IGBT اینورتر: وظیفه در درایو و ساختار مدار اینورتر با IGBT
زمان مطالعه: در حال محاسبه...
کپی لینک
واتساپ
تلگرام
ایتا
بله
فهرست مطالب
· وظیفه‌اش کلیدزنی است، نه کنترل: ولتاژ ثابت باس DC را با الگویی وصل و قطع می‌کند که در خروجی ولتاژ و فرکانس متغیر می‌سازد.
· مدار سه طبقه دارد: یکسوساز ورودی (با دیود)، باس DC (با خازن)، و طبقهٔ اینورتر (با شش IGBT در سه جفت مکمل).
· فرکانس حامل بده بستان دارد؛ فوجی معیار را صریح می‌گوید: کمترین فرکانس حاملی که عملکرد قابل قبول موتور را بدهد، نه بالاترین.
· سرعت بالای سوییچینگ IGBT فقط مزیت نیست: موج بازتابی روی کابل می‌تواند ولتاژ ترمینال موتور را تا نزدیک دو برابر ولتاژ باس برساند.
· انتخاب ماژول با دیتاشیت انجام می‌شود، نه با شباهت ظاهری شش معیار در بخش انتهایی آمده است.
IGBT اینورتر به ماژول یا ترانزیستور IGBT گفته می‌شود که در طبقهٔ خروجی یک اینورتر یا درایو صنعتی کار می‌کند؛ یک محصول مستقل با این نام وجود ندارد. جای آن در مدار مشخص است: بعد از یکسوساز ورودی و باس DC، در طبقهٔ سوم. وظیفه‌اش هم مشخص است ولتاژ ثابت باس DC را با الگوی پالس وصل و قطع می‌کند تا در خروجی ولتاژ و فرکانس متغیری ساخته شود که سرعت موتور را کنترل کند. تصمیم دربارهٔ این الگو با کنترلر است؛ IGBT مجری آن است.
IGBT اینورتر چیست و کجای مدار قرار دارد؟
IGBT اینورتر یک دستهٔ محصول جداگانه نیست، بلکه توصیف جایگاه قطعه در مدار است. وقتی فروشنده یا تعمیرکاری از «IGBT اینورتر» حرف می‌زند، منظورش ماژول یا ترانزیستوری است که در طبقهٔ خروجی همان دستگاه نصب شده.
این نکته در خرید اهمیت دارد: مبنای سفارش، پارت‌نامبر روی قطعه است، نه عبارت «IGBT اینورتر». دو درایو با توان یکسان می‌توانند ماژول‌های کاملاً متفاوتی داشته باشند.
اگر با اصل عملکرد این قطعه آشنا نیستید، IGBT چیست نقطهٔ شروع بهتری است؛ این مقاله فرض را بر آشنایی اولیه می‌گذارد و روی نقش قطعه در درایو تمرکز دارد.
وظیفه IGBT در درایو چیست؟
وظیفهٔ IGBT در درایو، کلیدزنی پرسرعت است، نه تصمیم‌گیری. کنترلر تصمیم می‌گیرد هر لحظه کدام سوییچ روشن باشد و چقدر؛ درایور گیت این تصمیم را به سیگنال قابل اجرا تبدیل می‌کند؛ و IGBT آن را روی جریان و ولتاژ بالا اجرا می‌کند.
این تفکیک سه‌گانه در عیب‌یابی کاربرد مستقیم دارد: اگر خروجی درایو نامتقارن است یا یک فاز کار نمی‌کند، مشکل می‌تواند در هر سه لایه باشد و شروع از لایهٔ اشتباه، وقت تلف می‌کند.
مدار اینورتر با IGBT: سه طبقه از برق ورودی تا موتور
یک درایو از سه بخش تشکیل شده است: طبقهٔ مبدل ورودی، باس DC میانی، و طبقهٔ اینورتر خروجی. این تقسیم‌بندی در منابع فنی سازندگان هم همین‌طور آمده است. نکتهٔ مهم برای تعمیرکار این است که فقط طبقهٔ سوم با IGBT ساخته می‌شود.
| طبقه | قطعهٔ اصلی | چه کاری انجام می‌دهد | نکتهٔ عملی |
|---|---|---|---|
| یکسوساز ورودی | دیود (نه IGBT) | برق متناوب ورودی را به DC تبدیل می‌کند | خرابی این طبقه می‌تواند علائمی شبیه خرابی IGBT بسازد؛ باید جداگانه بررسی شود |
| باس DC | خازن | ولتاژ DC را صاف و ذخیره می‌کند | انرژی ذخیره شده پس از قطع برق هم خطرناک است؛ تخلیه پیش از هر کاری الزامی است |
| طبقهٔ اینورتر | شش IGBT در سه جفت مکمل | ولتاژ DC را با الگوی پالس به موتور می‌دهد | همان چیزی که «IGBT اینورتر» نامیده می‌شود |
| مدار ترمز (اختیاری) | یک IGBT اضافه + مقاومت ترمز | انرژی بازگشتی موتور را تخلیه می‌کند | در کاتالوگ سازنده، پیکربندی شامل آن 7-in-1 نامیده می‌شود |
طبقهٔ یکسوساز: چرا با دیود ساخته می‌شود؟
چون در این طبقه نیازی به کنترل نیست؛ فقط تبدیل جهت جریان لازم است. یکسوساز ورودی برق شبکه را به DC تبدیل می‌کند و دیود این کار را بدون هیچ مدار فرمانی انجام می‌دهد.
