اصول طراحی سیستم پیوند DC VFD

در یک سیستم درایو فرکانس متغیر (VFD)، پیوند DC، به عنوان مؤلفه اصلی که واحد یکسوکننده جلویی-و واحد اینورتر انتهایی{1} را به هم متصل می‌کند، حول بافر انرژی، تثبیت ولتاژ، سرکوب هارمونیک و قابلیت اطمینان سیستم طراحی شده است. این سیستم پایه فیزیکی برای دستیابی به کنترل دقیق سرعت موتور و مدیریت کارآمد انرژی را تشکیل می دهد. این سیستم از طریق اثرات هم افزایی اصلاح، فیلتر کردن، ذخیره انرژی و تنظیم دینامیکی، برق AC شبکه را به توان DC قابل کنترل تبدیل می کند و پشتیبانی از توان پایدار را برای مرحله اینورتر فراهم می کند، بنابراین با تغییرات بار و شرایط عملیاتی پیچیده سازگار می شود.

طراحی لینک DC با تبدیل و تثبیت شکل انرژی آغاز می شود. مدار یکسوکننده انتهایی جلو معمولاً از یکسوسازی دیود کنترل‌نشده یا یکسوسازی تریستور/IGBT کنترل‌شده استفاده می‌کند: ساختار اولی ساده و کم هزینه است و برای سناریوهایی با الزامات کلی ضریب توان ورودی مناسب است. دومی می تواند به طور فعال شکل موج جریان ورودی را از طریق کنترل فاز تنظیم کند، ضریب توان را بهبود بخشد و هارمونیک ها را سرکوب کند، اما پیچیدگی کنترل را افزایش دهد. خروجی ولتاژ DC ضربان دار از یکسو کننده دارای موج قابل توجهی است که باید توسط یک خازن باس DC یا واحد ذخیره انرژی سلف فیلتر شود تا نوسانات ولتاژ را در محدوده قابل قبول محدود کند و یک ولتاژ باس DC نسبتاً پایدار را برای تأمین انرژی برای پل اینورتر تشکیل دهد.

بافر انرژی یکی از عملکردهای اصلی لینک DC است. از آنجایی که وقتی موتور بین حالت ترمز موتوری و ترمز احیا کننده سوئیچ می کند، جریان انرژی معکوس می شود (مثلاً، موتور انرژی را در حین ترمز به لینک DC برمی گرداند)، خازن باس DC باید ظرفیت کافی داشته باشد و در برابر ولتاژ مقاومت کند تا اختلافات توان لحظه ای را جذب یا آزاد کند، و از نوسانات شدید ولتاژ باس جلوگیری کند که می تواند باعث وارد شدن بیش از حد ماژول به داخل ولتاژ شود. طراحی ظرفیت آن باید به طور جامع اینرسی بار، فرکانس ترمز، دامنه نوسانات ولتاژ شبکه و ضریب موج دار شدن ولتاژ باس مجاز را در نظر بگیرد تا از پایداری ولتاژ حتی در سخت‌ترین شرایط کاری اطمینان حاصل شود.

سرکوب هارمونیک و بهینه سازی کیفیت توان، توسعه های مهم طراحی لینک DC هستند. مدارهای یکسو کننده کنترل نشده تعداد زیادی هارمونیک-پایین (مانند هارمونیک های 5 و 7) تولید می کنند که نه تنها شبکه برق را آلوده می کند بلکه ممکن است باعث تلفات خط و خرابی تجهیزات شود. با معرفی راکتورهای ورودی، راکتورهای هموارسازی DC، یا استفاده از توپولوژی‌های یکسوکننده چند پالس (مانند 12-پالسی یا 24 پالس)، تزریق جریان هارمونیک به شبکه را می‌توان به طور موثری مهار کرد. برای سناریوهای سخت، فناوری تصحیح جلویی فعال (AFE)، از طریق دستگاه‌های الکترونیکی قدرت کاملاً کنترل‌شده و الگوریتم‌های کنترل پیشرفته، جریان ورودی سینوسی و عملکرد ضریب توان واحد را به‌دست می‌آورد که به طور قابل‌توجهی کیفیت توان سیستم را بهبود می‌بخشد.

تنظیم دینامیکی و مکانیزم های حفاظتی برای اطمینان از قابلیت اطمینان در اصول طراحی بسیار مهم هستند. ولتاژ باس DC باید در زمان واقعی نظارت شود. هنگامی که ولتاژ از آستانه فراتر رفت (اضافه ولتاژ یا کم ولتاژ)، سیستم کنترل باید استراتژی های حفاظتی مربوطه را راه اندازی کند: در صورت اضافه ولتاژ، انرژی اضافی می تواند در مقاومت ترمز از طریق یک ترمز ترمز اتلاف شود، یا از طریق یک واحد بازخورد به برق AC تبدیل شود و به شبکه بازگردانده شود. در صورت کمبود ولتاژ، توان خروجی باید محدود شود یا سیستم خاموش شود تا به دلیل انرژی ناکافی به ماژول اینورتر آسیب نرسد. علاوه بر این، اندوکتانس و ظرفیت انگلی در پیوند DC می تواند مدارهای تشدید را تشکیل دهد. بنابراین، برای سرکوب نوسانات فرکانس بالا و جلوگیری از تداخل با سیگنال های کنترل، باید از مقاومت های میرایی یا سیم کشی بهینه در طراحی استفاده شود.

از منظر توپولوژیکی، پیوندهای DC را می توان به انواع گذرگاه DC تک باس و گذرگاه DC چند سطحی دسته بندی کرد. ساختارهای تک باس DC ساده و کم هزینه-، مناسب برای کاربردهای کوچک تا متوسط ​​هستند. گذرگاه‌های DC چند سطحی، از طریق خازن‌های تقسیم‌کننده ولتاژ یا ساختارهای پل H{6} آبشاری، می‌توانند مقاومت دستگاه در برابر تنش و هارمونیک‌های خروجی را کاهش دهند و آنها را برای سناریوهای درایو با ولتاژ بالا و قدرت بالا مناسب کنند. طراحی اتلاف گرما نیز باید در نظر گرفته شود، زیرا افزایش دمای خازن‌های باس DC و دستگاه‌های قدرت مستقیماً بر طول عمر و عملکرد تأثیر می‌گذارد. چیدمان مناسب، سینک های حرارتی کارآمد یا سیستم های خنک کننده مایع برای کنترل دمای عملیاتی ضروری است.

به طور کلی، اصل طراحی سیستم های پیوند DC VFD بر تبدیل انرژی و پایداری متمرکز است. از طریق بهینه سازی هم افزایی انتخاب توپولوژی یکسو کننده، پیکربندی واحد ذخیره انرژی، فناوری سرکوب هارمونیک، و مکانیسم های حفاظتی دینامیکی، یک کانال انرژی انعطاف پذیر برای اتصال شبکه برق و موتور ساخته می شود. کیفیت طراحی آن مستقیماً دقت تنظیم سرعت، قابلیت اطمینان عملیاتی و بهره‌وری مصرف انرژی VFD را تعیین می‌کند و آن را به یک سنگ بنای فن‌آوری ضروری در انتقال صنعتی مدرن و کنترل{2}}صرفه‌جویی انرژی تبدیل می‌کند.