تكتسب محركات التردد المتغيرة الصغيرة ميزات ماكرو

على الرغم من استمرار وجود محولات التردد المتغيرة الصغيرة الأساسية، إلا أن هناك عدة أسباب وجيهة تدفع مصنعي المعدات الأصلية والهواة والمستخدمين النهائيين الآخرين إلى استخدام محولات التردد المتغيرة الصغيرة الأحدث والأكثر كفاءة. نُشر هذا المقال في الأصل في عدد يونيو 2022 من مجلة InTech.

لقد شهدنا أثر التكنولوجيا التدريجي. فمن السيارات الفاخرة باهظة الثمن إلى أحدث الهواتف المحمولة كل عام، يتميز الطراز الأفضل عادةً بميزات حصرية. ومع ذلك، فإن المستهلكين المقتصدين والصبورين - على عكس المتبنين الأوائل - سيشهدون في نهاية المطاف توفر هذه التقنيات نفسها في منتجات أقل تكلفة. يشمل هذا النموذج العالمي العديد من الصناعات، من بينها الأتمتة الصناعية. ويستمر مستخدمو محركات التردد المتغير للتيار المتردد في الاستفادة من الميزات الجديدة التي كانت متاحة سابقًا فقط في المنتجات الرائدة.

تقدم في مجال محركات التردد المتغير

غالبًا ما تتطلب التطبيقات التي تشمل الآلات والمضخات وغيرها من المعدات التحكم في سرعة المحركات الكهربائية. في السابق، كانت الطريقة الوحيدة لتغيير سرعة المحرك الكهربائي - مع الحفاظ على عزم الدوران الكامل عند سرعات أقل من السرعة الأساسية - هي استخدام محرك تيار مستمر ومحرك تيار مستمر. ويعود ذلك إلى أن محركات التردد المتغير للتيار المتردد الأولى كانت تعمل فقط بنظام V/Hz، وتفقد عزم الدوران بشكل متناسب مع أي انخفاض في السرعة عن السرعة الأساسية. ولكن بمجرد توفر محركات التردد المتغير للتيار المتردد ذات متجه التدفق، أصبح بالإمكان إنتاج 100% من عزم دوران المحرك عبر نطاق السرعة الكامل من الصفر إلى السرعة الأساسية. وقد واجهت محركات التردد المتغير للتيار المتردد ذات متجه التدفق في بداياتها عدة مشاكل.

كانت نطاقات القدرة الحصانية المتاحة محدودة؛ وكانت الوحدات كبيرة الحجم وتُحفظ في غرفة منفصلة عن المعدات الأخرى؛ كما تسببت أطوال الكابلات الطويلة في مشاكل كهربائية. وكانت هذه أنظمة محركات باهظة الثمن ومصممة خصيصًا. في نهاية المطاف، بدأ تأثير الانتشار التدريجي، وأصبحت محركات التردد المتغيرة ذات متجه التدفق تُباع كمنتجات جاهزة للاستخدام في العديد من التطبيقات. وظلت محركات التردد المتغيرة منخفضة التكلفة متاحة للتطبيقات الأساسية التي تتطلب تحكمًا بسيطًا في الجهد/التردد. وبحلول أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، انخفض عدد أنظمة المحركات المصممة خصيصًا المباعة، وأصبحت معظمها منتجات جاهزة، ولكنها تتميز بميزات رائعة بالإضافة إلى دعمها للتحكم في متجه التدفق.

وتضمنت الميزات الشائعة الأخرى إمكانيات الشبكات المتقدمة، وميزات السلامة مثل إيقاف عزم الدوران الآمن، والتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID)، وحتى وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة مدمجة (PLC) مع خيارات إدخال/إخراج واسعة النطاق للسماح بالتحكم في العمليات أو الآلات بالإضافة إلى التحكم في المحركات.

الأقل مع الأكثر

قبل بضع سنوات فقط، كانت أجهزة VFD الأقل تكلفة في السوق تدعم فقط التحكم في الفولت/هرتز، وكانت بسيطة ذات جودة منخفضة لتكون في متناول مصنعي المعدات الأصلية (OEMs) والهواة. ومع مرور الوقت، تطورت هذه الأجهزة، فأصبحت العديد من الميزات المتطورة وجودة التصنيع المحسّنة متوفرة في أجهزة VFD الأقل تكلفة. واليوم، تُسهّل أجهزة VFD للمبتدئين، والتي تقع ضمن النطاق السعري لمصنعي المعدات الأصلية والهواة، تصميم المشاريع وتنفيذها بشكل كبير بفضل ميزات مثل:

مدخل أحادي الطور إلى مخرج ثلاثي الأطوار

التحكم الاتجاهي بدون مستشعرات لزيادة عزم الدوران عند السرعات المنخفضة

دعم متقدم للشبكات مثل EtherNet/IP و Modbus TCP

التحكم PID للتحكم في الحلقة المغلقة للعمليات

وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) متكاملة لتنفيذ العمليات المنطقية، مما يلغي الحاجة إلى وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة منفصلة في بعض التطبيقات.

