دورة في الانفرترمن نوع Siemens



السلام عليكم  احبابي زوار المدرسة الالكترونية مرحبا بكم في هدا الدرس الجديد
دورة في الانفرترمن نوع Siemens
نبدا معا ايها الاخوة الكرام دورة في الانفرتر من نوع سيمنز, مصادر هذه الدورة هي مجموعة من الملفات التعليمية من سيمنز بالاضافة الى دورة من شركة سيمنز, و بعض ما تيسر لنا من الخبرة الشخصية, ارجو من الزملاء المشاركة و التعليق بما لديهم من خبرات لتعم الفائدة, و ارجو من الاخوة الذين لديهم استفسارات عدم التردد في السؤال.
ان شاء الله ستكون هذه هي الدورة الاولى في مجال الانفرتر, و بعد انهاء هذه الدورة سابدا بالدورة المتقدمة, و من ثم دورة في الانفرتر ال DC, و ان شاء الله بعد ذلك الانفرتر الخاص بمحرك السيرفو.
جدول الدورة:
الفصل الاول: مبدا عمل المحرك الكهربائي.
الفصل الثاني: مبدا عمل الانفرتر.
الفصل الثالث: مكونات الانفرتر.
الفصل الرابع: مبادىء اساسية في الانفرتر.
الفصل الخامس: عائلة Siemens في الانفرترات.
الفصل السادس: Siemens Micromaster
الفصل السابع: الكروت الخاصة بالانفرتر.
الفصل الثامن: الاعدادات الخاصة بالانفرتر.
الفصل التاسع: الاتصالات الخاصة بالانفرتر مع اجهزة اخرى.
الفصل العاشر: تطبيقات عملية على الانفرتر.
الفصل الأول: مبدأ عمل المحرك الكهربائي
يتم استخدام الانفرتركمغير لسرعة المحرك الكهربائي, تسمى الانفرترات الخاصة بمحركات الDC ب DC Drive و تسمر الانفرترات الخاصة بمحركات الAC ب AC Drive.
فوائد الانفرتر:
1) توفير الطاقة الكهربائية:
ان استخدام الانفرتر يسمح بتوفير الطاقة الكهربائية, ومن اشهر الامثلة على ذلك الضاغطة Compressor , فالمحرك داخل الضاغطة يبقى يعمل لحين الوصول الى ضغط معين, و من ثم تفصل الضاغطة في وضع يسمى ب Idle, و عندما ينزل الضغط عن حد معين تعود الضاغطة لتعمل من جديد. استخدام مغيرات السرعة في الضاغطة يسمح للمحرك بتقليل سرعته للمحافظة على الضغط دون ان يستهلك كامل طاقته. و بذلك تقل الطاقة الكهربائية التي يستخدمها المحرك.
من الامثلة الاخرى استخدام مغيرات السرعة في انظمة العمليات الصناعية للحفاظ على Loop Control لمستوى خزان معين مثلا.
2) ان العديد من التطبيقات الصناعية يتطلب تغيير سرعة النظام, و كمثال تغيير سرعة ناقلة Conveyer للحصول على سرعات متعددة لنقل المواد حسب حاجة الانتاج.
3) استخدام مغيرات السرعة يحافظ على المحرك الكهربائي, حيث انه يقلل من استهلاك المحرك, كما انه يسمح بخاصية التشغيل التصاعدي Soft Starting و التي تقلل من تيارات البدء العالية, و الاهتزازات الشديدة عند بدا التشغيل و التي تؤثر سلبا على المحرك. كما ان فيه ميزات كثيرة مثل مراقبة التيارات العالية و تسرب تيار الى الارضي و التي تحافظ على المحرك و تحميه.
الانفرتر هو جزء واحد فقط من AC Drive الا انه من الشائع ان يطلق على مغيرات السرعة اسم انفرتر.
لا بد قبل الحديث عن مغيرات السرعة فهم مبدأ عمل المحرك الكهربائي و خصائصه, و سوف نركز الحديث في هذه الدورة عن المحركات ثلاثية الطور غير المتزامنة Three Phase asynchronous و التي تعمل على 460 V.
المحركات الحثية هي محركات تكون فيها سرعة الدائر اقل من سرعة المجال المغناطيسي, توضع الملفات المغناطيسية في الثابت stator حيث يثبت عليه كيبل الكهرباء, اما الدائر فيتكون من قضبان نحاسية تدور حول البيل Bearing.
حاسية تدور حول البيل Bearing.
يعتمد مبدا عمل المحرك الكهربائي على انشاء مجال مغناطيس دوار في ملفات الثابت لانتاج قوة ميكانيكية في ملفات الدائر, توضع الملفات على شكل حلقات Loops و يتم ادخالها الى شقوق الثابت Slots.
يمثل الشكل التالي ثلاثة ملفات داخل الثابت, تفصل بين هذه الملفات زاوية طورية قدرها 120 درجة, في هذا المثال توجد مجموعة اخرى من الملفات مدمجة, يتم تحديد عدد الاقطابpoles بتحديد عدد المرات التي تظهر فيها كل لفة, و في هذا المثال عدد الاقطاب هو اثنين.
عندما يمر التيار الكهربائي من خلال الملفات يتشكل مجال مغناطيسي يعتمد على اتجاه التيار في تلك الملفات, الشكل التالي يوضح هذه الفكرة و يمكنك من تصور كيفية تشكل مجال مغناطيسي دوار:
السرعة المتزامنة: وهي سرعة المجال المغناطيسي الدوار و تساوي:
حيث:
NS: السرعة المتزامنة
F: التردد
P: عدد الاقطاب
ان دوران موصل مثل قضبان الدائر عبر ملفات الثابت يشكل قوة دافعة كهربائية في الدائر, ان الفولتية المستحثة تعمل على توليد التيار في الدائر, يعتمد هذا التيار على كمية الفيض المغناطيسي و السرعة التي يقطع بها الدائر خطوط المجال.
