من المعروف ان الانفرتر PWM يمكنه انتاج تيار مقارب جدا للشكل الجيبى (sinusoidal) ولكن الجهد الخارج من الانفرتر ليس بالشكل الجيبى حيث انه به switching او معدل تقطيع عالى مما قد يسبب انهيار عزل المحرك مباشرة بسبب الجهد العالى الذى قد ينتج بسبب swithing او يسبب انهيار العزل ايضا بعد فترة من التشغيل بسبب ظاهرة الكلال (fatigue electric insulation failure).
اذا من الواضح ان تردد switching يؤثر مباشرة على عزل المحرك والكابل المغذى ايضا. عمليا switching بتردد يصل الى 12 KHz يؤدى الى معدل عالى جدا فى تغير الجهد مع الزمن dv/dt والذى يسبب بدورة فى اجهاد شديد للعزل.
والشكل رقم 1 على سبيل المثال يوضح شكل موجة الجهد الخارجة من انفرتر يعمل ب بمعدل تقطيع 6 KHz وعلى تردد 50 Hz. والمسافة بين الانفرتر والمحرك 750 ft والجهد 400 فولت. وقد لوحظ ان هناك موجات للجهد تصل الى 1460 فولت!!
فى هذا المثال تمثل الكابلات الموصلة من الانفرتر الى المحرك وكانها خطوط نقل transmission line فلذلك الجهد العالى على اطراف المحرك بسبب ظاهرة معروفة وهى الموجات المرتدة reflected waves.
وقد لوحظ ايضا ان المحرك يتعرض الى تغيرات فى الجهد عالية dv/dt اى نبضات الجهد تتغير بقيمة عالية جدا فى زمن صغير جدا. وعدد هذه النبضات فى زمن معين يحدده switching frequency او معدل التقطيع كما ذكر سالفا المستخدم فى الانفرتر. وهذا قد يؤدى بدوره الى انهيار عزل المحرك.
شكل رقم 1 موجة الجهد الخارجة من الانفرتر
وهذا ما دفع مصممى المحركات الى مراعاة ذلك عند تصميم المحرك نفسه فمثلا محرك NEMA category B صمم ليتحمل جهد لحظى حتى 1000 فولت بزمن ارتفاع risi time ليس اقل من 2 ميكروثانية او (dv/dt) اقل من 500 فولت لكل واحد ميكروثانية. وهنا ظهرت الحاجة الملحة لاستخدام الفلاتر للتقليل من قيمة dv/dt التى يتعرض لها المحرك.
عنما يغذى المحرك بكابلات طويلة فانها تعمل كخطوط نقل transmission line والدائرة المكافئة له هى كما موضح بشكل رقم 2 . وتعتمد قيمة capacitance C inductance L, على طول الكابل
شكل رقم 2 الدائرة المكافئة لخط النقل
وباسترجاع خصائص خطوط النقل عندما تكون معاوقة خط النقل اقل من معاوقة الحمل فيحدث ظاهرة الارتداد reflection للجهد والتيار وذلك فى حالات ال switching ويكون الجهد على اطراف الحمل اكبر. والجدول التالى يوضح علاقة معامل زيادة الجهد المرتد p مع قدرة المحرك:
شكل 3
ويمكن حساب معامل الارتداد من العلاقات التالية
شكل 4 حساب معامل الارتداد reflected wave
وللمحركات الاقل من 25 HP يكون قيمته 1.0 اما اذا استخدمنا كابلات طويلة فقد يصل المعامل الى 0.5 اى يتضاعف الجهد.. وهناك حسابات لاطوال الكابلات المناسبة لكل حالة من حالات switching frequency وطول الكابل الحرج اى اقصى طول للكابل يمكن استخدامه.
وهنا تظهر الحاجة لمعاجة هذه الظاهرة المتمثلة فى ارتفاع معدل تغير الجهد بالنسبة للزمن الناتج من PWM و طول الكابل المناسب لتغذية المحرك. وقد اثمرت الابحاث الى تركيب ما يعرف ب المرشحات او الفلتر filters وتعددت انواعها. ويمكن سرد بعض منها كما يلى
انواع الفلاتر
ا(1) المعاوقة التعويضية:
مبدئيا من المعروف انه فى الكابلات اذا تساوت معاوقى الكابل مع معاوقة الحمل فلا توجد هناك اى موجات منعكسة. ولكن كيف يمكن تحقيق ذلك؟ .. النظرية هى وضع معاوقة بالتوازى مع المحرك لتحقيق التوازن بين معاوقة الخط ومعاوقة المحرك. ولكن عمليا هناك صعوبة فى وضع هذه المعاوقة على اطراف المحرك ولذلك الاختيار الثانى فى وضع هذه المعاوقة بعد خرج الانفرتر مباشرة هو الاوقع.
