تکنولوژی سیکلوکانورتر

تکنولوژی سیکلوکانورتر جایگزینی مناس ب برای حذف گیربکس در تجهی زات صنعتی با توان ب اال و دور پایین مهندس علي پورنظري کارشناسی ارشد برق- الکترونيک معاون فنی شرکت سيمان ايالم چکیده: امروزه تس هیل در امر کنترل مدرن و کاهش هزینههای تعمیرات و نگهداری و انرژی در صنایع در راهبرد توس عه و نوس ازی نقش بسیار موثری دارد. در صنعت سیمان ماشینهای دوار که در بخش خردایش و سایش کار میکنند عمدتا در سرعتهای پایین و نیاز به توان مصرفی باالیی دارد لذا طراحهایی که بهصورت Gearless و بهجای س رعت ثابت دارای س رعت قابل کنترل است رو به افزایش است. سیکلوکانورتر در واقع در سرعتهای پایین و توانهای بسیار باال در صنایع سیمان قابل بهکارگیری میباشد. این مقاله توضیحی بر مفاهیم و نحوه عملکرد و مزایا و معایب و کاربردهای این تکنولوژی است. واژههاي كليدي: موتور القايي) IM ( سیکلوکانورتر سوئچينگ هس تند که شکل موج خروجی با تغییر فرکانس به شکل موج خروجی مناس ب تبدیل میشود و محدوده این تغییر فرکانس در محدوده فرکانسهای پایین میباشد. عمدهتری ن فرق س یکلوکانورتر با درایوه ای VVVF این است که بخش رکتیفایر و تبدیل سه فاز ورودی به DC در این درایوه ا وجود ندارد و منبع AC س ه فاز از فرکانس منبع 50 هرتز عمدتا به توانهای دهها م گاوات و فرکانسهای پایینتر تبدیل میشوند. اصل عملکرد سیکلوکانورتر بر پایه کنترل فاز که شامل دو 1- مقدمه اگرنگاه ی به فرمول س رعت موتور القای ی N = 120f / P بیاندازیم س رعت موتور میتواند ب ه دو روش متفاوت کنترل ش ود: یکی تغییر تعداد قطبه ا و روش دیگر تغییر فرکانس است. کنترل س رعت از طریق روش اول غیراقتصادی و تعداد قطب منوط به تغییر موتور اس ت و در حی ن اجرا امکانپذیر نیست. لذا تغییر فرکانس اصلیترین روش جهت کنترل دور است و درایوه ای س یکلوکانورتر در واق ع مبدله ای AC به AC 13

شکل 1- مبدل کاهنده فرکانس مرکب از دو مبدل پشت به پشت یکس وکننده مستقل که یکی ازآنها بهصورت مستقیم و دیگری بهصورت معکوس بس ته شده اس ت فرکانس منبع را از طریق تجهیزات سویچینگ به فرکانس دلخواه تبدیل میشود. 2- روش کاهش فرکانس طبق مدار فوق دو بل وک مثبت و منفی وجود دارند و این ترکی ب برای m فاز ورودی و تبدیل به n فازخروجی با ولتاژ و فرکانس متغیر قابل توسعه است. یکی از محدودیتهای اساسی س یکلوکانورترها کاهش ضریب توان ناشی از کنترل فاز است و جبرانسازی در طرف بار و منبع الزم دارد. س یکلوکانورترها اعوجاج هارمونیکی بسیار کمتری نسبت ب ه VVVF دارن د همچنین دارای ورودی س ه فاز به تک فاز هارمونیک کمتری نسبت به تک فاز به تک فاز میباشد. 3- انواع سیکلوکانورترها سیکلوکانورترها بر اساس منطق کنترل زاویه آتش عموما به سه دسته زیر طبقهبندی میشوند: 1- سیکلوکانورتر پوش جریان 2- سیکلوکانورتر کنترل فاز 3- سیکلوکانورتر ترکیبی فرکان س خروجی یک س یکلوکانورتر مضرب ی از فرکانس ورودی اس ت که معموال به یک س وم فرکانس ورودی محدود میش ود و جهت کمینه نمودن هارمونیک در خروجی حداکثر تا فرکانس 3/1 خط میتوان فرکانس خروجی را باال برد. اگر برای کسری از ثانیه بلوکهای مثبت و منفی تریستورها همزمان هدایت کنند اتصال کوتاه دور سر منبع رخ خواهد داد و برای اجتناب از این موضوع سلف برای محدود نمودن جریان گردشی بین بلوکها اضافه میگردد و همچنین در مدار کنترل آت ش منطق و س ختافزار بهگونهای حفاظت ش ده طراحی میش ود که گروهها همزمانی آتش نداش ته باشند. در صورت بروز اتصال کوتاه صدمه به تجهیزات گریزناپذیر است. شکل 2- موج ایدهآل سیکلوکانورتر دو پالس با تاخیر فاز 45 درجه 14

شکل 3- شکل موج سه پالسه سیکلوکانورتر شکل 4- شکل موج دوپالسه سیکلوکانورتر حداکثر مقدار ولتاژ خروجی متوسط سطح ولتاژ مستقیمی اس ت که بهعنوان منبع تغذیه به درایو وصل میشود. برای یک مبدل P پالسه حداکثر مقدار ولتاژ خروجی بهصورت زیر است: V s حداکثر ولتاژ در ای ن فرم ول آلفا زاویه آت ش و (max) منبع میباشد. وقتی که مبدل سیکلوکانورتر بار سلفی متعادلی را تغذی ه کند جری ان خروجی ک ه دارای ریپله ای تغییر سیکلها میباشد متقارن و سینوسیتر میشود. 4- گشتاور راهاندازی با اعمال بار به موتور س نکرون در محور موتورگش تاور کافی برای گرداندن بار در س رعت سنکرون ایجاد میشود. 15 شکل 5- مدار دوازده پالسه در حالتی که اتصال کوتاه رخ داده است