حيث:
E: القوة الدافعة الكهربائية
K: ثابت
ᶲ: الفيض المغناطيسي
N: السرعة
من المهم عند التعامل مع مغيرات السرعة معرفة خصائص المحرك من حيث علاقة التيار و العزم بالسرعة, NEMA(National Electrical Manufacturers Association) هي مؤسسة خاصة بعمل Standard موحد فيما يتعلق بالمفاهيم الكهربائية, تصنف المحركات الى NEMA A, NEMA B, NEMA C, NEMA D وذلك حسب الطريقة التي يصنع بها المحرك للوصول الى خصائص خاصة فيما يتعلق بعلاقة تيار و عزم البدء مع السرعة.
يعتبر NEMA B المحرك الاكثر شيوعا, حيث يتطلب عادة 600% من التيار الاسمي كتيار للبدء, و 150% كعزم للبدء. يجب اخذ هذه المواصفات عند التعامل مع مغيرات السرعة.
يبين الشكل السابق العلاقة بين سرعة المحرك و العزم لمحرك NEMA B عند تطبيق الفولتية و التيار الاسميين, نلاحظ انه يجب على الدائر تطبيق شغل حتى يتغلب على عزم القصور الذاتي للحمل.
يمثل الشكل السابق تيار البدء الخاص بمحرك NEMA B, نلاحظ ان تيار البدء يصل الى قيمة 600% من التيار الاسمي للتغلب على عزم القصر الذاتي للحمل, و من ثم يعود التيار الى قيمته الاسمية تقريبا.
لا بد من دراسة مكونات الدارة الكهربائية الخاصة بالمحرك الكهربائي, فحتى الان قمنا بدراسة المحرك عندما يعمل على التردد و الفولتية الاسميين, و عندها يعمل المحرك على السرعة الاسمية, حتى نقوم بتغيير سرعة المحرك باستخدام مغيرات السرعة لا بد من الاخذ بعين الاعتبار ان ذلك سيؤثر على كل من تيار و عزم البدء,و لذلك لا بد من فهم الدائرة الكهربائية الخاصة بالمحرك و التي يوضحها الشكل التالي:
Vs: الفولتية المطبقة من المصدر على الثابت
Rs: مقاومة الثابت
Ls: حثية الثابت
Is: تيار الثابت
E: ثغرة الهواء او الفولتية الممغنطة
LM: الحثية الممغنطة
IM: التيار الممغنط
RR: مقاومة الدائر
SR: حثية الدائر
Iw: تيار العزم
الفولتية الخطية Line Voltage:
هي الفولتية المطبقة على ملفات الثابت من مزود الطاقة, حيث يحصل هبوط في الجهد نتيجة للمقاومة Rs, اما الفولتية المتبقية فتشكل القوة الدافعة الكهربائية اللازمة لتشكيل الفيض الممغنط و العزم.
التيار الممغنط Magnetizing current :
هو التيار المسؤول عن انتاج خطوط المغنطة للفيض و التي تؤثر مغناطيسيا على الدائر, تقدر قيمة هذا التيار ب 30% من التيار الاسمي, و يتناسب التيار الممغنط و الفيض مع كل من التردد و الفولتية:
تيار العزم Working current :
هو التيار الذي يمر بدائرة الدائر و هو المسؤول عن انتاج العزم اللازم للحمل, وهو يتناسب مع الحمل, فان زيادة الحمل ستؤدي الى زيادة تيار الدائر و العكس صحيح.
تيار الثابت Stator current :
هو التيار الذي يمر خلال دائرة الثابت و يمكن قياسه من خلال مصدر الجهد, و يسمى ايضا بالتيار الخطي, فعلى سبيل المثال يستخدم الكلامب ميتر لقياس تيار الثابت, و هو ايضا ما تشير اليه لائحة البيانات الخاصة بالمحرك Nameplate بتيار الحمل الاقصىFull Load Current تيار الثابت يساوي المجموع المتجه لتيار الشغل Iw و التيار الممغنط IM:
الفصل الثاني: مبدأ عمل الانفرتر
نسبة الفولتية الى التردد هي نسبة موجودة في جميع المحركات, فاذا كان لدينا محرك كهربائي يعمل على فولتية 460 V و تردد 60Hz فان النسبة تساوي 7.67 V/Hz, اما محرك اخر يعمل على 230 V و 60 Hz فان النسبة ستكون 3.8 v/Hz.
الفيض Flux Φ , التيار الممغنط Magnetizing Current IM , و العزم, كل ذلك يعتمد على هذه النسبة, و ان اي تغيير فيها سيؤثر عليهم جميعا, ان زيادة التردد بدون زيادة الفولتية على سبيل المثال سيؤدي الى زيادة في السرعة, و لكن الفيض سيقل مؤديا الى تقليل العزم, سيقل التيار الممغنط ايضا مؤديا الى تقليل تيار الثابت, مما يؤثر على قدرة المحرك على التعامل مع الحمل, ز نلاحظ ان كل شيىء مرتيط ببعضه.
نظام العزم الثابت:
ان المحرك الكهربائي الذي يعمل ضمن نظام شبكة القدرة يعمل ضمن نظام العزم الثابت, و ذلك لان الفيض ثابت بسبب ثبات الفولتية و التردد, ان العزم الحقيقي المنتج يعتمد على الحمل:
ان الانفرتر قادر على ان يجعل المحرك يعمل على فيض ثابت و ذلك من 0Hz الى التردد المثبت على لائحة المعلومات الخاصة بالمحرك Nameplate, عادة 60Hz, و هو مدى نظام العزم الثابت.
