مقایسه VFD و Soft Starter برای موتور الکتریکی | انتخاب بر اساس بار

هارمونیک، کیفیت توان و الزامات شبکه

مهم‌ترین چالش فنی در استفاده از VFD، تولید هارمونیک جریان است که می‌تواند به افزایش تلفات ترانس/کابل، تداخل با تجهیزات حساس و گرم شدن موتور منجر شود. میزان هارمونیک به معماری VFD بستگی دارد: ورودی ۶-پالس ساده THDi حدود ۳۰–۴۰٪ دارد؛ با چوک AC/DC به ۳۵–۴۰٪ و با فیلتر هارمونیک یا درایو ۱۲-پالس/Active Front End می‌توان THDi را به زیر ۵٪ رساند. برای جلوگیری از آسیب به موتور، پالس‌های ولتاژ با dv/dt بالا در کابل‌های بلند باید با چوک خروجی یا dv/dt فیلتر/سینوس فیلتر کنترل شوند. Soft Starter چون پس از راه‌اندازی بای‌پس می‌شود، هارمونیک دائمی ندارد و فقط در چند ثانیه استارت روی شبکه اثر می‌گذارد.

در سیستم‌های دارای ژنراتور اضطراری (Diesel Generator)، VFD باید با امپدانس گذرای ژنراتور هماهنگ شود؛ درایو می‌تواند در لحظه استارت یا ریکاوری پس از قطع، افت ولتاژ شدید ایجاد کند. محاسبه اندازه ژنراتور با درنظرگرفتن ضریب توان غیرخطی VFD ضروری است. برای EMC، کابل موتور شیلددار مخصوص VFD، اتصال شیلد به ارت در دو طرف (با رعایت حلقه زمین)، و جداسازی فیزیکی کابل کنترل از کابل قدرت رعایت شود.

چک‌لیست RFQ درایو و سافت استارتر

• نوع بار: گشتاور ثابت (نوار نقاله، میکسر) یا گشتاور متغیر مربعی (فن/پمپ).
• توان، ولتاژ و جریان نامی موتور و سرویس کار (S1/S4…).
• گشتاور راه‌اندازی مورد نیاز (درصد گشتاور نامی) و زمان رمپ.
• کنترل: V/Hz، Sensorless Vector، Closed-Loop Vector با انکودر.
• ورودی/خروجی و پروتکل: Modbus RTU/TCP، PROFIBUS، PROFINET، Ethernet/IP.
• چوک/فیلتر: چوک ورودی، خروجی، dv/dt یا سینوس فیلتر، EMC فیلتر.
• حفاظت‌ها: اضافه‌بار، اتصال کوتاه، زمین، Under/Over Voltage، Stall، PTC موتور.
• محیط: دمای کار، ارتفاع، IP کابینت، تهویه و کولینگ.
• کلاس بهره‌وری انرژی و IES برای VFD (IEC 61800-9).

گشتاور راه‌اندازی و منحنی بار

پمپ سانتریفیوژ و فن گشتاور تقریباً مربعی با سرعت دارند؛ هم سافت‌استارتر و هم VFD راه‌اندازی نرمی می‌دهند. اما کمپرسور اسکرو، نوار نقالهٔ پر و سنگ‌شکن گشتاور شکست بالایی می‌خواهند. سافت‌استارتر ولتاژ را کم می‌کند و گشتاور تقریباً با مربع ولتاژ افت می‌کند؛ ممکن است موتور در جریان حد نچرخد. VFD با کنترل برداری گشتاور نامی را از سرعت نزدیک صفر می‌دهد. اگر بار «constant torque» است و کنترل سرعت لازم نیست، گاهی سافت‌استارتر سنگین + بای‌پس کافی است؛ اگر کنترل فرایند (دبی، فشار) می‌خواهید VFD اجباری است.

هارمونیک، فیلتر و IEEE 519

VFD شش‌پالسه جریان هارمونیک ۵، ۷، ۱۱ و ۱۳ تولید می‌کند. در شبکه‌های ضعیف یا ژنراتور اضطراری، THD ولتاژ از حد IEEE 519 فراتر می‌رود و رله‌ها و خازن‌ها گرم می‌شوند. راه‌حل: راکتور خط، فیلتر پسیو، درایو ۱۲/۱۸ پالسه یا اکتیوفیلتر. سافت‌استارتر فقط هنگام راه‌اندازی هارمونیک دارد و در حالت بای‌پس تقریباً سینوسی است. اگر واحد تعداد زیادی درایو کوچک دارد، مطالعه کیفیت توان قبل از خرید لازم است.

کابل موتور، dv/dt و یاتاقان

خروجی PWM درایو dv/dt بالایی دارد. کابل بلند (بیش از ۵۰–۱۰۰ m بسته به سازنده) ولتاژ بازتابی روی سیم‌پیچ ایجاد می‌کند و عایق موتورهای قدیمی می‌سوزد. فیلتر dv/dt یا سینوسی، کابل شیلد و موتور با عایق inverter-duty (IEC 60034-25) توصیه می‌شود. جریان یاتاقان نیز با حلقهٔ شفت و برس ارت یا یاتاقان عایق کنترل می‌شود. سافت‌استارتر این مشکلات را ندارد چون پس از راه‌اندازی شبکهٔ سینوسی مستقیم به موتور می‌رسد.

اتلاف حرارت، بای‌پس و redundancy

VFD همیشه در مدار است و ۳–۵٪ تلفات دارد؛ تابلو نیاز به تهویه یا کولر دارد. سافت‌استارتر پس از رسیدن به سرعت با کنتاکتور بای‌پس از مدار خارج می‌شود و تلفات پایدار نزدیک صفر است. برای پمپ‌های آتش‌نشانی یا فن اضطراری که باید حتی با خرابی الکترونیک کار کنند، سافت + بای‌پس مستقیم شبکه ایمنی بیشتری دارد. برای کنترل حلقه بسته روی هدر آب خنک‌کننده، چند VFD با PLC و redundancy ارتباطی انتخاب درست است.

اگر چند پمپ موازی روی یک هدر کار می‌کنند، یک VFD روی پمپ اصلی و بقیه با سافت یا ستاره-مثلث رایج است؛ اما شوک فشار هنگام ورود پمپ ثابت‌سرعت را باید با چک‌والو آرام و منطق PLC کنترل کرد. برای برج خنک‌کن، VFD روی فن علاوه بر انرژی، صدای شب را کم می‌کند و گاهی مجوز محیط‌زیست را ساده‌تر می‌کند.