سنتعرف في هذا المقال إلى مغير التردد وتطبيقاته، كما سنغطي أيضًا المحوِّل وعلاقته بالتيار المستمر بالتفصيل. ثم سنشرح لاحقًا ترانزستور ثنائي القطب ذا البوابة المعزولةIGBT، . وكيف يسمح تعديل عرض النبضة PWM لخرج التيار المتناوب للمحرك بالتحكم الدقيق في سرعة المحرك.
سرعة دوران محرك التيار المتناوب:
تدور محركات التيار التحريضي أو المتناوب الكهربائية بمعدل يُحدد بناءًا على عدد أقطاب المحرك نفسه والطاقة المزوّدة له.
يرتبط التردد (المقاس بالهرتز) ارتباطًا مباشرًا بعدد الدورات في الدقيقة للمحرك ( RPM). كلما ازداد التردد؛ يزداد عددُ الدورات RPM أو تزداد سرعة المحرك.
تزوَّد في الولايات المتحدة الأميركية محطاتُ توليد الطاقة الكهربائية بطاقةٍ متناوبة بتردد 60 هرتز وهو المعيار الذي يكافئ تشغيل محرك متناوب بقطبين يعمل على هذا التردد بعدد دورات اسمي 3600 دورة في الدقيقة.
تخفيض السرعة:
إذا كان التطبيق (المشروع) لا يتطلب محركًا كهربائيًّا يعمل بالسرعة العظمى 3600 (دورة في الدقيقة) – وهو أمرٌ شائع جدًّا – فهناك بعض الحلول:
أولًا: استخدام مخفّض سرعة ميكانيكي:
يخفض سرعةَ الخرج ميكانيكيا بزيادة عزم الدوران، حيث عددُ أسنان مسنن الخرج أكثرُ منها في مسنن الدخل.
يتطلب المخفض تزييتا (تشحيماً)، وليس لديه أي مرونة، كما أنه يهتز ويصدر ضجيجاً، وليس مناسبًا في حالِ كان الانزياح بين الأطوار كبيرًا.
ثانيا: إضافة مزيد من أزواج الأقطاب:
يقلل من سرعة المحرك دون تغييرها كهربائيًّا، في هذه الطريقة تسمح أنظمة الترانزستورات بتشغيل أو إيقاف الأقطاب الموجودة داخل المحرك. ومع ذلك، يمكن أن تكون هذه الأنظمة معقدة ولا توفّر تحكمًا دقيقًا.
ثالثا: استخدام مغير التردد VFD:
يمكن ضبطُه بدقة لتوليد منحنى تردد وجهد، بحيث يعمل المحرك تبعًا لمتطلبات الحمل (السرعة والجهد المطلوب).
إحدى الميزات المهمّة لمغير التردد هي أنه عندما نحتاج إلى سرعة محرك متغيرة في تطبيق معين، فإنه ببساطة يمكن لمحرك التردد المتغير VRF رفعُ أو خفض سرعة المحرك من أجل تلبية متطلبات التشغيل الجديدة، ولا يمكن تحقيق هذه الميزة عند استخدام مخفّض السرعة الميكانيكي أو نظام الترانزستور لزيادة عدد الاقطاب فقط.
تطبيقات مغير التردد VFD
يتنشر استخدامُ مغيرات التردد في عددٍ من التطبيقات الصناعية والتجارية، مثلَ التطبيقات الصناعية للتحكُّم في آلات البثق، والرافعات الكهربائية،و الأفعوانية، والثيران الميكانيكية، وغيرها.
أما في التطبيقات التجارية، فيستخدم مغير التردد VFD على نطاقٍ واسع في المضخات للتحكم في التدفق والحجم في خزان الماء، وكذلك في صناعة أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف HVAC، التي تُعدُّ تقنيةً صديقةً للبيئة.
أخيراً ، يعمل مغير التردد على التحكم بالترددَ المطبق على محرك التيار المتناوب الكهربائي من أجل التحكم في سرعته، والسماح ببدء تشغيل سَلس، وضبط سرعة المحرك حسبَ متطلبات التطبيق.
والآن بعد أن عرفنا لماذا يستخدم مغير التردد وأين يستخدم، سنتعمق في كيفية عمله.
الدارة الكهربائية لمغير التردد VFD:
دعنا ننظر إلى المخطط التالي:
بداية ما نراه T3 هو محوِّل التيار وظيفته قياسُ تيار الدخل في VFD، ثم تقوم عناصر مغير التردد بالمقارنة بين تيار الدخل وتيار الخرج اللذين يقاسان بمحولي التيارين المشار إليهما على الترتيب T1 و T2
إذا كان التيار الذي قيسَ مختلفًا، فسيتوقف الـ VFD بسبب خطأ نسميه خطأَ التأريض.
مقوّم أو مبدل سداسي النبضات:
بعد محولات التيار؛ لدينا المبدل، ويسمى أيضًا المقوّم، إذا أردنا توسيع مخطط المقوّم والنظر إليه فهذا ما سيبدو عليه.
يطلق على هذا الشكل مبدل أو مقوّم التيار سداسي النبضات، وهو المكان الذي يحوَّل فيه التيارُ المتناوب ثلاثيُّ الطور إلى تيار مستمر باستخدام ثنائيات الديودات.