فطالما انه يتم الحفاظ على نسبة الفولتية الى التردد فان المحرك سيعمل ضمن نظام العزم الثابت, ان الانفرتر يقوم بتغيير الفولتية و التردد بشكل متناسب لزيادة السرعة و الحفاظ على الفيض ثابتا, فمثلا لكي يعمل محرك مواصفاته 460 V و 60Hz بنصف السرعة مع الحفاظ على النسبة الصحيحة يجب تطبيق 230 V و 30Hz كما هو مبين في الشكل التالي:
كما تعلمنا سابقا فان المحرك الكهربائي من نوع NEMA B عند تشغيله على التردد و الفولتية القصوى سيتطلب عادة 600% من التيار الاسمي كتيار للبدء, و 150% كعزم للبدء, ان من ميزات الانفرتر قدرته على انشاء 150% كعزم للبدء مع فقط 150% كتيارللبدء, و ذلك بسبب قدرته على المحافظة على نسبة الفولتية الى التردد ثابتة, و بالتالي الحفاظ على الفيض ثابتا. حيث ان العزم يعتمد على مربع الفيض المغناطيس:
يبين الشكل التالي كيف ان منحنيات العزم/السرعة تنحدر تدريجيا الى اليمين عند زيادة الفولتية و التردد, مما يعطي المحرك بداية ناعمة خلال زيادة السرعة.
نظام القدرة الثابتة:
ان بعض التطبيقات يتطلب من المحرك ان يعمل فوق السرعة الاسمية, حيث تتطلب طبيعة هذه التطبيقات عزما اقل عند سرعات عالية, الا انه من المعروف انه لا يمكن زيادة الفولتية اكثر من الفولتية القادمة من المصدر, و لذلك كان الحل الوحيد زيادة التردد, ان محرك كهربائي يعمل فوق تردده الاسمي سيعمل ضمن نظام القدرة الثابتة, حيث ستبدا نسبة الفولتية الى التردد بالنقصان تدريجيا كما هو مبين:
اما الفيض و العزم فسيتناقصان:
تبقى القدرة ثابتة, لانه بالرغم من زيادة السرعة فان العزم يتناقص بشكل متناسب, و لذلك فحسب العلافة التالية ستبقى القدرة ثاتة:
الا انه لا يمكن زيادة سرعة المحرك بزيادة التردد كما نشاء, حيث ان زيادة التردد سيؤدي الى تناقص المجال حتى يصل الى نقطة ضعة المجال Field Wreaking و هي النقطة التي لن يستطيع المحرك عندها ان يعطي العزم المطلوب كما يبين الشكل, و من هنا نشا مفهوم معامل ضعف المجال و الذي يعطي انطباعا عن القيمة التي يمكن ان يصل اليها التردد.
فعلى سبيل المثال محرك يعمل على 60Hz يمكن ان ينشا 44% من العزم الاسمي على تردد 90Hz و 25% من العزم الاسمي على تردد 120Hz.
مما يجب معرفته ان الانفرتر قادر على زيادة التردد ربما حتى 650 Hz, و لكن يجب اخذ معامل ضعف المجال في عين الاعتبار, كذلك من الامور التي يجب الانتباه لها عند اختيار السرعة التي سيعمل عليها المحرك ان المروحة بالنسبة للمحركات المبردة ذاتيا لن تعمل بسرعة كبيرة عند تقليل السرعة, و بالتالي يمكن ان يؤدي ذلك الى ارتفاع حرارة المحرك.
الفصل الثالث: مكونات الانفرتر
ان الانفرتر Inverter او مغيرات السرعة او حاكمات التردد المتغير Variable frequency Converter VFD هي كلها مصطلحات تطلق على الجهاز المستخدم للتحكم بسرعة المحرك.
تستخدم سيمنز مصطلح SIMOVERT SIemens MOtor inVERTer و ذلك للاشارة الى مثل هذه الاجهزة, كما اسلفنا في الفصل السابق فان الانفرتر يقوم بتحويل القدرة الكهربائية الى تردد متغير و فولتية معدلة للتحكم بسرعة المحرك.
سنتعرف الان على انواع الانفرترات:
1)الانفرتر متغير الفولتية Variable Voltage inverter
يستخدم هذا الانفرتر قنطرة Bridge SCR لتغيير فولتية ال AC الى DC, تعطي الSCR امكانية التحكم بقيمة الفولتية الثابتة المعدلة Rectified DC من صفر و حتى 600 V DC.
وظيفة الملف L1 و الذي يطلق عليه الكابت choke و المكثف C1 هي فلترة و تنعيم الفولتية الخارجة.
يتشكل قسم الانفرتر من 6 عناصر الكترونية تستخدم كمبدلات Switches, يمكن استخدام العديد من العناصر الالكترونية مثل الترانزيستور و الثايرستور و MOSFETS و IGBTs. يمثل الشكل التالي مخططا لانفرتر يستخدم الترانزرستور Bipolar Transistor
هذا النوع من التقطيع يشار اليه بست درجات Six steps لانه يتطلب ست(60 درجة) لاكمال ال (360 درجة), بالرغم من ان المحرك يفضل موجة جيبية صافية, الا ان المخرج ذو الست درجات يمكن ان يكون كافيا.
ان المشكلة الرئيسية ستكون في النبضات التي ستحصل للعزم كلما تم الانتقال من ترانزستور لاخر, يمكن ملاحظة هذه النبضات عند السرعات القليلة كتغيير في سرعة المحرك. تسبب الموجات ذات الشكل غير الجيبي زيادة حرارة المحرك.
2)الانفرتر منشا التيارCurrent Source Inverter
يستخدم هذا الانفرتر SCR كمدخل لانتاج فولتية ثابتة متتغيرة, و كذلك الامر بالنسبة لقسم الانفررتر فانه يستخدم SCR من اجل التيار الخارج الى المحرك, حيث يتحكم به, و من هنا يجب ان يتطابق المحرك مع الانفرتر.
و هنا ايضا يمكن ان نشاهد نبضات في التيار كلما تمت عملية التبديل Switching.
