روش‌های رفع مشکلات اختلال ناشی از ترانسفورماتورهای فرکانس تغییردهنده

Thread Content

مبدل فرکانس شامل مدار تقویت و مدار تولید موج ولتاژ پالسی است؛ ولتاژ جریان متناوب ورودی، از طریق مبدل فرکانس و مدار تقویت، به ولتاژ جریان مستقیم تبدیل می‌شود. سپس، این ولتاژ جریان مستقیم توسط مبدل معکوس به ولتاژ پالسی با عرض مختلف تبدیل می‌گردد (که به آن ولتاژ کنترل شده با عرض پالس، یا PWM، گفته می‌شود). با استفاده از این ولتاژ PWM برای راه‌اندازی موتور، می‌توان گشتاور و سرعت موتور را تنظیم کرد. این نحوه کار، منجر به سه نوع اختلال الکترومغناطیسی می‌شود: ۱. اختلالات هارمونیک: مدارهای تبدیل جریان، جریان‌های هارمونیک تولید می‌کنند؛ این جریان‌ها باعث کاهش ولتاژ در امپدانس سیستم تأمین برق می‌شوند و در نتیجه شکل موج ولتاژ دچار تغییر می‌گردد. این ولتاژ تغییریافته، برای بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مشکل ایجاد می‌کند (زیرا اکثر دستگاه‌های الکترونیکی تنها در شرایط ولتاژ موج سینوسی می‌توانند کار کنند). تغییر رایج در ولتاژ، صاف شدن قسمت بالایی موج سینوسی است. هنگامی که جریان هارمونیک ثابت باشد، تحریف ولتاژ در منابع تغذیه‌ای ضعیف شدیدتر می‌شود. ویژگی این اختلال این است که باعث ایجاد اختلال در دستگاه‌هایی می‌شود که به یک شبکه برق متصل هستند، و این امر بستگی به فاصله بین دستگاه و تبدیل‌کننده فرکانس ندارد. ۲. اختلال ناشی از انتشار فرکانس رادیویی: از آنجایی که ولتاژ بار به صورت پالسی است، جریانی که تبدیل‌کننده فرکانس از شبکه برق دریافت می‌کند نیز پالسی خواهد بود. این جریان پالسی حاوی مقدار زیادی از اجزای فرکانس بالاست که منجر به ایجاد اختلالات فرکانس رادیویی می‌شود. ویژگی این اختلالات این است که باعث اختلال در دستگاه‌هایی می‌شوند که از همان شبکه برق استفاده می‌کنند؛ و این امر مستقل از فاصله بین دستگاه و تبدیل‌کننده فرکانس است. ۳. اختلالات ناشی از تشعشعات رادیوفرکانسی: این اختلالات از کابل‌های ورودی و خروجی کنترلر فرکانسی نشأت می‌گیرند. در موارد اختلال ناشی از انتقال فرکانس رادیویی که ذکر شد، هنگامی که جریان اختلال رادیویی در کابل ورودی تبدیل‌کننده فرکانس وجود داشته باشد، از آنجایی که کابل معادل یک آنتن عمل می‌کند، لزوماً تشعشعات مغناطیسی الکتریکی ایجاد شده و اختلالات تشعشعی به وجود می‌آید. ولتاژ PWM که از طریق کابل خروجی درون‌ساز فرکانس منتقل می‌شود، نیز حاوی مقادیر زیادی از ارتعاشات فرکانس بالا است؛ این امر منجر به تولید امواج الکترومغناطیسی و ایجاد اختلالات رادیویی می‌گردد. ویژگی اختلالات ناشی از تشعشعات این است که هنگام نزدیک شدن سایر دستگاه‌های الکترونیکی به درون‌سوییچ، میزان اختلالات افزایش می‌یابد. بر اساس اصول بنیادین الکترومغناطیسی، برای ایجاد نویز الکترومغناطیسی سه عنصر ضروری وجود دارد: منبع نویز الکترومغناطیسی، مسیر انتقال نویز، و سیستمی که نسبت به نویز الکترومغناطیسی حساس باشد. برای