AFE چیست؟
درایوهای فرکانس متغیر یا VFD امکان کنترل سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی را فراهم میکنند و در سیستمهای تهویه مطبوع، پمپها، فنها، کمپرسورها، خطوط تولید و بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده میشوند. بااینحال، بخش ورودی بسیاری از درایوهای معمولی جریان را بهشکل یکنواخت و سینوسی از شبکه دریافت نمیکند. در این مقاله، ساختار و نتایج آزمایش درایو Active Front End دارای خازن باس DC با ماتریس کانورتر فاقد خازن باس DC مقایسه میشود.
چرا هارمونیک ورودی درایو اهمیت دارد؟
در یک درایو معمولی، مدار یکسوکننده و خازنهای باس DC جریان را بهصورت پالسهای کوتاه از شبکه میکشند و در نتیجه هارمونیک ایجاد میشود. افزایش هارمونیک میتواند تلفات و دمای ترانسفورماتورها و کابلها را بالا ببرد، عملکرد ژنراتور اضطراری را مختل کند و برای بعضی تجهیزات حساس شبکه مشکل ایجاد کند.
یکی از روشهای پیشرفته کاهش هارمونیک، فناوری Active Front End یا AFE است. در این فناوری بهجای یکسوکننده دیودی معمولی از کلیدهای قدرت کنترلشونده استفاده میشود. بااینحال، همه تجهیزاتی که با عنوان AFE یا Low Harmonic معرفی میشوند ساختار یکسانی ندارند.
درایو AFE چیست؟
AFE مخفف Active Front End به معنی بخش ورودی فعال است. در یک درایو 6-Pulse معمولی، ولتاژ سهفاز شبکه ابتدا توسط پل دیود به ولتاژ DC تبدیل میشود و سپس بخش اینورتر با استفاده از IGBTها، ولتاژ DC را به ولتاژ AC با فرکانس و دامنه قابلکنترل تبدیل میکند.
در بخش ورودی درایو AFE، بهجای پل دیود معمولی از کلیدهای قدرت IGBT استفاده میشود. این کلیدها با سوئیچینگ سریع و کنترلشده امکان شکلدهی جریان ورودی، کاهش هارمونیک و تنظیم ولتاژ باس DC را فراهم میکنند.
ساختار داخلی درایو AFE دارای خازن باس DC
فیلتر LCL ورودی
در ورودی درایو یک فیلتر LCL قرار میگیرد. این فیلتر از ترکیب سلفها و خازنها ساخته میشود و وظیفه آن کاهش نویز و مؤلفههای فرکانس بالایی است که بر اثر کلیدزنی سریع IGBTها ایجاد میشوند.
در ساختار بررسیشده توسط ABB، یک کنتاکتور نیز برای فیلتر LCL در نظر گرفته شده است. هنگامی که درایو موتور را راهاندازی نمیکند، کنتاکتور فیلتر را از شبکه جدا میکند. در نتیجه خازنهای فیلتر در حالت توقف باعث ایجاد توان راکتیو خازنی و ضریب توان پیشفاز نمیشوند.
یکسوکننده فعال IGBT
در یک درایو 6-Pulse معمولی، یک پل دیود وظیفه تبدیل AC به DC را بر عهده دارد؛ اما در AFE از 6 IGBT در بخش ورودی استفاده میشود. کنترل این IGBTها به درایو اجازه میدهد جریان ورودی را شکل دهد، هارمونیک را کاهش دهد و ولتاژ باس DC را در مقدار موردنظر نگه دارد.
خازنهای باس DC
خازنهای باس DC بین بخش ورودی و بخش خروجی قرار میگیرند. این خازنها ولتاژ DC را تثبیت میکنند و مقداری انرژی الکتریکی ذخیره میکنند. وجود این بخش باعث میشود عملکرد خروجی تا حد زیادی از تغییرات لحظهای سمت ورودی جدا شود و درایو در افت محدود ولتاژ ورودی، ولتاژ مناسبتری در خروجی ایجاد کند.
اینورتر خروجی
بخش خروجی شامل 6 IGBT دیگر است. این IGBTها ولتاژ DC را به ولتاژ سهفاز PWM با فرکانس و دامنه قابلکنترل تبدیل میکنند.
این تعداد مربوط به توپولوژی سادهشده بررسیشده در سند ABB است و ممکن است در طراحی محصولات دیگر متفاوت باشد.
ماتریس کانورتر چیست؟
ماتریس کانورتر یک مبدل مستقیم AC به AC است. در این ساختار، ولتاژ ورودی ابتدا به یک باس DC ذخیرهکننده انرژی تبدیل نمیشود. کلیدهای قدرت، فازهای ورودی را با یک الگوی کنترلی مشخص مستقیماً به فازهای خروجی متصل میکنند.