(2) المرشح الجيبى
الطريقة الثانية وهى ما يسمى low pass sine wave filter وتتكون من مفاعلة حثية reactor ومفاعلة سعوية capacitor imp. على اطراف الانفرتر. كما هو موضح من شكل 5
وبتركيب هذا الفلتر يمكن الحصول على جهد بعد الفلتر كما هو موضح بالشكل ويقارب جدا الشكل الجيبى.
شكل رقم 5
(3) المرشح ذو الممانعة الحثية Reactor:
الطريقة الثالثة هى استخدام reactor فقط بالتوالى مع اطراف الانفرتر ويوضح الشكل رقم 6 طريقة التوصيل والجهد بعد الفلتر. ويلاحظ ان موجة الجهد بدات تتاثر بتاثير PWM . ويكون زمن ارتفاع الجهد اكبر من 4 ميكروثانية وهذا مستحب جدا
(4) مرشح ذو snubber للترددات العالية
الطريقة الرابعة هى وضع ما يسمى high frequency snubber كما هو موضح بشكل رقم 7
وتتكون من reactor بالتوازى مع مقاومة ومكثف توازى. ويكون زمن ارتفاع الجهد اكبر من 2 ميكروثانية ويكون اقصى تردد تقطيع ل PWM هو 3.75 KHz ولا يكون هناك حظر على طول الكابل
شكل رقم 6
ويمكن تلخيص فوائد الفلتر كما يلى
1- حماية المحرك من التأثير السئ لطول كابلات التوصيل
2- تقليل dv/dt للجهد على اطراف المحرك
3- اطالة عمر مكونات القدرة للانفرتر
4- تقليل ال harmonice
5- تقليل التيارات العالية الفجائية surge currents
6- تقليل درجة حرارة تشغيل المحرك
7- تحسين معامل قدرة تشغيل المحرك
واخيرا اوضح الدوائر العملية لتركيب الفلتر
شكل الفلتر العملى كما هو موضح بشكل رقم 7
شكل رقم 7
والشكل التالى يوضح توصيل الفلتر على اطراف الانفرتر
شكل رقم 8
تعليق ختامى:
كما وضح فان switching frequency للانفرتر عامل مؤثر وخطير وزيادتها عند حد معين يسبب مخاطر كبيرة للكابل والمحرك على السواء ولكن فى نطاق الترددات المعتدلة (من 2 الى 4 كيلوهرتز) فانه يؤدى الى تحسن اداء المحرك من حيث التيار حيث يدفع التيار الى اخذ الشكل الجبيى بنعومة اكثر smoothing وهذا يؤدى الى تحسين خواص المحرك الديناميكية
اذا من الواضح ان تردد switching يؤثر مباشرة على عزل المحرك والكابل المغذى ايضا. عمليا switching بتردد يصل الى 12 KHz يؤدى الى معدل عالى جدا فى تغير الجهد مع الزمن dv/dt والذى يسبب بدورة فى اجهاد شديد للعزل.
والشكل رقم 1 على سبيل المثال يوضح شكل موجة الجهد الخارجة من انفرتر يعمل ب بمعدل تقطيع 6 KHz وعلى تردد 50 Hz. والمسافة بين الانفرتر والمحرك 750 ft والجهد 400 فولت. وقد لوحظ ان هناك موجات للجهد تصل الى 1460 فولت!!
فى هذا المثال تمثل الكابلات الموصلة من الانفرتر الى المحرك وكانها خطوط نقل transmission line فلذلك الجهد العالى على اطراف المحرك بسبب ظاهرة معروفة وهى الموجات المرتدة reflected waves.
وقد لوحظ ايضا ان المحرك يتعرض الى تغيرات فى الجهد عالية dv/dt اى نبضات الجهد تتغير بقيمة عالية جدا فى زمن صغير جدا. وعدد هذه النبضات فى زمن معين يحدده switching frequency او معدل التقطيع كما ذكر سالفا المستخدم فى الانفرتر. وهذا قد يؤدى بدوره الى انهيار عزل المحرك.
شكل رقم 1 موجة الجهد الخارجة من الانفرتر
وهذا ما دفع مصممى المحركات الى مراعاة ذلك عند تصميم المحرك نفسه فمثلا محرك NEMA category B صمم ليتحمل جهد لحظى حتى 1000 فولت بزمن ارتفاع risi time ليس اقل من 2 ميكروثانية او (dv/dt) اقل من 500 فولت لكل واحد ميكروثانية. وهنا ظهرت الحاجة الملحة لاستخدام الفلاتر للتقليل من قيمة dv/dt التى يتعرض لها المحرك.