جلوگیری از اختلالات، می‌توان از روش‌های ضداختلال سخت‌افزاری و نرم‌افزاری استفاده کرد. در میان این روش‌ها، مقاومت سخت‌افزار در برابر اختلالات، پایه‌ای‌ترین و مهم‌ترین راهکار برای مقابله با اختلالات است. معمولاً برای کنترل اختلالات، از دو روش یعنی مقاومت در برابر آن‌ها و حذف آن‌ها استفاده می‌شود. اصل کلی این روش‌ها، کنترل و حذف منابع ایجادکننده اختلالات، قطع مسیرهای انتقال اختلالات به سیستم، و کاهش حساسیت سیستم نسبت به سیگنال‌های اختلال‌زا است. روش‌های عملی در این زمینه می‌تواند شامل جداسازی، فیلتر کردن، محافظت و اتصال به زمین باشد. موارد زیر، مراحل اصلی برای رفع اختلالات در محیط کار هستند: ۱. استفاده از راهکارهای نرم‌افزاری برای مقابله با اختلالات: به عبارت دقیق‌تر، این کار از طریق رابط کاربری دستگاه تغییر فرکانس انجام می‌شود؛ یعنی فرکانس حامل دستگاه کاهش داده شده و به یک محدوده مناسب درمی‌آید. اگر این روش مؤثر نباشد، تنها می‌توان از اقدامات سخت‌افزاری ضد اختلال زیر استفاده کرد. ۲. انجام اتصال زمین صحیح: از طریق بررسی‌های میدانی، مشخص می‌شود که وضعیت اتصال زمین در محل، چندان مطلوب نیست. و زمین‌گیری صحیح، هم می‌تواند به سیستم کمک کند تا مزاحمت‌های خارجی را به طور مؤثر کنترل کند و هم می‌تواند مزاحمت‌های ناشی از دستگاه خود را کاهش دهد؛ بنابراین این روش، مؤثرترین راه برای حل مشکلات ناشی از مزاحمت‌ها در فرکانس‌تغییردهنده‌ها است. به طور مشخص، باید موارد زیر رعایت شود: (۱) ترمینال E مدار اصلی درون‌ساز فرکانس، باید به زمین متصل شود؛ این اتصال می‌تواند با موتور متصل به درون‌ساز فرکانس یکسان باشد، اما نباید با سایر تجهیزات مشترک باشد. باید یک الکترود جداگانه برای اتصال به زمین در نظر گرفته شود، و این نقطه اتصال باید تا حد امکان از نقاط اتصال تجهیزات الکترونیکی ضعیف دور باشد. همچنین، مساحت مقطع سیم زمین‌کردی ترانسفورماتور باید حداقل ۴ میلی‌متر مربع باشد و طول آن باید در محدوده ۲۰ متر باشد. (۲) در سیم‌های زمین تجهیزات مکانیکی و الکتریکی دیگر، زمین محافظتی و زمین کاری باید به صورت جداگانه با الکترودهای زمین مجزا تنظیم شوند و در نهایت به نقطه اتصال الکتریکی کابینت توزیع برق متصل گردند. زمین محافظ سیگنال‌های کنترلی و زمین محافظ سیم‌های مدار اصلی نیز باید به صورت جداگانه دارای الکترود زمین باشند و در نهایت به نقطه اتصال الکتریکی کابین توزیع برق متصل شوند. ۴. مسدود کردن منابع اختلال: مسدود کردن منابع اختلال، روشی بسیار مؤثر برای کاهش اختلالات است. معمولاً خود درایو فرکانس تغییردهنده با محفظه‌ای آهنی محافظت می‌شود تا از نشت اختلالات الکترومغناطیسی جلوگیری شود، اما بهتر است سیم‌های خروجی درایو نیز با لوله فولادی محافظت شوند و علاوه بر آن، حلقه‌های مغناطیسی نیز نصب گردد که به صورت موازی و در ۳ تا ۴ دور پیچیده شوند؛ این کار به کاهش هارمونیک‌های پرفرکانس کمک می‌کند. به‌ویژه هنگامی که درایو فرکانس