در ماتریس کانورتر بررسیشده، 9 کلید دوطرفه وجود دارد. هر کلید دوطرفه از 2 IGBT تشکیل شده و در نتیجه این ساختار در مجموع از 18 IGBT استفاده میکند.
ماتریس کانورتر برای کاهش نویز ناشی از سوئیچینگ، یک فیلتر LC در ورودی دارد. برخلاف AFE بررسیشده، در این ساختار کنتاکتوری برای جداکردن خازنهای فیلتر در حالت توقف وجود ندارد.
نبود خازن باس DC میتواند بعضی اجزای ذخیرهکننده انرژی را حذف کند؛ اما همزمان محدودیتهایی در تنظیم ولتاژ خروجی و ادامه کار هنگام افت برق ایجاد میکند.
مقایسه ساختار AFE و ماتریس کانورتر
| ویژگی | درایو AFE | ماتریس کانورتر |
|---|---|---|
| نوع تبدیل انرژی | AC به DC و سپس DC به AC | تبدیل مستقیم AC به AC |
| خازن باس DC | دارد | ندارد |
| تعداد IGBT در توپولوژی سند ABB | 12 | 18 |
| فیلتر ورودی | LCL | LC |
| کنتاکتور جداسازی فیلتر | دارد | ندارد |
| ذخیره کوتاهمدت انرژی | دارد | بسیار محدود |
| کنترل مستقلتر ولتاژ خروجی | بیشتر | محدودتر |
نقش خازنهای باس DC در عملکرد درایو
خازن باس DC فقط برای صافکردن ولتاژ استفاده نمیشود و چند وظیفه مهم دارد.
تثبیت ولتاژ لینک DC
انرژی ورودی شبکه و انرژی موردنیاز موتور در هر لحظه دقیقاً برابر نیستند. خازن اختلاف کوتاهمدت میان ورودی و خروجی را جذب میکند و از نوسان شدید ولتاژ جلوگیری میکند.
جداکردن عملکرد ورودی و خروجی
یکسوکننده فعال و اینورتر خروجی از طریق باس DC به یکدیگر متصلاند؛ بنابراین کنترل خروجی وابستگی مستقیم کمتری به شکل لحظهای ولتاژ شبکه دارد.
ذخیره انرژی هنگام افت ولتاژ
در افت بسیار کوتاه شبکه، انرژی ذخیرهشده در خازنها میتواند برای مدت محدودی کنترل موتور را حفظ کند.
در ماتریس کانورتر، خروجی مستقیماً از ولتاژ ورودی ساخته میشود. به همین دلیل حداکثر ولتاژ خروجی به ولتاژ شبکه و روش مدولاسیون وابستگی بیشتری دارد.
مدت ادامه کار هنگام افت برق به ظرفیت خازنها، توان مصرفی موتور، مقدار بار، عمق و مدت افت ولتاژ و الگوریتم کنترل درایو وابسته است. بنابراین وجود خازن باس DC بهتنهایی مدت مشخصی از Ride-through را تضمین نمیکند و مقدار واقعی باید در مستندات سازنده بررسی شود.
شرایط آزمایش ABB
ABB برای مقایسه دو فناوری، یک درایو AFE و یک ماتریس کانورتر با توان یکسان را در آزمایشگاه بررسی کرده است.
| مشخصه | مقدار |
|---|---|
| توان نامی هر درایو | 20HP |
| ولتاژ نامی درایو | 480V |
| توان موتور | 20HP |
| ولتاژ نامی موتور | 460V |
| جریان نامی موتور | 23.5A |
| سرعت نامی موتور | 1765RPM |
| فرکانس نامی | 60Hz |
| ضریب توان نامی موتور | 0.86 |
| بار محور | 100% گشتاور |
| ولتاژ اصلی آزمایش | سهفاز متعادل 480V |
حالت اول ماتریس کانورتر: Maximum Output Voltage Mode
در حالت حداکثر ولتاژ خروجی، ماتریس کانورتر میتواند در سرعت نامی ولتاژ کاملتری به موتور تحویل دهد. این حالت برای جلوگیری از کمبود ولتاژ موتور مناسبتر است، اما عملکرد کاهش هارمونیک ضعیفتر میشود.