تُتيح هذه الميزات الجديدة للمستخدمين فوائد جمّة. تحويل التيار من أحادي الطور إلى ثلاثي الأطوار. يُعدّ مُحوّل التردد المتغير (VFD) ذو مدخل أحادي الطور ومخرج ثلاثي الأطوار خيارًا مثاليًا عند مقارنة الميزات، سواءً للمُصنّعين الأصليين أو الهواة. فمعظم الهواة لا يملكون طاقة ثلاثية الأطوار في ورشهم أو مرائبهم، لكنهم قد يحتاجون إلى التحكم في محرك ثلاثي الأطوار. بالنسبة للمُصنّعين الأصليين، تُتيح هذه الميزة إمكانية التصميم لتوصيل طاقة أحادي الطور، ومن المُرجّح أن تجذب شريحة أوسع من العملاء، وليس فقط أولئك الذين لديهم طاقة ثلاثية الأطوار.

على الرغم من أن محول التردد المتغير (VFD) ليس محول طور، إلا أنه قادر على تحويل تيار أحادي الطور 120 فولت أو 230 فولت تيار متردد إلى خرج ثلاثي الأطوار للتحكم في المحرك. تتعدد مزايا اختيار محرك ثلاثي الأطوار بدلاً من محرك أحادي الطور، ولكن عادةً ما يكون تحسين التحكم في السرعة كافيًا لإقناع المستخدمين بأن المحرك ثلاثي الأطوار هو الخيار الأمثل. عزم الدوران: يتيح التحكم الاتجاهي بدون حساسات للمستخدمين خفض سرعة المحرك إلى سرعات منخفضة جدًا دون فقدان عزم الدوران. في محولات التردد المتغيرة النموذجية منخفضة التكلفة التي تعتمد فقط على التحكم في الجهد/الهرتز (المعروف أيضًا بالتحكم القياسي)، يفقد المحرك عزم الدوران الناتج بما يتناسب مع انخفاض السرعة.

على سبيل المثال، محرك بقدرة 0.5 حصان وسرعة أساسية 1725 دورة في الدقيقة وعزم دوران كامل 1.5 رطل-قدم عند سرعة 100%، لن يُنتج سوى 1.0 رطل-قدم عند سرعة 66%. باستخدام تقنية التحكم الاتجاهي بدون حساسات، يُمكن إنتاج 100% من عزم دوران المحرك عند سرعات منخفضة جدًا.

قبل توفر تقنية ناقل الحركة بدون مستشعرات، كان بإمكان المصممين استخدام محرك ذي سرعة دوران منخفضة بنفس القدرة الحصانية لتحقيق السرعة الثابتة المنخفضة، أو استخدام محرك تيار مستمر مع وحدة تحكم. الأول غير قابل للتعديل، وغالبًا ما يتطلب حجمًا أكبر للهيكل، مما قد يستلزم تعديلات ميكانيكية مكلفة. أما الثاني، فهو متين، لكنه يتطلب صيانة أكثر، مثل تغيير الفرش، والعديد من محركات التيار المستمر الصغيرة تناظرية وتقنية أقل تطورًا. ولا توفر عادةً خيارات اتصال أو تحكم متقدمة، على الأقل بنفس السعر.

الشبكات. تُعدّ الشبكات المتقدمة ميزة إضافية لأسباب عديدة. فالعديد من محركات التردد المتغير (VFDs)، حتى تلك التي تعود إلى بداياتها، كانت تدعم نوعًا من الاتصالات التسلسلية، ولكنها قد تتطلب كابلات خاصة. أما اليوم، فتدعم العديد من محركات التردد المتغير اتصالات الإيثرنت، مما يجعل تهيئتها أسهل، وفي حال تركيب أكثر من محرك تردد متغير والتحكم بها بواسطة وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) منفصلة، ​​يُمكن ربطها بشبكة واحدة بسهولة. إنّ قدرة أنظمة واجهة المستخدم وأنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات على مراقبة والتحكم بالعديد من محركات التردد المتغير المتصلة بشبكة المصنع تُعدّ ميزة جذابة للمستخدمين النهائيين ومصنّعي المعدات الأصلية على حد سواء، إذ توفر تشغيلًا متقدمًا وتدعم الصيانة الاستباقية لتجنب الأعطال.

التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID). في التطبيقات التي تتضمن التحكم في العمليات التناظرية، مثل تدفق المضخة أو المروحة، عادةً ما يكون من الضروري تطبيق تحكم PID ذي حلقة مغلقة. يمكن تحقيق ذلك باستخدام وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). مع ذلك، في العديد من التطبيقات، يمكن لمحرك التردد المتغير (VFD) التعامل مع هذه الوظيفة محليًا بكفاءة أكبر، مع توفير واجهة سهلة لضبط الحلقة، مما يوفر وقتًا كبيرًا أثناء بدء تشغيل الآلة. تتطلب معظم الآلات نوعًا من التحكم حتى لو لم تكن تُشغّل عملية تناظرية.

في الأصل، تطلب هذا الأمر منطق ترحيل سلكي، والذي تم استبداله لاحقًا بوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) إلى حد كبير. بالنسبة للعديد من التطبيقات الصغيرة - خاصة في مجال تصنيع المعدات الأصلية أو الهواة - توفر وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة المدمجة في محول التردد المتغير (VFD) منافذ إدخال/إخراج كافية للتحكم في كل ما هو مطلوب، وهو ما يمثل مكسبًا من جميع النواحي من حيث التكلفة، وجهد التصميم/البرمجة، ومساحة اللوحة.

اعتبارات محركات التردد المتغير الصغيرة

لا توجد عيوب تقنية تُذكر لاستخدام محول التردد المتغير الصغير في التطبيقات البسيطة منخفضة التكلفة. القاعدة العامة هي: إذا كنت متأكدًا من أنك لن تحتاج أبدًا إلى تعديل سرعة المحرك، فلا تشتري محول تردد متغير. أما إذا كان هناك احتمال ولو ضئيل لتعديل سرعة المحرك، فإن محول تردد متغير أحدث، منخفض التكلفة، وعالي الميزات، يُعد خيارًا مثاليًا.

قد تُثير مخاوف البعض حجم محول التردد المتغير (VFD) مقارنةً بالموصل أو المُشغِّل، إلا أن بعض الطرازات الحالية بحجم كف اليد وتشغل مساحةً تُقارب مساحة موصل المحرك ووحدة الحماية من الحمل الزائد (الشكل 2). تتميز هذه المحولات الصغيرة بوحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) مدمجة، ونظام تحكم PID، ونظام تحكم متجهي بدون مستشعرات، ودعم متقدم للشبكات، وإمكانية توسيع منافذ الإدخال/الإخراج، وذلك بتكلفة تُقارب تكلفة موصل المحرك ووحدة الحماية من الحمل الزائد، مع مزايا إضافية وتكاليف أقل في جوانب أخرى. وهي متوفرة مُدمجة في حزمة NEMA 4X مناسبة لمناطق الغسيل (الشكل 3). غالبًا ما تستخدم آلات الشركات المصنعة الأصلية (OEM) وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة صغيرة الحجم للتحكم في وحدة تشغيل المحرك. تتطلب التصاميم التقليدية عادةً طاقة ثلاثية الأطوار، ولكن يُفضل العديد من المستخدمين النهائيين تشغيل هذه الآلة في منشآت أحادية الطور.

بدلاً من تصميم وحدتين منفصلتين، يمكن للشركة المصنعة استبدال وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ومجموعة تشغيل المحرك بوحدة تحكم تردد متغيرة (VFD) حديثة تدعم مدخلات طاقة أحادية الطور. بهذا الحل، تحل الشركة المصنعة المشكلة، وتقل التكاليف، ويقل عدد المكونات، ويتسع نطاق العملاء المحتملين.

حتى هواة الأعمال اليدوية اليوم يحتاجون إلى محولات تردد صغيرة. على سبيل المثال، يشتري الكثيرون مخرطة أو آلة تجليخ صناعية مستعملة، والتي غالباً ما تتطلب طاقة ثلاثية الأطوار لتشغيل محرك واحد أو أكثر. حتى في حال استبدال المحرك (أو المحركات)، ينبغي على المستخدم استبداله بمحرك ثلاثي الأطوار آخر، لكي يتمكن من تغيير السرعة.

إذا كان الاستخدام النهائي للجهاز في مرآب منزلي أو ورشة عمل شخصية، فمن غير المرجح أن يتوفر لدى المستخدم مصدر طاقة ثلاثي الأطوار. مع أن خرج محول التردد المتغير (VFD) لا يكفي لتشغيل الجهاز بالكامل، إلا أنه يمكن إدخال بعض التعديلات البسيطة على الأسلاك، مما يسمح لمحول التردد المتغير بالتحكم في المحرك ثلاثي الأطوار باستخدام مدخل أحادي الطور. ورغم وجود محولات تردد متغيرة صغيرة أساسية، إلا أن هناك عدة أسباب وجيهة تدفع مصنعي المعدات الأصلية والهواة والمستخدمين النهائيين الآخرين إلى استخدام محولات تردد متغيرة صغيرة أحدث وأكثر كفاءة. وفي كثير من الحالات، استفادت هذه المحولات الصغيرة من التطور التدريجي.