عنما يغذى المحرك بكابلات طويلة فانها تعمل كخطوط نقل transmission line والدائرة المكافئة له هى كما موضح بشكل رقم 2 . وتعتمد قيمة capacitance C inductance L, على طول الكابل
شكل رقم 2 الدائرة المكافئة لخط النقل
وباسترجاع خصائص خطوط النقل عندما تكون معاوقة خط النقل اقل من معاوقة الحمل فيحدث ظاهرة الارتداد reflection للجهد والتيار وذلك فى حالات ال switching ويكون الجهد على اطراف الحمل اكبر. والجدول التالى يوضح علاقة معامل زيادة الجهد المرتد p مع قدرة المحرك:
شكل 3
ويمكن حساب معامل الارتداد من العلاقات التالية
شكل 4 حساب معامل الارتداد reflected wave
وللمحركات الاقل من 25 HP يكون قيمته 1.0 اما اذا استخدمنا كابلات طويلة فقد يصل المعامل الى 0.5 اى يتضاعف الجهد.. وهناك حسابات لاطوال الكابلات المناسبة لكل حالة من حالات switching frequency وطول الكابل الحرج اى اقصى طول للكابل يمكن استخدامه.
وهنا تظهر الحاجة لمعاجة هذه الظاهرة المتمثلة فى ارتفاع معدل تغير الجهد بالنسبة للزمن الناتج من PWM و طول الكابل المناسب لتغذية المحرك. وقد اثمرت الابحاث الى تركيب ما يعرف ب المرشحات او الفلتر filters وتعددت انواعها. ويمكن سرد بعض منها كما يلى
انواع الفلاتر
ا(1) المعاوقة التعويضية:
مبدئيا من المعروف انه فى الكابلات اذا تساوت معاوقى الكابل مع معاوقة الحمل فلا توجد هناك اى موجات منعكسة. ولكن كيف يمكن تحقيق ذلك؟ .. النظرية هى وضع معاوقة بالتوازى مع المحرك لتحقيق التوازن بين معاوقة الخط ومعاوقة المحرك. ولكن عمليا هناك صعوبة فى وضع هذه المعاوقة على اطراف المحرك ولذلك الاختيار الثانى فى وضع هذه المعاوقة بعد خرج الانفرتر مباشرة هو الاوقع.
(2) المرشح الجيبى
الطريقة الثانية وهى ما يسمى low pass sine wave filter وتتكون من مفاعلة حثية reactor ومفاعلة سعوية capacitor imp. على اطراف الانفرتر. كما هو موضح من شكل 5
وبتركيب هذا الفلتر يمكن الحصول على جهد بعد الفلتر كما هو موضح بالشكل ويقارب جدا الشكل الجيبى.
شكل رقم 5
(3) المرشح ذو الممانعة الحثية Reactor:
الطريقة الثالثة هى استخدام reactor فقط بالتوالى مع اطراف الانفرتر ويوضح الشكل رقم 6 طريقة التوصيل والجهد بعد الفلتر. ويلاحظ ان موجة الجهد بدات تتاثر بتاثير PWM . ويكون زمن ارتفاع الجهد اكبر من 4 ميكروثانية وهذا مستحب جدا
(4) مرشح ذو snubber للترددات العالية
الطريقة الرابعة هى وضع ما يسمى high frequency snubber كما هو موضح بشكل رقم 7
وتتكون من reactor بالتوازى مع مقاومة ومكثف توازى. ويكون زمن ارتفاع الجهد اكبر من 2 ميكروثانية ويكون اقصى تردد تقطيع ل PWM هو 3.75 KHz ولا يكون هناك حظر على طول الكابل
شكل رقم 6
ويمكن تلخيص فوائد الفلتر كما يلى
1- حماية المحرك من التأثير السئ لطول كابلات التوصيل
2- تقليل dv/dt للجهد على اطراف المحرك
3- اطالة عمر مكونات القدرة للانفرتر
4- تقليل ال harmonice
5- تقليل التيارات العالية الفجائية surge currents
6- تقليل درجة حرارة تشغيل المحرك
7- تحسين معامل قدرة تشغيل المحرك
واخيرا اوضح الدوائر العملية لتركيب الفلتر
شكل الفلتر العملى كما هو موضح بشكل رقم 7
شكل رقم 7
والشكل التالى يوضح توصيل الفلتر على اطراف الانفرتر
شكل رقم 8
تعليق ختامى:
كما وضح فان switching frequency للانفرتر عامل مؤثر وخطير وزيادتها عند حد معين يسبب مخاطر كبيرة للكابل والمحرك على السواء ولكن فى نطاق الترددات المعتدلة (من 2 الى 4 كيلوهرتز) فانه يؤدى الى تحسن اداء المحرك من حيث التيار حيث يدفع التيار الى اخذ الشكل الجبيى بنعومة اكثر smoothing وهذا يؤدى الى تحسين خواص المحرك الديناميكية
المشاركات
2 التعليقات:
ممتاز .. جزاك ( الله ) خيراً
جزاك الله عنا كل خير
إرسال تعليق