مقدمة

في الأتمتة الصناعية الحديثة ، أصبح محرك التردد المتغير (VFD) مكونًا مهمًا للسيطرة على تشغيل المحركات الكهربائية. عن طريق تغيير التردد والجهد الموفر لمحرك كهربائي ، يمكن لـ VFD ضبط سرعته وعزم الدوران. في حين توفر VFDs العديد من الفوائد-مثل توفير الطاقة ، والتحكم الدقيق للعملية ، وعمر المعدات الممتد-فهي ليست حلًا واحدًا يناسب الجميع. يمكن أن يؤدي سوء استخدام أو الإفراط في استخدام VFDs إلى تكاليف غير ضرورية ، وتعقيد النظام ، وعدم الكفاءة.

تستكشف هذه المقالة المبادئ الهندسية وراء تطبيقات VFD ، وتناقش السيناريوهات التي تكون فيها VFD مناسبة ، وتحذر من استخدامها العشوائي. يهدف إلى مساعدة المهندسين والمصممين ومحترفي الصيانة على اتخاذ قرارات مستنيرة فيما يتعلق باختيار وتنفيذ VFDs.

فيما يلي 10 علامات تجارية شهيرة وأفضل مبيعًا (محرك تردد متغير) في السوق العالمية ، والمعروفة بجودتها وموثوقيتها ومجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية: 

Siemens ：

رائدة عالمية في الأتمتة ومحركات الأقراص ، تقدم حلول VFD قوية لجميع الصناعات.

ABB ：

المعروف عن محركات الأقراص عالية الكفاءة ، وخاصة في التطبيقات كثيفة الطاقة مثل المضخات و HVAC.

شنايدر الكهربائي ：

يوفر VFDs سهلة الاستخدام ومضغوط مناسبة لكل من القطاعين الصناعي والتجاري.

Danfoss ：

لاعب رئيسي في HVAC ، والتبريد ، والصناعات المائية ، والمعروفة بـ VFDs الموفرة للطاقة.

إلكترونيات دلتا ：

يقدم محركات فعالة وموثوقة من حيث التكلفة ، شعبية في آسيا وتوسع عالميا.

فوجي الكهربائي ：

متخصص في VFD عالي السرعة ، مضغوطة مع أداء قوي في التطبيقات الشاقة.

هارز ：

Hars هي علامة تجارية صينية سريعة النمو تقدم VFDs بأسعار معقولة وتستخدم على نطاق واسع في HVAC ، ومعالجة المياه ، والقطاعات الصناعية العامة.

ما هو محرك التردد المتغير (VFD)؟

VFD هو نوع من وحدة تحكم المحرك التي تقود محركًا كهربائيًا عن طريق تغيير تواتر وجهد إمدادات الطاقة الخاصة به. كما أن لديها القدرة على التحكم في تراجع المحرك والمنحدر أثناء البدء أو التوقف.

مبدأ العمل

• محركات التيار المتردد والتردد:

  تتناسب سرعة محرك تحريض التيار المتردد مع تواتر الإمداد الكهربائي.

• وظيفة VFD:

  يقوم VFD أولاً بتحويل طاقة التيار المتردد إلى DC (التصحيح) ، ثم يقوم بتصفية وتزداد مرة أخرى إلى إخراج AC متغير مع تردد قابل للتعديل والجهد.

المكونات الأساسية لـ VFD

• المقوم (AC إلى DC Converter)

• حافلة DC (مرشح وشبكة مكثف)

• العاكس (DC إلى متغير AC)

• دوائر التحكم (المعالج الدقيق ، واجهة الإدخال/الإخراج ، البرمجيات)

الفوائد الرئيسية لاستخدام VFDs

عند استخدامها بشكل مناسب ، يمكن لـ VFDs تقديم المزايا التالية:

• وفورات الطاقة ：

   خاصة في تطبيقات عزم الدوران المتغيرة مثل المضخات والمراوح.

• تحسين العملية:

  السرعة الدقيقة والتحكم في عزم الدوران.

• انخفاض الإجهاد الميكانيكي:

  التسارع السلس والتباطاع.

• تكاليف الصيانة المنخفضة:

  انخفاض البلى على الأنظمة الميكانيكية.

• تحسين تكامل النظام:

  أسهل في الاندماج في الأنظمة الآلية.