3) تعديل عرض النبضات Pulse Width Modulation
و هو الشائع و المستخدم حاليا في Siemens MICROMASTER و MASTERDRIVE
و الذي يعطي مخرجا جيبيا اكثر نعومة, و هو اكثر كفاءة ايضا, و يتشكل من قنطرة DC و فلتر و انفرتر و ما يسمى بمنطق التحكم Control logic و هو معالج Microprocessor .
قنطرة الDC:
و تتكون من 6 دايودات Diodes و التي تحول القدرة الداخلة الى DC, يقوم الملف L1 و الذي يطلق عليه الكابت choke و المكثف C1 بفلترة الموجة قدر الامكان و تساوي قيمة الخرج حوالي 1.35 من قيمة فولتية المدخل (Line to Line), فبالنسبة لفولتية 480 V AC مثلا فان الخرج سيكون 600 V DC.
قسم الانفرتر:
يتكون من 6 عناصر الكترونية غالبا ما تكون IGBTs.
بمنطق التحكم Control logic:
يتحكم معالج microprocessor بالفولتية و التردد, و هو المسؤول عن قدح ال IGBTs, كما يمكن برمجته حسب احيتياجات المستخدم, و سنتحدث عن البرمجة بشكل مفصل.
IGBTs:
(Insulated gate bipolar transistor) توفر قدرا عاليا من السرعة في عملية التبديل Switching اللازمة ل PWM, فهي قادرة على التبديل بين وضعية العمل و وضعية الاطفاء الاف المرات خلال الثانية, و ذلك خلال اقل من 400 نانوثانية, و هي سرعة عالية جدا, يتكون ال IGBT من البوابة Gate, المجمع Collector, الباعث Emitter, عندما تتطبق فولتية موجبة (حوالي 15 V DC) على البوابة فان ال IGBT سيكون في وضعية العمل, حيث سيمر التيار من المجمع الى الباعث, و عندما يتم ازالة الفولتية الموجبة عن البوابة فان ال IGBT سينتقل الى وضعية الاطفاء, و يفضل تطبيق فولتية سالبة (-15 V DC) لمنعه من العمل.
مبدا عمل ال PWM:
سنبحث في هذه الدورة المبدا الاساسي ل PWM و لن نتعمق في تفاصيله, عندما يكون ال IGBT بوضعية العمل فانه سيمرر الى المحرك القيمة الموجبة للفولتية الثابتة (650 V DC) و يتدفق التيار من خلال المحرك, يتم قدح الIGBT لفترة قصيرة من الزمن سامحا لقيمة صغيرة من التيار بالتدفق خلال المحرك و من ثم يتم اطفاؤه, و من ثم يتم قدحه لفترة اطول من الزمن سامحا للتيار بالتدفق لقيمة اعلى حتى يصل التيار الى القيمة القصوى Peak, و من ثم يتم قدح الIGBT ليعمل لفترات اقصر حتى يصل التيار الى الصفر. يتم انتاج الجزء السالب من الموجة الجيبية من خلال قدح IGBT اخر موصول على الجزء السلب من مصدر الجهد بنفس الطريقة.
تيار و فولتية ال PWM:
كلما كان تيار الخرج جيبيا اكثر كلما تم تقليل النبضات في العزم, و لذلك فانه عند استخدام 6 مبدلات فان خرج التيار سيسبب القليل من الضيعات.
يتم التحكم بالفولتية و التيار بشكل الكتروني في هذه الطريقة, يتم تعديل الفولتية الثابتة (650 V DC) للوصول الى فولتية و تردد متغيرين, عند الترددات القليلة فان الفولتية المطلوبة ستكون قليلة, و بالتالي سيتم قدح العنصر الالكتروني (المبدل) لفترة اقصر من الزمن و العكس صحيح عند الترددات العالية, و بذلك يتم التحكم بالفولتية و التردد.
الفصل الرابع: مبادىء اساسية في الانفرتر.
في هذا الفصل سنكمل الحديث عن الطريقة التي يعمل بها الانفرتر, و سنتعمق في طرق التحكم Control Modes الخاصة بالانفرتر, من الضروري فهم هذه المبادىء قبل البدء بالاعدادات الخاصة به, حيث سيسهل عليك كثيرا برمجة الاعدادات اذا كنت تعرف بالضبط ما تريده من الانفرتر.
يوجد اربع طرق للتحكم في الانفرتر:
1) منحنى الفولتية و التردد الخطي Linear Voltage/Frequency
يمكن ان يعمل الانفرتر حسب نسبة الفولتية الى التردد و التي قمنا بشرحها سابقا, و يمكن التحكم بمحرك 460 V AC, 60Hz مثلا بين 0 Hz و 60 Hz, و هي اسهل انواع التحكم و هي مناسبة للتطبيقات العامة.
و يمثل الشكل التالي مخططا لهذه الطريقة من التحكم:
2)المنحنى التربيعي Quarditic Voltage/Frequency Mode:
هذه الطريقة في التحكم مشابهة للطريقة السابقة, الا انها توفر نسبة فولتية / تردد ذات منحنى تربيعي, و هي خاصة بالتطيقات المتعلقة بالمراوح و المضخات, اذ انها تتطلب مثل هذا النوع المنحنى عند البدء في العمل, و ان شاء الله سنتعرض لهذا الموضوع بشكل مفصل في الفصل العاشر.
3) التحكم بتيار الفيض Flux Current Control
ان تيار الثابت مكون من قدرة فعالة و قدرة غير فعالة, تلزم القدرة الغير فعالة لانتاج المجال المغناطيسي من خلال الملفات, اما القدرة الفعالة فتلزم لانتاج الشغل اللازم للحمل, في هذه الطريقة يتم ادخال التيار الاسمي للمحرك من لائحة المعلومات الخاصة به Name Plate, يقوم المعالج في الانفرتر بعمل حسابات رياضية لتقدير فيض المجال المغناطيسي و ذلك من خلال القدرة الفعالة المقيسة و المعلومات عن التيار الاسمي التي تم ادخالها. و بهذا عبر الحسابات الداخلية تتم محاولة المحافظة على الفيض المغناطيسي ثابتا.