تغییردهنده توسط سیگنال‌های خارجی (سیگنال‌های ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر از کنترلر) کنترل می‌شود، لازم است که طول سیم‌های کنترلی تا حد امکان کوتاه باشد (معمولاً کمتر از ۲۰ متر) و باید از سیم‌های دوسیمی محافظت‌شده استفاده شود؛ همچنین این سیم‌ها باید کاملاً از سیم‌های مدار اصلی (AC380) و سیم‌های کنترلی (AC220V) جدا باشند. علاوه بر این، خطوط تجهیزات حساس الکترونیکی در سیستم نیز نیازمند استفاده از سیم‌های پیچیده محافظت‌شده هستند، به‌ویژه برای سیگنال‌های فشار. همچنین، تمام سیم‌های سیگنال در سیستم نباید در همان لوله یا کانال سیم‌کشی با سیم‌های مدار اصلی و سیم‌های کنترلی قرار گیرند. برای اینکه محافظت مؤثر باشد، لایه محافظ باید به‌طور قابل اعتمادی به زمین متصل شود. ۵. روش‌های معقول برای کابل‌کشی عبارتند از: (۱) سیم‌های برق و سیگنال دستگاه‌ها باید تا حد امکان از سیم‌های ورودی و خروجی فرکانس‌تغییردهنده دور نگه داشته شوند؛ (۲) سیم‌های برق و سیگنال سایر دستگاه‌ها نیز باید از موازی شدن با سیم‌های ورودی و خروجی فرکانس‌تغییردهنده اجتناب کنند ； اگر پس از به کار بردن روش‌های فوق نتیجه‌ای حاصل نشد، سپس به روش‌های بعدی ادامه دهید. ۶. جداسازی اختلالات: منظور از جداسازی اختلالات، جدا کردن منبع اختلال و بخش‌های حساس به اختلال در مدار الکتریکی است تا بین آن‌ها هیچ ارتباط الکتریکی برقرار نشود. معمولاً برای جلوگیری از اختلالات انتقالی، از ترانسفورماتورهای ایزوله در خطوط تغذیه، بین منبع تغذیه، کنترل‌کننده‌ها و مدارهای تقویت‌کننده مانند فرستنده‌ها، استفاده می‌شود؛ ترانسفورماتورهای ایزوله منبع تغذیه را می‌توان به عنوان ترانسفورماتورهای ایزوله نویز نیز به کار برد. ۷. تنظیم فیلتر در مسیرهای سیستم: کارکرد فیلترهای دستگاه، جلوگیری از انتقال سیگنال‌های مزاحم از طریق سیم‌های برق، از طریق تبدیل‌کننده فرکانس، به برق و موتور است. برای کاهش نویز و اتلافات الکترومغناطیسی، می‌توان فیلتر خروجی را در سمت خروجی درون‌ساز فرکانس قرار داد؛ همچنین برای کاهش اختلالات ناشی از منبع تغذیه، می‌توان فیلتر ورودی را در سمت ورودی درون‌ساز فرکانس نصب کرد. اگر در مسیر سیم‌کشی، دستگاه‌های الکترونیکی حساسی مانند کنترل‌کننده‌ها و فرستنده‌ها وجود دارد، می‌توان بر روی سیم تغذیه آن دستگاه‌ها، فیلتر نویز تغذیه را نصب کرد تا از انتقال اختلالات جلوگیری شود. فیلترها بسته به محل استفاده، به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند: (۱) فیلترهای ورودی معمولاً دو نوع هستند: الف) فیلترهای خط: که عمدتاً از سیم‌پیچ‌های القایی تشکیل شده‌اند و با افزایش امپدانس خط در فرکانس‌های بالا، جریان‌های هارمونیک با فرکانس بالاتر را کاهش می‌دهند. ب، فیلتر تشعشعات: عمدتاً از خازن‌های فرکانس بالا تشکیل شده است و اجزای هارمونیکی با فرکانس بسیار بالا و دارای انرژی تشعشعاتی را جذب می‌کند. (۲) فیلتر خروجی نیز از سیم‌پیچ‌های القایی تشکیل