علت استفاده از چوک در ورودی و خروجی درایو

چوک‌ در ورودی و خروجی درایو‌ یا اینورتر یکی از مهم‌ترین قطعات جانبی برای حفاظت، کاهش نویز و بهبود عملکرد سیستم است. استفاده از چوک سه علت اصلی دارد؛ اما نقش آن در ورودی و خروجی کمی متفاوت است.

به‌طور خلاصه، قرار دادن چوک در ورودی درایو باعث کاهش هارمونیک‌های مخرب، مهار جریان‌های هجومی و محافظت از قطعات داخلی خود درایو در برابر نوسانات شبکه برق می‌شود. در مقابل، استفاده از چوک در خروجی درایو، با کاهش شیب تند تغییرات ولتاژ (dv/dt) و کنترل اثرات خازنی ناشی از کابل‌های طولانی، از عایق و سیم‌پیچ‌های موتور به شدت محافظت کرده و لرزش و نویز آن را کاهش می‌دهد.

در ادامه این مقاله، به بررسی مفصل و علمی‌ترِ نحوه عملکرد چوک‌ها و ضرورت استفاده از آن‌ها در ورودی و خروجی درایو خواهیم پرداخت.

درایو چیست؟

درایو یک تجهیز فرکانس متغیر است که برای کنترل سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی از طریق تغییر فرکانس یا ولتاژ ساخته شده است. ساختار درونی یک درایو شامل چندین بخش اصلی است که هرکدام را به صورت مختصر بررسی می‌کنیم.

ورودی AC

در این بخش سه فاز ورودی به درایو اعمال می‌شود. در واقع این بخش متصل به بخش یک سوساز یا رکتیفایر است که وظیفه تبدیل برق متناوب AC به برق مستقیم DC را برعهده دارد.

یک سو ساز (Rectifier)

این بخش در درایو سه‌فاز، معمولاً متشکل از شش دیود است که به صورت یک شبکه پل دیودی به هم متصل شده‌اند. این دیودها تنها اجازه‌ عبور جریان از یک جهت را می‌دهند، که آن جهت مثبت است، و جریان متناوب AC ورودی را به جریان مستقیم یا DC تبدیل می‌کند.

خازن یا لینک DC

پس از یک سوساز، جریان مستقیم وارد خازن‌ها می‌شود. خازن‌های استفاده‌شده در درایو، وظیفه‌ کاهش نوسانات و گرفتن ریپل سیگنال خروجی رکتیفایر را دارند.

اینورتر

اینورتر با استفاده از قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورهای IGBT جریان مستقیم را به جریان متنابه با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم تبدیل می‌کند. این فرایند به وسیله تکنیک مودولاسیون پهنای پالس یا PWM انجام می‌شود تا شکل موج خروجی به شکل سینوسی تبدیل شد.

شکل موج خروجی درایو به صورت سینوسی کامل نبوده بلکه به صورت شبه سینوسی (پالس مربعی) است.

نکته مهم: هر چه ولتاژ و جریان ورودی درایو با ثبات‌تر یا به عبارتی بدون هارمونیک باشد درایو عملکرد بهینه‌تری خواهد داشت.

هارمونیک چیست؟

هنگامی که به یک تجهیز الکتریکی ولتاژ سینوسی اعمال می‌شود اما آن تجهیز از شبکه جریان غیرسینوسی دریافت می‌کند، چنین باری را بار هارمونیک‌زا می‌نامند. در این حالت، جریان دارای هارمونیک در امپدانس شبکه ضرب شده و در نتیجه ولتاژ شبکه نیز دچار هارمونیک می‌شود.