اذا كانت المعلومات المدخلة عن التيار الاسمي صحيحة و تم اعداد الانفرتر بشكل جيد, فان هذه الطريقة للتحكم ستكون مناسبة اكثر من سابقاتها, و ذلك ان الانفرتر يتحسس التيار الفعلي للحمل و بذلك يكون التحكم في السرعة ثابتا بشكل افضل حتى عندما يتغير الحمل.
و يمثل الشكل التالي مخططا لهذه الطريقة من التحكم, و قد يدو المخطط معقدا الا انه لا يهم كثيرا, لكن لاحظ وجود ميزات اكثر و تغذية راجعة Feedback مما يعني ان هذه الطريقة يتم استخدامها في تطبيقات تتطلب تحكما ادق من تلك الخاصة بطريقة منحنى الفولتية و التردد الخطي, اذا لا بد ان نفهم ان التطبيق (الحمل) هو ما يحكم طريقة التحكم المستخدمة.
4) التحكم المتجهي (بدون حساسات):
في السابق كان التحكم بسرعة محركات ال DC اسهل منه في ال AC, و ذلك لان المجال في محركات الDC يقع في ملفات منفصلة عن الدائر, و لذلك فان تيار الدائر (العزم) و تيار المجال يمكن التحكم بهما بشكل مستقل, الا ان المشكلة في محركات ال DC:
1- حجمها الكبير.
2- حاجتها المستمرة الى الصيانة بسبب الاعتماد على المركم و الفحمات.
3- غلاء سعرها.
و لذلك بما ان محركات ال AC تتمتع بحجم صغير و لا تحتاج الى الصيانة تقريبا تم التوجه الى تطوير التحكم بسرعة محركات الAC من خلال بناء نموذج رياضي يمكن المحرك من خلاله من العمل بكفاءة توازي محركات ال DC, بالضافة الى التطور الحاصل في مجال الالكترونيات.
محركات ال AC يحدد تيار ملفات الثابت فيها الفيض المغناطيسي, و من اجل التحكم بالفيض و العزم لا بد من التحكم بكل من قيمة تيار الثابت و طوره, و لذلك سمي بالتحكم المتجهي.
للتحكم بالطور بالنسبة للدائر, لا بد ان يكون موقع الدائر معروفا, و هنا تظهر الحاجة لاستخدام الانكودر.
في العديد من التطبيقات لا يمكن استخدام الانكودر, و ذلك لان التحسن المنشود في الاداء الديناميكي للانفرتر لا يبرر السعر الغالي للانكودر, و لذلك تم استخدام النموذج الرياضي الخاص بالمعالج ليقلد الانكودر و ذلك من خلال الحسابات الرياضية لسرعة الدائر بناء على هذا النموذج.و بحساب الفولتية وتيار الخرج سنحصل على اداء ديناميكي افضل للمحرك.
ان هذه الطريقة و باستخدام نماذج و اساليب معقدة تمكن المستخدم من العزم الكامل عند الترددات القليلة و 150 % من العزم عند كل السرعات.
و يمثل الشكل التالي مخططا لهذه الطريقة من التحكم:
الان بعد فهم هذه المفاهيم الاساسية سنتطرق الى الانفرتر الخاص بسيمنز, و سيتم شرح الكثير من المفاهيم الاخرى بالتفصيل عند شرح الاعدادات الخاصة بالانفرت.
الفصل الخامس: عائلة Siemens في الانفرترات.
تحتوي عائلة سيمنز على عدد كبير من الانفرترات, و الهدف من هذا الفصل تعرف انواع الانفرترات المستخدمة و مزاياها, و اعطاء نبذة عن مواصفاتها من حيث القدرة و الفولتية, لتكوين فكرة شاملة قبل البدء بالاعدادات الخاصة بها.
انواع الانفرتر بشكل عام:
1) الانفرترات ذات الفولتية المنخفضةLow Voltage Inverters
عند الحديث عن الفولتيات المنخفضة نقصد بذلك 230-690 V, و هي تشمل ايضا مجموعة كبيرة من الانواع, و هي ما سنتحدث عنه في هذه الدورة.
2) الانفرترات ذات الفولتية المتوسطة Medium Voltage Inverters
و هنا نحن نتحدث عن (2.3/3.3/4.16 KV).
3) انفرترات ال DC:
و سنتحدث عنها في التفصيل في دورة مستقلة ان شاء الله.
بالنسبة للانفرترات ذات الفولتية المنخفضة, فهي تشمل الانواع الاتية:
1) عائلة MICROMASTER:
هذا النوع من الانفرتر هو النوع الذي سندرس عنه في هذه الدورة, و سنتعمق في الحديث عنه في الفصل القادم, و هو يشمل التطبيقات من 0.12 kW الى 250 KW.
2) عائلة التطبيقات العامة و المعقدة SINAMIC:
هذا النوع من الانفرتر هو نوع ذو خصائص مميزة, و يمكن استخدامه من 0.12 kw الى 1500 kw بالنسبة ل SINAMIC G و هو خاص بالتطبيقات البيسطة, اما SINAMIC S فيصل مداه الى 4500 KW و هو خاص بالتطبيقات المعقدة.
يتميز هذا النوع من الانفرتر بميزات كثيرة منها:
1- وجود اداة قوية و موحدة تساعد المهندسين في اختيار الانفرتر المناسب اثناء مراحل التصميم في المشاريع, هذه الاداة هي SIZER, و هو برنامج خاص من سيمنز, و توفر الامكانات التالية:
- حساب الحمل.