يمكن -باستخدام محاكاة للنظام الهيدروليكي- مكافأةُ الديودات الستة بصمامات الفحص، الشكل الذي ترتبط به الثنائيات ببعضها هو شكلٌ استشرافيٌّ للغاية.
تسمح الصمامات بتدفق التيار في اتجاه واحد، مثلما تمرر الديودات التيار (يظهر الاتجاه بالسهم الموجود على رمز الديود).
يمرُّ التيار الكهربائي بالديود في اتجاه السهم الموجود على رمز الديود، أيْ أن التيار يمر من القطب الموجب إلى القطب السالب، كما هو موضح في الشكل الأدنى.
لا يمر التيار إلا في حال كان الجهد عند القطب الموجب أكبرَ من الجهد عند القطب السالب؛ لذلك سنتبع الخطوات التالية عند توصيل محرك التيار المتناوب ثلاثي الطور بالمحوّل:
- عندما يكون جهد الطور A أكبرَ من جهد الطور B أو C يفتح الديود A ويسمح للتيار بالمرور.
- عندما يصبح جهد الطور B أكبر من جهد الطور A سيغلق الديود A ويفتح الديود B.
تنطبق الطريقة ذاتها على الطور C، وكذلك على الثنائيات الموجودة على الجانب الأخر.
ينتج عن ذلك ستة موجات (نبضات) من التيار حيث يفتح كل ديود ويغلق تناوبًا، وسيكون شكل الموجة الناتج كما في الشكل الأدنى.
ناقل التيار المستمر أو مرشح التيار المستمر والعازل (Buffer):
بعد ذلك، لدينا مرشح التيار المستمر والمخزن الموقت، المعروف أيضًا بناقل التيار المستمر. يَتشكل ناقل التيار المستمر من مكثف ومقاومة واحدة فقط كما في الشكل أدناه، ولكن في الحقيقة هناك كثير من المكثفات والمقاومات المرتبطة على التوالي وعلى التفرع (التوازي).
بما أن المكثفات غير مشحونة، فإن ممانعتها منخفضة جدًّا، وإذا كنا سنشحنها بدون وجود فيوز دخل من أجل حماية الدارة فيمكن أن يؤدي التيار الأولي إلى إتلاف أجهزة الطاقة في الدخل أو المقوّم.
لتفادي هذه الحالة، نستخدم دارة خاصة تدعى دارة تنظيم الجهد (pre-charging circuit) و هي دارة تحديد للتيار تعمل على إبطاء معدل شحن مكثفات الناقل أثناء التشغيل. تتكوّن الدارة الموضحة هنا من: كونتاكتور – مقاومة – جهاز تحكم بالحرارة (ثيرموستات).
حين نزود مغير التردد بالطاقة ولم تشحن كامل المكثفات بعد؛ تبدأ المكثفاتُ الشحنَ عبر المقاومات، وبمجرّد أن تحدد عناصر التحكم الخاصة بـمغير التردد أن ناقل التيار المستمر مشحون بالكامل، فإنه سيغلق التلامس ليصبح المسار أقل مقاومة لمرور التيار الكهربائي.
في حال عدم إغلاق الكونتاكتور ولا يزال مغير التردد يشغل المحرك الثلاثي الطور، سيزداد التيار المار بالمقاومة مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المقاومة؛ عندها سيعمل منظم الحرارة (الثيرموستات) ويفصل مغير التردد بسبب ارتفاع درجة الحرارة.
إنّ وظيفة المقاومة الخاصة بناقل التيار المستمر هي تقسيم الجهد وتضمُّن أن جميع المكثفات لها نفس الجهد.
الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة IGBT:
لدينا أخيرًا ترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة IGBT، وهي الخطوة الأخيرة في خرج مغير التردد: وهي عبارة عن محوّل من التيار المستمر إلى التيار المتناوب مع تعديل عرض النبضة. سنشرح هذا لاحقًا بمزيدٍ من التفاصيل، ابقوا متابعين.
ملخص:
تسمح مغيرات التردد بالتحكم الدقيق في سرعة المحرك الكهربائي، وذلك بتغيير التردد والجهد لمصدر الطاقة الخاصة به.
- المحوّل أو المقوّم: يتألف من الديودات، ويحوّل التيار المتناوب إلى تيار مستمر.
- ناقل التيار المستمر: مكوّن من مكثفات ومقاومات ومرشح التيار المستمر .
- وَحدة الترانزستورات ثنائية القطب: تحوّل التيار المستمر إلى تيار متناوب.
شرحنا بالتفصيل المحوِّل وناقل التيار المستمر، سنشرح قريبًا وَحدة الترانزستورات ثنائية القطب وكيف يسمح تعديل عرض النبضات بإخراج التيار المتناوب إلى المحرك للتحكم تحكمًا دقيقًا في سرعة المحرك.
المصدر: هنا
ترجمة: رؤى عثمان، مراجعة: رلا دنوره، تصميم: علي العلي، تدقيق لغوي: محمد بابكر، تحرير: نور البوشي.