متى يجب أن تستخدم VFD؟

يجب أن يعتمد اختيار تنفيذ VFD على المتطلبات التشغيلية ، وليس مجرد العادة أو الراحة. فيما يلي أكثر المواقف الصالحة التي لا تكون فيها VFD مفيدة فحسب ، بل ضرورية:

عندما تكون هناك حاجة إلى سرعة متغيرة

واحدة من أهم مبررات لاستخدام VFD هي عندما تتطلب العملية تعديل سرعة المحرك بشكل مستمر أو على فترات.

التطبيقات:

• الناقلات (لمطابقة السرعة أو تباعد المنتج)

• الخلاطات والمحرضون (التحكم في السرعة على أساس خصائص المواد)

• أدوات الآلة (سرعات القطع المتغيرة)

عند الحاجة إلى التحكم في الضغط أو التدفق أو درجة الحرارة

في العمليات التي يحتاج فيها الضغط أو التدفق أو درجة الحرارة إلى تعديل ديناميكي ، توفر VFDs حلاً أكثر كفاءة من طرق التحكم التقليدية مثل صمامات الخنق أو المخمدات.

التطبيقات:

• أنظمة HVAC

• معالجة المياه ومحطات الضخ

• الغلايات وأبراج التبريد

عندما تكون هناك حاجة إلى بدء تشغيل/توقف ناعم

قد لا تقلل الطرق التقليدية مثل Star-Delta أو بدء التحول التلقائي بشكل كافٍ من الإجهاد الحالي أو الميكانيكي. يوفر VFD بداية وإيقاف أكثر سلاسة ، مما يقلل من التآكل على كل من المكونات الكهربائية والميكانيكية.

سيناريوهات:

• المحركات الكبيرة التي تقود أحمالًا عالية في الدخل

• أنظمة تعتمد على الحزام حيث يمكن أن تتسبب الأنظمة المفاجئة في الانزلاق أو التآكل

• التطبيقات التي تتطلب بدايات متكررة وتوقف

عندما يكون عزم الدوران العالي ضروريًا

تتطلب بعض التطبيقات كمية كبيرة من عزم الدوران بسرعات منخفضة أو أثناء بدء التشغيل. يمكن برمجة VFD لتقديم عزم الدوران العالي حتى عندما يعمل المحرك دون السرعة المقدرة.

أمثلة:

• كسارات

• الرافعات

• البثق

عندما لا يكون VFD ضروريًا

على الرغم من مزاياها ، هناك العديد من السيناريوهات التي تكون فيها VFDs إما زائدة أو غير فعالة:

تطبيقات السرعة الثابتة

إذا تم تشغيل المحرك بسرعة ثابتة ولم يكن بحاجة إلى التغيير بناءً على متغيرات العملية ، فقد يكون VFD نفقات غير ضرورية.

أمثلة:

• الناقلات الأساسية مع عدم وجود متطلبات سرعة متغيرة

• المشجعين أو المضخات العاملة في الحمل الكامل بشكل مستمر

• المعدات ذات التنظيم الميكانيكي في مكانها بالفعل

الأنظمة ذات التحكم في/إيقاف التشغيل البسيط

عندما تتطلب عملية ما مجرد وظيفة بدء/إيقاف أساسي ويمكن أن تتحمل الصدمة الميكانيكية أثناء بدء التشغيل ، يمكن استخدام مبتدئين أبسط وأرخص.

التطبيقات ذات دورات العمل المنخفضة

إذا كان المحرك يعمل من حين لآخر وليس في ظل ظروف حساسة للحمل ، فقد لا يؤتي الاستثمار في VFD.

المفاهيم الخاطئة وسوء استخدام VFDs

فخ 'الممارسة القياسية '

تجعل بعض المهندسين من المعتاد تحديد VFDs لجميع الأنظمة التي تعتمد على المحرك دون إجراء تحليل التكلفة والفوائد. هذا النهج الشامل يؤدي إلى:

• ارتفاع تكاليف التثبيت

• زيادة تعقيد الصيانة

• انخفاض الموثوقية بسبب التعقيد غير الضروري

الإفراط في الهندسة

تسهم VFDs الإفراط في تحديد الميزات التي لن يتم استخدامها أبدًا (على سبيل المثال ، بروتوكولات الاتصال الراقية ، المرشحات التوافقية) في التضخم في الميزانية دون فوائد تشغيلية.