به‌طور کلی، وجود هارمونیک در شبکه باعث ایجاد نوسان، افزایش تلفات انرژی در شبکه‌های انتقال و در نهایت کاهش عمر مفید تجهیزات می‌شود.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، هر چه ولتاژ و جریان ورودی درایو پایدارتر و بدون هارمونیک باشد، عملکرد درایو نیز بهینه‌تر خواهد بود. به همین دلیل در ورودی درایو از چوک استفاده می‌شود. سه دلیل اصلی استفاده از چوک در ورودی درایو عبارت‌اند از:

• جلوگیری از ایجاد هارمونیک‌ها
• محافظت از بخش رکتیفایر درایو در برابر نوسانات شبکه
• جلوگیری از ایجاد جریان‌های هجومی

چوک چیست؟

چوک یا راکتور الکتریکی (خفه‌کن)، نوعی سیم‌پیچ است که روی یک هسته مغناطیسی پیچیده می‌شود و راکتانس سلفی آن از مقاومت اهمی بیشتر است.
(Xl > R).
طبق رابطه (XL=2π.f.L ) که مربوط به راکتانس سلفی است، چوک فرکانس‌های بالای جریان را دمپ می‌کند زیرا در لحظه‌ای که شکل موج دارای ‌هارمونیک و فرکانس بالا می‌باشد Xl یا همان راکتانس چوک نیز افزایش پیدا می‌کند و از آنجایی که جنس راکتانس از نوع اهم می‌باشد باعث دمپ جریانی هارمونیک دار می‌شود. از طرفی طبق رابطه (V=Z.I) کاهش جریان هارمونیک دار منجر به کاهش ولتاژ هارمونیک دار نیز شده که در نهایت باعث افزایش کیفیت توان می‌شود.

در نهایت باید توجه داشت که چوک ورودی درایو باید به‌صورت سری نصب شود تا جریان به‌طور کامل از سیم‌پیچ عبور کند.

انواع چوک و نحوه عملکرد آن‌ها

چوک‌ها در دو نوع AC و DC تولید می‌شوند. چوک DC در درایوهای DC مورد استفاده قرار می‌گیرد. تفاوت اصلی چوک DC در این است که در مسیر جریان مستقیم (لینک DC) قرار می‌گیرد. در حالت ایده‌آل و DC خالص، راکتانس آن صفر است، اما وظیفه اصلی آن ایجاد راکتانس در برابر ریپل‌ها و نوسانات با فرکانس بالا است تا جریان DC را صاف‌تر کند.

مطالب ذکر شده در این مقاله مختص چوک‌های AC می‌باشد.

تا اینجا به نقش چوک در ورودی درایو پرداختیم؛ اکنون به بررسی چوک خروجی می‌پردازیم.

چوک خروجی مشابه چوک ورودی است، با این تفاوت که در خروجی درایو و قبل از الکتروموتور نصب می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، خروجی درایو شبه‌سینوسی است. این موضوع عملکرد موتور را مختل نمی‌کند، زیرا اندوکتانس سیم‌پیچ‌های الکتروموتور به‌صورت طبیعی فرآیند فیلتر کردن موج پالسی جریان را انجام می‌دهد و شکل موج را به سینوسی نزدیک‌تر می‌کند. از آنجا که موج گشتاور تابع موج جریان است، الکتروموتور عملکرد نرم و بدون تنش خواهد داشت.

استفاده از چوک خروجی موجب بهبود فیلتر شدن موج و تبدیل شکل موج از پالسی به سینوسی می‌شود و در نتیجه عملکرد موتور بهینه‌تر خواهد بود.

همچنین زمانی که فاصله بین درایو و الکتروموتور زیاد باشد، افزایش طول کابل و شبه‌سینوسی بودن سیگنال خروجی باعث افزایش خاصیت خازنی می‌شود. علت این موضوع، تیز بودن لبه‌های موج است که باعث شارژ ناگهانی خازن‌های بین هر فاز با فاز دیگر یا هر فاز با زمین می‌شود.

افزایش طول کابل چطور منجر افزایش خاصیت خازنی می شود؟

به طورکلی می‌توان گفت کابل ذاتا نوعی خازن است. حال وقتی طول کابل افزایش پیدا می‌کند طبق رابطه زیر بی‌نهایت خازن کوچک در کنار هم قرار گرفته‌اند، که در مجموع یک خازن با ظرفیت مجموع خازن‌های کوچک ایجاد می‌شود.