شده است. می‌تواند به طور مؤثر اجزای هارمونیک‌های پرتوالت را در جریان خروجی کاهش دهد. نه تنها نقش مقابله با اختلالات را دارد، بلکه می‌تواند گشتاور اضافی ناشی از جریان‌های هارمونیک در موتور الکتریکی، که از هارمونیک‌های درجات بالاتر ناشی می‌شود، را کاهش دهد. در مورد اقدامات ضد اختلال در خروجی فرکانس‌تغییردهنده، باید به موارد زیر توجه کرد: الف، اتصال خازن به خروجی فرکانس‌تغییردهنده مجاز نیست؛ زیرا در لحظه روشن شدن (یا خاموش شدن) ترانزیستور اینورتر، جریان شارژ (یا تخلیه) با مقدار بسیار بالایی ایجاد شده و می‌تواند به ترانزیستور اینورتر آسیب برساند؛ ب، هنگامی که فیلتر خروجی از یک مدار LC تشکیل شده است، سمت خازن درون فیلتر باید به سمت موتور متصل شود. ۸. استفاده از رزوناتور: در جریان ورودی فرکانس‌تغییری، سهم هارمونیک‌هایی با فرکانس پایین (هارمونیک شماره ۵، ۷، ۱۱، ۱۳ و غیره) بسیار زیاد است. این هارمونیک‌ها علاوه بر اینکه ممکن است عملکرد صحیح سایر دستگاه‌ها را مختل کنند، به دلیل مصرف مقدار زیادی توان بی‌فایده، باعث کاهش شدید ضریب توان در خطوط انتقال می‌شوند. قرار دادن رزوناتور در مسیر مدار ورودی، روشی مؤثر برای کاهش جریان‌های هارمونیک پایین‌تر است. بسته به محل اتصال، عمدتاً دو نوع وجود دارد: (۱) رزوناتور جریان متناوب: که به صورت سری بین منبع تغذیه و ورودی کنترلر فرکانس قرار می‌گیرد. عملکردهای اصلی آن عبارتند از: الف، افزایش ضریب توان تا میزان (۰.۷۵-۰.۸۵) از طریق مهار جریان‌های هارمونیک؛ ب، کاهش تأثیر جریان‌های ناگهانی در مدار ورودی بر فرکانس‌تغییردهنده؛ ج، کاهش تأثیر عدم تعادل ولتاژ منبع تغذیه. (۲) رزوناتور جریان مستقیم: به صورت سری بین پل تصفیه و خازن فیلتر قرار می‌گیرد. عملکرد آن نسبتاً ساده است و تنها کاری که انجام می‌دهد، کاهش اجزای هارمونیک‌های پرتو در جریان ورودی است. اما در افزایش ضریب توان نسبت به رزوناتور AC مؤثرتر است و می‌تواند به ۰.۹۵ برسد؛ همچنین مزایایی مانند ساختار ساده و حجم کم دارد. شکل ۱ یک راه‌حل نمونه برای رفع اختلالات ناشی از درون‌ساز تغییر فرکانس است. همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، اقدامات مقابله با تداخلات در فرکانس‌تغییردهنده‌ها عمدتاً شامل نصب رزوناتورهای جریان متناوب و فیلترها در بخش ورودی فرکانس‌تغییردهنده، استفاده از کابل‌های سرپوشیده برای خطوط ورودی و خروجی، و همچنین اتصال لایه سرپوشی تمام کابل‌ها به زمین مشترک رزوناتورها، فیلترها، فرکانس‌تغییردهنده و موتور است. این نقطه اتصال نیز از سایر نقاط اتصال با فاصله کافی جدا شده است. همچنین، کابل‌های سیگنال و کابل‌های تغذیه‌ای فرکانس‌تغییردهنده نباید به صورت موازی قرار گیرند. علاوه بر این، برای جلوگیری از اختلالات ناشی از درون‌ساز تغییر فرکانس در سیگنال‌ها و مدارهای کنترلی، لازم است که برای کنترل‌کننده‌ها، دستگاه‌های اندازه‌گیری و رایانه‌های صنعتی، منابع تغذیه جداگانه و ایزوله‌ای در نظر گرفته شود.