نکته مهم فقط مقدار متوسط نیست. نمودار نشان میدهد اعوجاج جریان ماتریس کانورتر در طول زمان ثابت نمانده و نوسانهای قابلتوجهی داشته است. بنابراین حالت حداکثر ولتاژ میتواند ولتاژ مناسبتری ایجاد کند، اما بهترین عملکرد هارمونیکی همزمان در دسترس نیست.
حالت دوم ماتریس کانورتر: Low Harmonic Mode
در حالت Low Harmonic، الگوریتم کنترل برای کاهش هارمونیک تنظیم میشود. ABB مقدار متوسط THDi را در این حالت 5.6% اندازهگیری کرده است. مقدار لحظهای نیز در بعضی نقاط به حدود 7% رسیده است.
محدودیت اصلی این حالت، کاهش ولتاژ خروجی است. در آزمایش انجامشده، ماتریس کانورتر تقریباً 88% ولتاژ ورودی را به موتور تحویل داد. با ورودی 480V، ولتاژ اندازهگیریشده موتور فقط 422V بود.
| ولتاژ ورودی | خروجی ماتریس کانورتر | جریان موتور با ماتریس کانورتر | خروجی AFE | جریان موتور با AFE |
|---|---|---|---|---|
| 480V | 422V | 25A | 459V | 23.5A |
| 470V | 412V | 25.1A | 459V | 23.5A |
| 460V | 409V | 25.8A | 459V | 23.5A |
در ورودی 480V، جریان موتور با ماتریس کانورتر حدود 6.4% بیشتر از جریان نامی شد. در ورودی 460V، اضافهجریان نسبت به مقدار نامی به حدود 9.8% رسید. در مقابل، AFE در هر سه آزمایش تقریباً 459V به موتور تحویل داد و جریان را در مقدار نامی 23.5A نگه داشت.
چرا کاهش ولتاژ باعث افزایش جریان موتور میشود؟
در موتور القایی، ولتاژ باید متناسب با فرکانس تغییر کند تا شار مغناطیسی موتور در محدوده مناسب باقی بماند. اگر موتور در 60Hz کار کند اما ولتاژ کافی دریافت نکند، نسبت V/f کاهش پیدا میکند. در نتیجه شار و ظرفیت تولید گشتاور موتور کمتر میشود.
اگر بار همچنان گشتاور نامی را مطالبه کند، موتور و درایو برای جبران افت گشتاور به جریان بیشتری نیاز خواهند داشت. افزایش جریان باعث افزایش تلفات مسی و بالا رفتن دمای سیمپیچ میشود.
- افزایش دمای موتور
- فعالشدن حفاظت اضافهبار
- کاهش عمر عایق سیمپیچ
- کاهش راندمان
- نیاز به انتخاب موتور بزرگتر
- افزایش هزینه اولیه پروژه
ABB پیشنهاد میکند در صورت استفاده از ماتریس کانورتر در حالت Low Harmonic، موتور برای شرایط واقعی ولتاژ و جریان بررسی و در صورت نیاز بزرگتر انتخاب شود. البته بزرگتر انتخابکردن موتور نیز ممکن است باعث کارکرد آن در نقطهای با راندمان پایینتر شود.
حالت سوم ماتریس کانورتر: Pass-through Mode
در حالت Pass-through، تعدادی از IGBTها در وضعیت روشن ثابت قرار میگیرند و توان شبکه تقریباً بهصورت مستقیم به موتور منتقل میشود. این حالت شبیه بایپس است و میتواند ولتاژ کامل شبکه را به موتور برساند.
هارمونیک ورودی نیز در این وضعیت پایینتر خواهد بود، زیرا درایو عملاً کنترل PWM معمول را انجام نمیدهد. بااینحال، یک محدودیت اساسی وجود دارد: موتور فقط با سرعت کامل کار میکند و کنترل دور متغیر در دسترس نیست.
بنابراین ضریب توان در حالت Pass-through فقط کمی از مقدار نامی موتور بهتر بود.
تأثیر Pass-through بر مصرف انرژی پمپ و فن
در بارهای گشتاور متغیر مانند پمپ و فن، توان مصرفی تقریباً با توان سوم سرعت تغییر میکند. اگر یک فن فقط به 95% سرعت نیاز داشته باشد، توان موردنیاز آن تقریباً برابر با 86% توان در سرعت کامل خواهد بود.
اگر ماتریس کانورتر در این نقطه وارد حالت Pass-through شود و موتور را با 100% سرعت راهاندازی کند، مصرف از حدود 86% به 100% میرسد. این اختلاف حدود 14 واحد درصد از توان کامل است. بنابراین حالتی که با عنوان صرفهجویی انرژی معرفی میشود، ممکن است در برخی کاربردها بخشی از صرفهجویی حاصل از کنترل دور را از بین ببرد.