طبق دو فرمول بالا افزایش طول کابل باعث افزایش ظرفیت خازنی ذاتی آن می‌شود. از سوی دیگر، شکل موج خروجی درایو با dv/dt بالا باعث می‌شود این خازن‌های ذاتی به شدت تحریک شده و جریان‌های نشتی بالایی ایجاد کنند. در حقیقت خروجی PWM درایو با dv/dt بالا باعث تحریک جریان‌های خازنی کابل می‌شود.

وجود خاصیت خازنی آثار مخربی مانند ایجاد پیک‌های ولتاژی، شکست عایقی کابل‌ها ایجاد هارمونیک، جریان یاتاقانی، نویز EMI‌ و همچنین تداخل الکترومغناطیسی را ایجاد می‌کند.

عملا با استفاده از چوک خروجی بخش عمده‌ای از آثار مخرب dv/dt و جریان‌های خازنی را کاهش می‌دهد، اما در کابل‌های بسیار بلند ممکن است به فیلتر سینوسی نیاز باشد.

نکته مهم: باید توجه داشت که استفاده از چوک در خروجی تاثیری بر هارمونیک ورودی نخواهد داشت.

در هنگام تهیه چوک خروجی باید به طول کابل توجه داشت تا بتوان چوکی با اندوکتانس مناسب انتخاب کرد. وقتی طول کابل خروجی بیشتر از ۵۰ متر باشد استفاده از چوک خروجی توصیه می‌شود. البته باید توجه داشت که انتخاب چوک وابسته به ولتاژ درایو، فرکانس سوئیچینگ، نوع کابل (شیلددار یا معمولی) و همچنین کلاس عایقی است.

نکته مهم: از معایب استفاده از چوک خروجی ایجاد تلفات بین 0.5% تا 1% در سیستم است.

اندوکتانس چیست؟

می‌دانیم هنگامی که به یک سیم‌پیچ ولتاژی اعمال می‌شود، در اطراف آن میدان مغناطیسی شکل می‌گیرد. قرار گرفتن هادی در معرض این میدان مغناطیسی باعث القای نیروی محرکه (ولتاژ) در سیم می‌شود. این میدان مغناطیسی در خود سیم‌پیچ نیز موجب القای متقابل می‌گردد.

القای متقابل اساس کار بسیاری از ماشین‌های الکتریکی مانند الکتروموتور، ترانسفورماتور و ژنراتور است.

خودالقایی، حالتی ویژه از القای متقابل است که در درون یک مدار ایزوله اتفاق می‌افتد و معمولاً به آن اندوکتانس گفته می‌شود. یکای اندازه‌گیری اندوکتانس هانری (H) است. در واقع یک هانری برابر است با یک وبر بر آمپر (W/A).

نقش مهم چوک ها در ورودی و خروجی درایو

در جمع‌بندی می‌توان گفت چوک‌ها چه در ورودی و چه در خروجی درایو نقش مهمی در بهبود کیفیت توان و افزایش عمر تجهیزات ایفا می‌کنند. چوک ورودی بین شبکه و درایو نصب شده و با کاهش هارمونیک جریان (THDI)، محدود کردن جریان‌های هجومی و کاهش نوسانات وارد بر IGBTهای درایو، موجب حفاظت بهتر از شبکه و عملکرد پایدارتر درایو می‌شود. از سوی دیگر، چوک خروجی که بین درایو و الکتروموتور قرار می‌گیرد، با کاهش dv/dt و جریان‌های خازنی کابل، از آسیب‌دیدگی عایق موتور، کابل‌ها و یاتاقان‌ها جلوگیری کرده و باعث نرم‌تر شدن شکل موج ولتاژ موتور می‌شود.

به‌طور کلی، انتخاب صحیح نوع و اندازه چوک، به‌ویژه بر اساس طول کابل، موجب افزایش پایداری سیستم، بهبود عملکرد درایو و افزایش عمر مفید موتور و تجهیزات جانبی خواهد شد.