כונן תדר משתנה (VFD) הוא מכשיר חשמלי המשמש לשליטה על המהירות והביצועים של מנועים חשמליים, והוא נמצא בשימוש נרחב בתחום בקרת אוטומציה תעשייתית. הוא מווסת את תדר המוצא והמתח של מנועי AC, ובכך שולט במהירות ובמומנט המנוע, ומאפשר שליטה חכמה, יעילה וחסכונית באנרגיה בציוד.
כונן תדר משתנה מורכב בעיקר מקטע העברת כוח, מקטע מיישר, מקטע מהפך ומעגלי בקרה. קטע העברת הכוח משתמש בשנאי כדי להוריד את מתח רשת הכניסה (בדרך כלל 380V או 220V) למתח הכניסה הנדרש. קטע המיישר ממיר את הספק ה-AC המבוא למתח DC, בעוד שקטע המהפך ממיר את הספק ה-DC בחזרה להספק AC בתדר גבוה. מעגלי הבקרה מנתבים ומעבדים אותות בקרה כדי לווסת את הפלט של הכונן.
הפונקציות העיקריות של VFD כוללות בקרת מנוע משתנה-, ויסות כוח והגנה מפני מתח יתר ועומסי יתר ברשת. על ידי התאמת תדר המוצא והמתח של ה-VFD, ניתן להשיג שליטה אמינה ומדויקת על המנוע בעומסים משתנים, תוך יישום אסטרטגיות בקרת מנוע שונות כגון בקרת אזור, בקרת וקטור ובקרת לולאה פתוחה-.
בשל היתרונות של פעולה יציבה, שיפורי ביצועים משמעותיים וחיסכון באנרגיה, כוננים בתדר משתנה נמצאים בשימוש נרחב בתהליכי ייצור ותחומים שונים, כגון בקרת משאבות, מערכות אוורור, מערכות קירור, ייצור במפעל ורובוטיקה.
עקרון עבודה של כונן תדרים משתנה
כונן תדר משתנה הוא מכשיר חשמלי המשמש לוויסות מהירות הפעולה של מנוע AC. עקרון העבודה הבסיסי שלו הוא כדלקמן:
המהפך ממיר מתח DC למתח AC ומתאים את מהירות הפעולה והמומנט של המנוע על ידי שליטה בפרמטרים כגון מתח, תדר ופאזה. ניתן לחלק את תהליך ההפעלה הספציפי לשלבים הבאים:
1. תיקון: המהפך משתמש במעגל מיישר כדי להמיר את מתח ה-AC מהספק החשמל למתח DC.
2. סינון: מעגל סינון מבטיח שהספק DC מועבר בצורה חלקה למעגל המהפך, ומונע מרעש דופק בתדר גבוה מהזרם לזהם את ספק הכוח.
3. היפוך: מעגל המהפך ממיר את הספק ה-DC להספק ה-AC הנדרש.
4. בקרת פלט: על ידי שליטה על המתח, התדר והפאזה של הפלט של מעגל המהפך, ה-VFD מתאים את מצב הפעולה של המנוע כדי להשיג בקרת מהירות חסרת שלבים של המנוע.
5. פונקציות הגנה: המהפך כולל גם פונקציות הגנה שונות, כגון הגנת זרם יתר, עומס יתר, מתח יתר ותת-מתח, המבטיחות פעולה בטוחה ויציבה הן של המנוע והן של המהפך.
לסיכום, המהפך מתאים את מצב הפעולה של המנוע על ידי שליטה בפרמטרים כגון תדר AC ומתח, מה שמאפשר בקרת מהירות ללא מדרגות כדי לעמוד בדרישות בקרת המנוע של יישומים שונים.