نتایج آزمایش درایو AFE
درایو AFE در آزمایش ABB فقط به یک حالت کاری نیاز داشت و مجبور نبود میان ولتاژ خروجی، هارمونیک و ضریب توان یکی را انتخاب کند.
THDi متوسط2.7%
کمتر از 9.4% و 5.6% دو حالت ماتریس کانورتر و با پایداری بیشتر در طول زمان
حفظ ولتاژ موتورحدود 459V
در ورودیهای 480V، 470V و 460V
ثابتماندن جریان23.5A
حتی با کاهش ولتاژ ورودی تا 460V
ضریب توان نزدیک به یکتا حدود 40% بار
براساس نتایج اعلامشده در سند ABB
جداشدن فیلتر در حالت توقف
کنتاکتور ورودی، فیلتر LCL را هنگام توقف موتور از شبکه جدا میکند. این ویژگی از ایجاد ضریب توان پیشفاز ناشی از خازنهای فیلتر در حالت بیباری جلوگیری میکند.
امکان Power Loss Ride-through
وجود خازن باس DC به AFE اجازه میدهد در بعضی افتهای کوتاهمدت، کنترل موتور را حفظ کند. مقدار واقعی این قابلیت به مدل درایو و شرایط بار وابسته است.
تفاوت Motor Power Loss Ride-through با روشن ماندن مدار کنترل
یکی از نکات مهم سند ABB، تفاوت میان روشن ماندن مدار کنترل درایو و حفظ واقعی کنترل موتور است. ممکن است هنگام افت کوتاه برق، صفحهنمایش و مدار منطقی درایو همچنان روشن بمانند؛ اما بخش قدرت دیگر انرژی کافی برای کنترل موتور نداشته باشد و موتور شروع به کاهش سرعت کند.
Control Power Loss Ride-through
حفظ مدار کنترل
روشن ماندن نمایشگر و برد منطقی، بدون تضمین جریان، گشتاور یا کنترل واقعی موتور
VS
Motor Power Loss Ride-through
حفظ کنترل موتور
کنترل کوتاهمدت جریان و گشتاور موتور با استفاده از انرژی باس DC و در برخی بارها انرژی مکانیکی ذخیرهشده
در بیمارستانها، دیتاسنترها و سیستمهای تهویه حیاتی، حفظ کنترل واقعی موتور اهمیت بیشتری از روشن ماندن صرف نمایشگر دارد.
ادعاهای بازاریابی که باید بررسی شوند
ABB توضیح میدهد که بعضی مشخصات ماتریس کانورتر ممکن است مربوط به حالتهای کاری متفاوت باشند. در نتیجه همه مزایا لزوماً بهصورت همزمان در دسترس نیستند.
Low Harmonic
باید مشخص شود THDi پایین در کدام حالت کاری بهدست میآید و آیا در همان حالت ولتاژ کامل موتور نیز قابلدستیابی است.
Energy Saving یا Pass-through
باید سرعت قابلکنترل، ضریب توان و تأثیر واقعی این حالت بر مصرف پمپ یا فن بررسی شود.
Near Unity Power Factor
نوع پیشفاز یا پسفاز، تغییر با بار و تفاوت ضریب توان واقعی با Displacement Power Factor باید مشخص شود.
Control Power Ride-through
روشن ماندن نمایشگر به معنی حفظ گشتاور و کنترل موتور نیست و مدت Motor Ride-through باید عددی اعلام شود.
Contactor-less Bypass
روشن ماندن بعضی IGBTها لزوماً جایگزین بایپس کنتاکتوری اضطراری نیست.
Near Unity Power Factor یعنی چه؟
عبارت Near Unity Power Factor یعنی ضریب توان نزدیک به یک؛ یعنی بخش بیشتری از جریان دریافتی از شبکه صرف تولید توان مفید میشود و توان راکتیو نسبتاً کم است. برای مثال، ضریب توان 0.98 به عدد ایدهآل 1 نزدیک است.
بااینحال، «نزدیک به یک» الزاماً به معنی عملکرد کامل نیست و باید مشخص شود ضریب توان پیشفاز است یا پسفاز، ضریب توان واقعی است یا فقط Displacement Power Factor، و در چه میزان بار و کدام حالت کاری اندازهگیری شده است.
Displacement Power Factor
فقط اختلاف زاویه میان مؤلفه اصلی ولتاژ و جریان را بررسی میکند و اثر هارمونیکها را در نظر نمیگیرد.
True Power Factor
هم اختلاف فاز و هم اعوجاج هارمونیکی جریان را در محاسبه وارد میکند.