اگ ر نگاهی به دیاگ رام فی زوری موتور بیاندازی م هنگام اتص ال بار ب ه محور موتور ابتدا روتور کند میش ود با کند شدن موتور زاویه گش تاور بزرگتر میشود و گشتاور القایی افزایش مییابد و همین افزایش گش تاور القایی به نوبه خود باع ث افزایش س رعت میش ود و موتور مجددا با س رعت س نکرون کار میکند در این حالت زاویه گش تاور بیش تر از قبل است. طب ق فرم ول گش تاور POLL OUT میتواند س ه برابر گش تاور نامی ماشین باشد. اگر گش تاور روی شافت موتور از گش تاور poll out تج اوز نماید روتور نمیتواند با اس تاتور و برآیند ش ار مغناطیسی س نکرون باشد و نسبت به آنها شروع به لغزش نماید و با کند شدن روتور میدان استاتور مکرر روتور را دور میزند و با هر دور جهت گش تاور القاء ش ده در روتور عوض میشود. برآیند گشتاورهای بزرگ و ناگهانی گاه در یک جهت و گاه در جهت مخالف موجب میشود موتور شروع به لرزش نماید. τ max = ( 3Vφ Ea)/ωXs در روش مرس وم توان عملیاتی گیربکس بهنحوی طراحی میش ود که همواره از توان موتور کمتر باش د و نسبت تبدیل در گیربک س ضمن انتقال توان با نس بت دور تعریف ش ده به بار منتق ل مینماید و در درایوهای س یکلوکانورتر توان و دور و گش تاوردرایو و موتور متناس ب با بار و با نگاه به فرمول فوق طراحی میشود. در یک موتور با روتور س یمپیچی شده نوعی تفاضل بین ولتاژ روتور )SEs( و ولتاژ س یکلوکانورتر( Eccv ) در ش کل فوق برابر Er اس ت و جریان Ir رادر روت ور ایجاد میکند. با کنت رل ان دازه Eccv اندازه و ف از Er و درنتیجه Ir کنترل میشود. 5- مزایا و معایب ازجمل ه مزای ای این ن وع درایوه ا جهت اس تفاده بهص ورت Gearless در تجهی زات مکانیک ی ازجمل ه کانوایره ا الواتورها و آس یابهای گلولهای و س ینیهای غلتکی و سینیهای سپراتور در توان باال و فرکانس پایین بهشرح زیر است: 1- قابلیت اس تارت و اس تپ مکرر بدون ب اال رفتن دمای موتور قابل ذکر اس ت در ش رایط معمولی و ب ا گیربکس در یک تجهیز هر بار اس تارت ضمن تنشهای مکانیکی تا 6 برابر جریان نامی به موتور و شبکه تحمیل میشد ولی در این روش در محدوده جریان نامی راهاندازی میشود. شکل 6- دیاگرام عبور توان و فازوری موتور اسلیپ رینگ )روتور سیمپیچی شده( 16

شکل 7- بلوک دایاگرام کنترل سیکلوکانورتر سه فاز 2- بهدلیل اینکه تبدیل فرکانس یک مرحلهای است بازده در این درایو بسیار باالست. 3- س یکلوکانورتر میتواند توان را از منبع به بار و بالعکس منتقل میکند و درنتیجه میتوان بخش ی از توان را به ش بکه منتقل نمود. 4- عیب کموتاسیون اجباری را ندارد و بر اساس کموتاسیون خط عمل میکند. 5- در موتورهای اسلیپ رینگ میتوان روتور را از فرکانس باال تا دور نهایی سنکرون راهاندازی نمود )نیازی به استارترهای روغنی و یا آبی نیست(. معایب آن نیز به شرح زیر است: 1- ضریب توان موتور ثابت نیست. 2- حداکثر ثلث فرکانس ورودی میتوان به تجهیز دور داد لذا برای دورهای باال قابل بهکارگیری نمیباشد. 3- نیاز به تاسیسات جهت خنککاری سیستم سویچینگ دارد. 4- همانطور که در ش کل 5 نشان داده شد ریسک اتصال کوت اه در صورت عمل نکردن تجهیزات حفاظتی و یا خطا داده وجود دارد. 6- بلوکهای منطق و حفاظت مدار شماتیک ش کل 7 نمای تقریبا کاملی از سختافزار یک س یکلوکانورتر اس ت که ش امل مدار تش خیص صفر و راهاندازی آتش گیتها ایزوالتوره ای اپتوالکتریک بهعنوان اینترفیس قدرت به میکروپروسس ور م دار منطقی و بخش محاس به و منط ق جهت تطبی ق ماتریس دی ود و حفاظت میباشد. سپاسگذاری: دراینجا الزم است از زحمات همسرم در ترجمه متون تشکر و قدردانی نمایم. منابع: مدارک فنی 1- ACS 6000 cycloconveters, ABB 2- C. Meimaris, B. Lai, L. Cox, Remedial design of the world s, "Largest SAG mill gearless drive", International Conference on SAG grinding, SAG2001. 3- H. Akagi, "Large static converters for industry and utility applications", in Proceedings of the IEEE. 4- H. Stemmler, «High -power industrial drives», Proceedings of the IEEE, Volume: 82 17