- الحسابات الخاصة بالمحرك و القدرة.
- الاعدادات الخاصة بالنظام.
- نتائج الاعدادات من رسوم و خصائص و مواصفات تقنية.
- مجموعة من البيانات الخاصة المتعلقة بطلب الانفرتر.
2- برنامج STARTER و هو البرنامج الخاص ببرمجة اعدادات الانفرتر, و يحتوي على واجهة رسومية سهلة, و يمكنك من حفظ الاعدادات و تحميلها على انفرتر اخر مثلا, كما انه مدعم بمجموعة من الاقترانات التي تساعد على الوصول الى التحكم المطلوب.
و الرسوم البيانية اللازمة لتحليل الاخطاء.
3- وجود ادوات قوية للتبع الاعطال و الاخطاء.
4- فيها ميزة حد التيارات الكبيرة Surge Current Limitation مما يؤمن الحماية للمحرك.
5- يوجد فيها نظام موحد على مستوى التصميم و البرمجة مما يساعد المهنسين و يقلل من التدريب اللازم عليها.
يمكن استخدامها في التطبيقات التالية:
- في مختلف القطاعات مثل الغذاء و الانسجة و التغليف.
- لتطبيقات النواقل Conveyers
- لتطبيقات المضخات و المراوح.
- الكمبرسورات.
- الطواحين.
- الخلاطات.
- الرافعات.
ان شاء الله سيتم الحديث عن هذه العائلة بشكل مفصل في الدورة المتقدمة.
3) عائلة SIMOVERT :
هذا النوع من الانفرترات الخاصة بال AC, مصممة لمجموعة كبيرة من الاستخدامات, و هي مناسبة للفولتيات من 230 V الى 690 V.
هذا النوع من الانفرتر هو نوع ذو تصميم وحدي Modular, و هو مناسب لجميع التطبيقات الصناعية, و بشكل اساسي يستخدم التحكم المتجه, سواء اكان ذلك في حلقة مفتوحة بدون انكودر او حلقة مغلقة مع متحكم PID.
بالاضافة الى الوحدات المبردة ذاتيا باستخدام المراوح, فانه تتوفر انفرترات مبردة باستخدام المياه و ذلك عندما تكون درجة حرارة المحيط عالية جدا او ان يكون من غير الممكن استخدام التبريد الذاتي.
يوجد نسختين من هذه الانفرترات:
- التحكم المتجه: و قد تم الحديث عنه سابقا, حيث انه يعطي نتائج ديناميكية ممتازة حتى مع تغير الحمل.
- التحكم الخاص بالحركة Motion Control: و هو الخاص بمحركات السيرفو, و سيتم الحديث عنه في دورة مستقلة ان شاء الله.
هذه العائلة هي مخصصة للتطبيقات التي تتطلب قدرات عالية ضمن حيز صغير, حيث بامكان MASTERDRIVES MC (400V) ان يعطي من 0.55 KW الى 710 KW, اما MASTERDRIVES VC فبامكانه ان يعطي من 2.2 KW الى 6000 KW.
ميزات هذه العائلة:
- يمكن ان يتم الاضافة عليها بسسب تركيبها الوحدي Modular باضافة وحدات جديدة.
- دقة عالية في السرعة و العزم.
- اداء ديناميكي ممتاز.
- خصائص انسيابية عند السرعات القليلة.
- قدرة عالية على تحمل الاوفرلود.
- تحمل القدرات الكبيرة.
نظام الانفرتر AC-AC:
يشير هذا النظام ان الانفرتر الخاص MASTERDRIVE تدخل اليه فولتية AC و يعطي فولتية للمحرك ACاو لمجموعة من المحركات, اي انه متكامل فهو يحتوي على وحدات القنطرة اللازمة للتحويل من AC الى DC و كذلك على وحدة الانفرتر.
نظام الانفرتر DC-AC:
في هذا النظام تدخل القدرة الكهربائية الى وحدة قنطرة تعمل على تحويلها الى DC, و من ثم يتم توزيع الفولتية ال DC من خلال باسبار DC (bus) الى وحدات اخرى منفصلة تعمل كل واحدة على حدا كانفرترات تحول ال DC الى AC.
ميزة هذا النظام ان الطاقة المعاد توليدها من انفرتر معين يمكن استخدامها في انفرتر اخر, و لفهم كيف يتم ذلك لا بد من التعرض لموضوع الارباع الخاصة بالسرعة و العزم Four Quadrant operation.
عملية الربع الوحيد Single Quadrant operation:
في مخطط العزم- السرعة يوجد هناك اربعة ارباع خاصة بدوران و اتجاه العزم, عملية الربع الوحيد تتم فقط في الربع الاول Quadrant 1 او الثالث Quadrant 3 كما هو مبين في الشكل, الربع الاول هو حالة عمل المحرك بالاتجاه الامامي Forward motoring CW, الربع الثالث هو حالة عمل المحرك بالتجاه العكسي Reverse Motoring CCW, يتم التحويل الى حالة عمل المحرك بالتجاه العكسي من خلال قلب اتجاه المجال المغناطيسي, يتم انشاء عزم المحرك في الاتجاه الموجب للمجال لقيادة الحمل عند السرعة المطلوبة.
كمثال على ذلك قيادة السيارة على سهل, فبالبداية ستحتاج الى عزم اكبر للوصول الى السرعة المطلوبة, و من ثم يتم تغيير الغيار للوصول الى سرعة اعلى و بعزم اقل.
عندما تكون على سرعة عالية يكفي ان تزيل قدمك عن المسرع لتقلل من سرعة السيارة.