نتیجه مقایسه
ممکن است در کاتالوگ Displacement Power Factor برابر 0.98 اعلام شود، اما ضریب توان واقعی دستگاه کمتر باشد.
Contactor-less Bypass چه محدودیتی دارد؟
بایپس داخلی مبتنی بر روشن ماندن IGBTها لزوماً جایگزین بایپس کنتاکتوری اضطراری نیست. اگر بخش قدرت یا مدار کنترل درایو خراب شود، این روش ممکن است قابل استفاده نباشد.
در بایپس اضطراری واقعی، کنتاکتورها میتوانند در صورت خرابی درایو، موتور را مستقیماً به شبکه متصل کنند. بنابراین نوع بایپس، حالتهای خرابی قابلپوشش و نحوه انتقال موتور باید در طراحی پروژه بررسی شود.
آیا AFE همیشه بهترین انتخاب است؟
AFE در کاربردهایی که همزمان به هارمونیک پایین، ولتاژ کامل موتور، ضریب توان مناسب و Ride-through نیاز دارند گزینه قدرتمندی است؛ اما انتخاب نهایی باید براساس شرایط پروژه انجام شود.
درایو AFE دارای تجهیزات بیشتری مانند یکسوکننده فعال، فیلتر LCL، خازن باس DC و سیستم کنترل پیچیدهتر است. این ساختار ممکن است قیمت اولیه، ابعاد و نیازهای سرویس متفاوتی نسبت به یک درایو سادهتر داشته باشد.
در مقابل، حذف باس DC در ماتریس کانورتر میتواند بعضی اجزای ذخیرهکننده انرژی را حذف کند؛ اما برای دستیابی همزمان به ولتاژ کامل، هارمونیک پایین، ضریب توان مناسب و ادامه کار هنگام افت برق، محدودیت بیشتری وجود دارد.
در پروژههای معمولی که حساسیت هارمونیکی پایین است، ممکن است یک درایو 6-Pulse همراه با چوک یا فیلتر مناسب اقتصادیتر باشد. در تأسیسات حساس، تصمیمگیری صرفاً براساس قیمت خرید درایو میتواند هزینههای پنهان دیگری ایجاد کند.
نتیجهگیری
درایو AFE دارای خازن باس DC و ماتریس کانورتر هر دو برای کاهش هارمونیک شبکه طراحی شدهاند، اما ساختار و عملکرد متفاوتی دارند.
ماتریس کانورتر با تبدیل مستقیم AC به AC و حذف خازنهای باس DC کار میکند. بااینحال، در نمونه آزمایششده توسط ABB، دستیابی به تمام مزایا در یک حالت کاری ممکن نبود. حالت Maximum Output Voltage هارمونیک بیشتری داشت، حالت Low Harmonic ولتاژ موتور را کاهش داد و جریان را افزایش داد، و حالت Pass-through کنترل دور را حذف کرد و ضریب توان واقعی 0.89 ایجاد کرد.
درایو AFE آزمایششده توانست بهطور همزمان THDi متوسط 2.7%، ولتاژ خروجی نزدیک به نامی، جریان نامی موتور و ضریب توان نزدیک به یک را فراهم کند. وجود خازن باس DC نیز امکان حفظ بهتر کنترل موتور هنگام افتهای کوتاه برق را ایجاد میکند.
به همین دلیل، AFE دارای خازن باس DC میتواند برای بیمارستانها، دیتاسنترها، سیستمهای تهویه حساس، پروژههای مجهز به ژنراتور اضطراری و تأسیساتی که هارمونیک و توقف ناگهانی اهمیت زیادی دارند انتخاب مناسبتری باشد.
منبع فنی مقاله
دانلود مستند ABB درباره Active Front End
این فایل ساختار AFE دارای باس DC، ماتریس کانورتر، THDi، ضریب توان، ولتاژ خروجی و Power Loss Ride-through را بررسی میکند.
سؤالات متداول
AFE مخفف چه عبارتی است؟
آیا هر AFE الزاماً قابلیت بازگرداندن انرژی به شبکه دارد؟
چرا ماتریس کانورتر خازن باس DC ندارد؟
چرا در حالت Low Harmonic جریان موتور بیشتر شد؟
آیا روشن ماندن پنل درایو به معنی ادامه کنترل موتور است؟
برای انتخاب درایو AFE یا راهکار کاهش هارمونیک نیاز به بررسی فنی دارید؟
توان موتور، نوع بار، مشخصات شبکه، ژنراتور اضطراری و محدودیت THDi پروژه را برای بررسی ارسال کنید.