانی شدن نامحدود نیست.

جمع بندی

همانطور که دیدیم در صورت توجه نداشتن به الزامات استفاده از درایو ممکن است مشکلاتی پیش بیاید که عملکرد سیستم ما را تحت تاثیر قرار دهد. قطعا شرکت های تولید کننده نیز به مرور زمان سعی خواهند کرد با توسعه تکنولوژی ساخت اینورتر ها بخشی از معایب اینورتر ها را جبران کنند برای نمونه یکسری از درایو ها با برخی فیلتر های داخلی عرضه می شوند. در انتها دوباره توصیه می کنیم که قبل از خریداری درایو و استفاده از آن با کارشناسان اتوماسیون صنعتی در این خصوص مشورت نمایید تا برای رفع این ایرادات از قبل برنامه ریزی داشته باشید و اگر نیاز به تهیه تجهیزاتی هست همزمان با سفارش درایو آن ها را هم تهیه نمایید.