מבנה המעגל הראשי של כונן תדר משתנה
מבנה המעגל הראשי של כונן בתדר משתנה מורכב בעיקר ממעגל מיישר, קבלים ביניים, מעגל מהפך ומעגל מסנן פלט. באופן ספציפי, הוא כולל את הרכיבים הבאים:
1. מעגל מיישר: מעגל המיישר של כונן בתדר משתנה מורכב בעיקר מגשר מיישר ומקבלים DC. על ידי הוספת גשר מיישר ומסנן DC למסוף הכניסה המקורי של AC, מתח AC מומר למתח DC.
2. קבלי ביניים: קבלי ביניים משמשים בעיקר להבטחת מתח DC חלק ויציב של המהפך, תוך שהם משמשים גם כמסנן פלט.
3. מעגל מהפך: מעגל המהפך כולל טופולוגיות שונות, כגון חצי-גשר ותצורות גשר מלא-, להמרת מתח DC למתח AC. הוא משתמש בבקרת PWM כדי להוציא מתח AC עם צורת גל כמעט-סינוסואידלית, ובכך משיג בקרת מהירות.
4. מעגל מסנן פלט: מעגל מסנן הפלט מורכב בעיקר משני סוגים: מסננים מסוג L- ומסננים מסוג LC-. אלה משמשים לסינון רעש- בתדר גבוה שנוצר על ידי מעגל המהפך, ובכך מייצרים מתח DC חלק וסינוסואידי במסוף המוצא.
לסיכום, מבנה המעגל הראשי של כונן תדר משתנה (VFD) דורש בחירה של רכיבים מתאימים על סמך דרישות היישום בפועל, כולל התקנים אקטיביים (כגון IGBTs ו-MOSFETs) והתקנים פסיביים (כגון קבלים ומשרנים), כדי להשיג בקרת מהירות חסרת שלבים של המנוע.
מבנה מעגל בקרה של כונן תדר משתנה
מבנה מעגל הבקרה של כונן תדר משתנה מחולק בעיקר לרכיבים הבאים: ממשקים היקפיים, יחידת עיבוד אותות כניסה, יחידת עיבוד מרכזית, יחידת בקרת אותות פלט ויחידת אספקת חשמל.
1. ממשקים היקפיים: אלה כוללים ממשקי חיבור לאותות קלט ופלט, המשמשים לתקשורת ואינטראקציה עם מכשירים חיצוניים.
2. יחידת עיבוד אותות קלט: יחידה זו מעבדת וממירה אותות קלט שונים. הוא מקבל מספר סוגים של אותות כניסה, כגון אותות אנלוגיים או דיגיטליים, וממיר אותם לאותות בקרה סטנדרטיים ליציאה ליחידת העיבוד המרכזית, ובכך מאפשר זיהוי ועיבוד של אותות בקרה.
3. יחידת עיבוד מרכזית: זהו מרכיב הליבה של המהפך, האחראי על חישוב ובקרה של תדר המוצא והמתח של המנוע, וכן בקרה על פעולתם של רכיבי מוצא כגון ממירי IGBT. יחידת העיבוד המרכזית מכילה בדרך כלל מעבד אחד או יותר וזיכרון פנימי לאחסון פרמטרים מוגדרים ותוכניות בקרה.
4. יחידת בקרת אותות פלט: יחידה זו שולטת בפעולת רכיבי הפלט. על ידי שליטה ברכיבי פלט כגון IGBTs, הוא מווסת את תדר המוצא והמתח של המנוע, ובכך שולט על מהירות המנוע והמומנט.
5. יחידת אספקת חשמל: יחידה זו מספקת אספקת חשמל יציבה ומשתמשת ברכיבים כגון מסננים כדי לסנן ולהחליק אדוות-תדר גבוה בפלט המנוע, מה שמבטיח את יציבות המערכת ואמינות המערכת.
לסיכום, מבנה מעגל הבקרה של כונן תדר משתנה מורכב ממספר מודולים, שכל אחד מהם מבצע פונקציה מסוימת. מודולים אלה פועלים יחד כדי להשיג ביחד את פונקציות הבקרה של הכונן.