عملية الارباع الاربعة Four Quadrant operation:
ان ديناميكية بعض الاحمال قد تتطلب الارباع الاربعة, و ذلك في الاحمال التي تعتمد على اكثر من محرك مربوطة معا بحيث لا يمكن ايقاف السرعة بشكل فجائي و لذلك لا بد من تقليل السرعة شيئا فشيئا لوصول الى عملية التوقف, حيث ان العزم يعمل نحو السرعة التزامنية, و عند تقليل السرعة يبدا المحرك في العمل كمولد بسبب تولد عزم سالب في المحرك, و يبدا بتحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربائية تعاد الى الانفرتر. و عندها يعمل المحرك في الربع الثاني Quadrant 2 و الربع الرابع Quadrant 4.
ان احد الطرق للتعامل مع الطاقة السالبة للعزم و التيار هو تقليل التسارع بشكل متحكم به, يتم تقليل الفولتية و التردد بشكل تدريجي حتى يتوقف المحرك, الا ان العديد من التطبيقات تتطلب التوقف بشكل اسرع, و يجب على الانفرتر تحمل كميات كبيرة من الطاقة الزائدة.
القنطرة الخاصة بالمولد Rectifier Regenerative Front End :
و هذه هي الطريقة الافضل للتعامل مع الطاقة الزائدة, يتم تبديل الدايودات المستحدمة في القنطرة ب SCRs, و تضاف قنطرة اخرى, ان عمل ال SCR مشابه لعمل الدايود الا انه يدخل في طور العمل فقط عند قدح البوابة الخاصة به, و هذا يسمح للمعالج الموجود في الانفرتر بالتحكم في استخدام القنطرة الامامية او القنطرة الخاصة بالتوليد.
ان المخطط التالي يوضح كيفية عمل منطقة التوليد, عندما يحتاج المحرك الى قدرة كهربائية لكي يتسارع او ان يتغلب على القصور الذاتي للحمل, فان القنطرة الامامية تدخل في وضعية التشغيل, مغذية المحرك بالطاقة الكهربائية اللازمة, عندما يكون المحرك في منطقة التوليد فان القنطرة العكسية تعمل, معيدة الطاقة الكهربائية الى خط ال DC, عندما تصل الفولتية الى مستوى معين يتم اعادة القنطرة الامامية الى وضع التشغيل و يتم اطفاء القنطرة العكسية, و بذلك يتم توفير الطاقة الكهربائية و حماية المحركات من الطاقة الزائدة.
و هذا يسمح للطاقة الزائدة بالعودة الى خط ال AC على شكل تيار AC.
النهاية الامامية الفعالة Active front End :
و هي طريقة اخرى للتحكم بالطاقة المولدة, يتم استخدام ال IGBTs مكان الدايودات في هذه الطريقة, كما يتم استخدام فلتر قدرة, يتم التحكم ب ال IGBTs من خلال المعالج في كلا الوضعيتيتن الامامية و العكسية.
باستخدام هذه الطريقة يتم التقليل من ال Harmonics المؤثرة و توفير مصدر طاقة نقي للمحرك.
طرق عمل ايقاف Breaking للمحرك:
1) تركه ليتوقف Coast-to-Stop:
و هذا ما تحدثنا عنه في عملية الربع الوحيد من ترك المحرك ليتوقف بفعل قصوره الذاتي, الا ان هذه العملية تحتاج الى وقت طويل.
2) تقليل التسارع بشكل متحكم به Controlled Deceleration:
ايضا تحدثنا عنها سابقا في عملية الارباع الاربعة من تقليل الفوتية و التردد بشكل متحكم به حتى يتوقف المحرك.
3) تزويد المحرك بفولتية DC (DC Injection Braking):
ان تطبيق فولتية DC على ملفات المحرك يوقف المجال المغناطيسي الدوار بشكل سريع, حيث يتم تطبيق 250 % من قيمة التيار الاسمي على المحرك.
4) الايقاف المزدوج Compound braking:
تستخدم هذه الطريقة مركبا من تزويد المحرك بفولتية DC و تقليل التسارع بشكل متحكم به, يراقب الانفرتر في هذه الطريقة فولتية خط ال DC و عندما تصل الى مستوى معين يقوم باطلاق عملية الايقاف, يتم تزويد ملفات المحرك بفولتية DC تدريجيا, و يتم التخلص من الطاقة الزائدة في ملفات المحرك مما يتسبب في تسخينها و ربما تلفها في المستقبل.
5) المقاومة النبضية Pulsed resister Breaking:
يتم استخدام هذه المقاومة للتعامل مع الطاقة الزائة من منطقة التوليد، يتم ادخالها الى الدائرة و اخراجها منها باستحدام IGBT, و يتم شبكها على الاطراف B- و B+, عندما تصل الطاقة الى مستوى معين يتم تفعيل ال IGBT من خلال المعالج, و تضيع الطاقة الزائدة من خلال المقاومة.
الفصل السادس: Siemens MICROMASTER
في هذا الفصل سنتحدث عن عائلة MICROMASTER , و هي ما سيتم التركيز عليه في هذه الدورة, هذه العائلة مناسبة لكم كبير من التطبيقات مثل المضخات و المراوح و النواقل.
و بالتالي انواع الانفرترات في هذه العائلة بالتفصيل مع مزايا كل نوع:
1) MICROMASTER 410:
- هذا النوع يعتبر اقل انواع انفرترات سيمنز في الاداء, و هو مخصص للتطبيقات البسيطة و المطلوب فيها التوفير, هذا لايعني بان اداؤه سيء و لكنه مناسب لهذا النوع من التطبيقات.
- الفولتية 240-120 V single phase.
- يعمل على قدرات من 1/6 HP الى 6 HP.
- نوع التحكم المستخدم به هو V/f.
- يحتوي على 3 مداخل رقمية و مدخل تشابهي 3 digital input and 1 analogue input
- يحتوي على ريليه.
- انواع الايقاف المستخدمة فيه تزويد المحرك بفولتية DC و الايقاف المزدوج.