كيفية تقييم الحاجة إلى VFD

قبل اتخاذ قرار بتنفيذ VFD ، أجب على الأسئلة التالية:

1. هل تتطلب العملية تباين السرعة؟

2. هل هناك حاجة للتحكم في الضغط أو درجة الحرارة أو التدفق ديناميكيًا؟

3. هل ستستفيد بدء تشغيل/إيقاف المكونات الميكانيكية للنظام؟

4. هل كفاءة الطاقة مصدر قلق لهذه العملية؟

5. هل ستتحسن دقة العملية أو الاتساق مع التحكم في السرعة؟

6. ما هي تكاليف دورة الحياة مقارنة مع بداية المحرك القياسية؟

دراسات الحالة والتطبيقات في العالم الحقيقي

 أنظمة HVAC

في تطبيقات HVAC ، غالبًا ما تتم مطابقة سرعة المروحة مع شغل الغرفة أو الحمل البيئي. تقلل VFDs من استهلاك الطاقة بشكل كبير مقارنة بالمخيمات التقليدية.

مضخات المياه في الأنظمة البلدية

يتيح VFD التحكم في تدفق المياه والضغط وفقًا للطلب ، مما يحسن الكفاءة ويقلل من خطر رشقات الأنابيب.

أنظمة النقل في التصنيع

تساعد السرعة المتغيرة على الناقلات في مطابقة معدلات الإنتاج ، وتحسين التزامن بين المحطات ، والتعامل مع تباين المنتج.

بدائل لـ VFDs

في بعض الأحيان ، قد تكون طرق التحكم في المحرك الأخرى أكثر ملاءمة:

• مبتدئين ناعم:

  لتقليل تيار inrush دون التحكم في السرعة.

• محركات المؤازرة:

  لتطبيقات التحكم في الحركة عالية الدقة.

• محركات الأقراص الميكانيكية:

  مثل علب التروس وأنظمة البكرة للسرعة الثابتة ولكن القابلة للتعديل.

الاعتبارات الاقتصادية

 

التكلفة الأولية مقابل التوفير التشغيلي

في حين أن VFDs تنطوي على ارتفاع تكاليف مقدمة ، يمكنها أن تؤتي ثمارها:

• انخفاض فواتير الكهرباء

• انخفاض البلى

• أقل توقف

 

فترة الاسترداد

في التطبيقات المكثفة للطاقة (على سبيل المثال ، المضخات ، الضواغط) ، يمكن أن تصل فترة استرداد VFD إلى 6 أشهر إلى سنتين.

إرشادات التثبيت والصيانة

• التدريع المناسب والتأريض:

  لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

• تحديثات البرامج الثابتة العادية:

  مواكبة تحسين برامج التحكم.

• التبريد والتهوية:

  VFDs يولد الحرارة ويتطلب تدفق هواء جيد.

• توافق المحرك:

  تأكد من أن عزل المحرك والمحامل مناسبة للتطبيقات التي تعتمد على VFD.

الأخطاء الشائعة وكيفية تجنبها

• تثبيت VFDs دون التخفيف من التوافقيات على الشبكات الحساسة

• إهمال النظر

• اختيار الكابل غير لائق يؤدي إلى طفرات الجهد

• عدم تدريب الموظفين على واجهات VFD والإنذارات

الاتجاهات المستقبلية في تقنية VFD

• التكامل مع إنترنت الأشياء والمنصات السحابية للمراقبة عن بُعد

• الذكاء الاصطناعي المدمج للصيانة التنبؤية

• تصميمات معيارية لتحسين التوسع والتخصيص

• تحسين تقنيات التخفيف التوافقي

خاتمة

تعد VFDs أدوات قوية لتحسين التحكم في المحرك ، وتحسين الكفاءة ، وتوسيع عمر الأنظمة الميكانيكية. ومع ذلك ، مثل أي أداة هندسية ، يجب أن يكون استخدامها مبررًا من خلال متطلبات العملية. يؤدي التضمين التلقائي لـ VFDs في كل تطبيق يحركه المحرك إلى زيادة الإنفاق والتعقيد دون فائدة متناسبة.

يجب أن يستند القرار المستنير حول تنفيذ VFD إلى تحليل للأهداف التشغيلية ، والمتطلبات الميكانيكية ، والعائد على المدى الطويل على الاستثمار. عند استخدامها بشكل مناسب ، فإن VFDs ليست مجرد ترقية فنية - فهي مفتاح أنظمة صناعية أكثر ذكاءً وأصغر وأكثر قابلية للتكيف.