انواع الحماية المتوافرة فيه:
- قدرة على تحمل الاوفرلود لغاية 150% من التيار الاسمي لمدة 60 ثانية.
- حماية ضد تجاوز الفولتية للمستوى المطلوب Overvoltage و تناقصها عن المستوى المطلوب Under voltage.
- حماية الانفرتر من الحرارة الزائدة.
- حماية من التسريب الى الارضي Earth fault protection.
- حماية من حصول قصر في الدائرة Short circuit.
- حماية من التوقف المفاجىء Stall.
2) MICROMASTER 420 :
ميزات هذا النفرتر:
- الفولتية 240 V single phase, 240-380 V 3 Phase.
- يعمل على قدرات من 1/6 HP الى 15 HP.
- نوع التحكم المستخدم به هو V/f, FCC.
- يحتوي على 3 مداخل رقمية و مدخل تشابهي3 digital input and 1 analogue input
- يحتوي على ريليه و مخرج تشابهي analogue output.
- انواع الايقاف المستخدمة فيه تزويد المحرك بفولتية DC و الايقاف المزدوج.
و فيه جميع انواع الحماية المتوفرة في MICROMASTER 410 و التي ذكرناها سابقا.
3) MICROMASTER 440 :
هذا هو اافضل انواع هذه العائلة من حيث الاداء و الميزات, و يمكن استخدامه لقدرات اعلى, ميزاته تشمل:
- الفولتية 240 V single phase, 240-380-600 V 3 Phase.
- يعمل على قدرات من 1/6 HP الى 100 HP.
- نوع التحكم المستخدم به هو V/f, FCC, Vector (Sensorless).
- يحتوي على 6 مداخل رقمية و مدخلين تشابهيين6 digital input and 2 analogue input
- يحتوي على 3 ريليهات و مخرجين تشابهيين 2analogue output.
- يحتوي على مدخل PTC يمكن وصل حساس الحرارة الموجود داخل ملفات المحرك به.
- انواع الايقاف المستخدمة فيه تزويد المحرك بفولتية DC و الايقاف المزدوج.
درجة حرارة المحيط Ambient temperature:
هذا الانفرتر مصمم للعمل ضمن درجات الحرارة ما بين صفر الى 40 درجة,و لذلك يتم دائما الانتباه الى تبريد الانفرتر بطريقة مناسبة.
التصميم الخاص ب MICROMASTER 440
من اجل فهم القدرات الخاصة بهذا الانفرتر لا بد من فهم التصميم الخاص به, ان هذا النفرتر له تصميم وحدي Modular, و معنى ذلك انه مصمم من عدة وحدات على شكل كروت, كل كرت له وظيفة خاصة, و بذلك تستطيع تشكيل الانفرتر من الكروت التي تحتاجها, فيحصل بذلك التوفير الاقتصادي, و اذا اردت اضافة ميزة اخرى في المستقبل فيمكنك ذلك بسهولة فقط باضافة الكرت الخاص بها.
كما ان هذا التصميم يسمح بتتبع الاعطال و حلها بسهولة, فعادة الانفرتر يظهر رسالة عند وجود مشكلة معينة تبين لك بالضبط مكان الخلل و في اي كرت هو, فاذا كانت هناك امكانية لحل مشكلة الكرت او تغييره بكل سهولة.
الشكل الاتي يوضح لنا مخططا للانفرتر MICROMASTER 440:
وحدة التشغيل Operator Panel:
وحدة التشغيل او ما يسمى بال Keypad و هي الوحدة التي يتم من خلالها برمجة الانفرتر و تتبع الاعطال, و مشاهدة اخر الانذارات, و كذلك مشاهدة بعض القيم العملية مثل التيار الفعلي و فولتية ال DC و القدرة و العزم و غير ذلك.
كما يمكن استخدامها من اجل التشغيل و الايقاف و قلب اجاه الدوران و غير ذلك.
و هناك نوعين من هذه الوحدات:
1) وحدة التشغيل الاساسيةBasic Operator Panel (BOP) :
و يمكن من خلالها اعداد مجموعة من الاعدادات الاساسية, و يمكن استخدام واحدة فقط لاعداد اكثر من انفرتر.
2) وحدة التشغيل المتقدمة Advanced Operator Panel (AOP):
و هي تسمح بادخال الاعدادات و قراءتها (upload/download), و فيما يلي كيفية استخدام ال AOP و شرح لوظائفها:
كيس هذا الزر لمرة واحدة يؤدي الى توقف المحرك, و ذلك عند تشغيل الانفرتر يدويا.
كبس هذا الزر مرتين يؤدي الى ترك المحرك ليتوقف ذاتيا Coast to Stop.
كيس هذا الزر يؤدي الى تشغيل المحرك, و ذلك عند تشغيل الانفرتر يدويا.
تشغيل الانفرتر في الوضع اليدوي, و معنى ذلك انه يمكنك التحكم بالانفرتر سواء بتشغيله او اطفاؤه من ال AOP.
تشغيل الانفرتر في الوضع الالي, فمثلا اذا كان الPLC يتحكم بالانفرتر او DCS فانه سيعمل حسب المنطق الخاص بال PLC

2 comments:

فيديوهات

كـيــف ؟

عداد المتابعين

هدفنا

طموحنا هو جعل موقع المدرسة الالكترونية منصة علمية و تقنية، ناطقة باللغة العربية، تكون مرجعاً يعتمد عليه لكل طلاب العلم، و الباحثين عن الإبداع و التميز

من نحن

نحن مجموعة من الشباب العربي، بعضنا لايزال على مقاعد الدراسة، و بعضنا الآخر أنهى تعليمه الجامعي الأساسي. نشترك جميعنا بكوننا نتملك شغفاً بالهندسات و العلوم التقنية، خصوصاً الالكترونية و الحاسوبية منها.

إشترك في نشرتنا البريدية

جميع الحقوق محفوظة © 2016