نتیجهٔ عملی در تعمیر: اگر در تست، بخش ورودی اتصال کوتاه نشان می‌دهد، مشکل در دیودهاست نه در IGBT و برعکس. در ماژول‌های یکپارچهٔ PIM هر دو بخش در یک بسته‌اند و همین تشخیص را سخت‌تر می‌کند.
باس DC: مخزنی که همیشه پر است
باس DC ولتاژ یکسو شده را صاف می‌کند و به‌عنوان منبع ثابت برای طبقهٔ بعد نگه می‌دارد. طبق توضیح کِب، یک درایو با ورودی ۴۸۰ ولت متناوب، باس DC حدود ۶۷۸ ولت خواهد داشت. برای شبکه‌های با ولتاژ متفاوت این عدد فرق می‌کند و باید از دفترچهٔ همان درایو خوانده شود.
این ولتاژ همان دامنه‌ای است که IGBT هر بار سوییچ می‌کند و همان چیزی که در بخش عوارض سوییچینگ سریع دوباره به آن برمی‌گردیم.
طبقهٔ اینورتر: شش سوییچ که خروجی را می‌سازند
طبقهٔ اینورتر شش IGBT دارد که در جفت‌های مکمل بالا و پایین چیده شده‌اند و هر جفت یک فاز خروجی را می‌سازد. با روشن‌کردن ترکیب‌های مشخصی از این سوییچ‌ها، جریان بین فازهای موتور مسیردهی می‌شود؛ ترکیب بعدی جهت جریان را برعکس می‌کند و همین تناوب، حرکت موتور را می‌سازد.
کنار هر IGBT یک دیود هرزگرد قرار دارد. دلیلش ماهیت سلفی موتور است: جریان سیم‌پیچ در لحظهٔ خاموش شدن کلید نمی‌تواند ناگهان صفر شود و باید مسیری برای ادامهٔ عبور داشته باشد.
مدار ترمز: طبقهٔ چهارم اختیاری
وقتی موتور کند می‌شود، به ژنراتور تبدیل می‌شود و انرژی به باس DC برمی‌گردد. اگر این انرژی تخلیه نشود، ولتاژ باس بالا می‌رود. مدار ترمز با یک IGBT اضافه، این انرژی را به مقاومت ترمز هدایت می‌کند.
کاربرد IGBT در اینورتر: PWM چطور از پالس، جریان سینوسی می‌سازد؟
خروجی درایو ولتاژ سینوسی نیست؛ رشته‌ای از پالس‌های مستطیلی با پهنای متغیر است. آنچه سینوسی می‌شود جریان موتور است، نه ولتاژ آن.
مکانیزم ساده است: با کنترل مدت زمان روشن و خاموش بودن هر پالس، ولتاژ مؤثر روی فازهای موتور کنترل می‌شود. پالس با زمان روشن بیشتر، ولتاژ مؤثر بالاتری می‌دهد و پالس با زمان روشن کمتر، ولتاژ پایین‌تر. سلف بودن سیم‌پیچ موتور، این رشته پالس را به جریانی نرم و تقریباً سینوسی تبدیل می‌کند.
فرکانس حامل چیست و چرا نباید حداکثرش کرد؟
فرکانس حامل یا فرکانس سوییچینگ، نرخ روشن و خاموش شدن این ترانزیستورهاست. فوجی الکتریک محدودهٔ رایج آن را «از چند کیلوهرتز تا چند ده کیلوهرتز» توصیف می‌کند و کِب عدد رایج را ۴ تا ۱۶ کیلوهرتز می‌آورد.
وسوسه‌ای وجود دارد که این عدد را بالا ببرید، چون صدای موتور کمتر می‌شود و شکل موج جریان بهتر. اما هزینه دارد.
| اثر | وقتی فرکانس حامل را بالا می‌برید | وقتی پایین می‌آورید |
|---|---|---|
| صدای موتور | صدای شنیدنی کمتر می‌شود؛ نوفه به فرکانس‌های بالاتر منتقل می‌شود | صدای شنیدنی بیشتر می‌شود |
| کیفیت موج جریان | محتوای هارمونیکی جریان کاهش می‌یابد | ریپل گشتاور و لرزش موتور بیشتر می‌شود |
| گرمای درایو | تعداد رویدادهای سوییچینگ در ثانیه بیشتر می‌شود، پس تلفات و گرما بالا می‌رود | تلفات سوییچینگ کمتر می‌شود |
| ظرفیت درایو | ممکن است دیریتینگ جریان خروجی یا انتخاب درایو با ظرفیت بالاتر لازم شود | فشار کمتری بر ظرفیت درایو |
| تنش روی موتور | تنش الکتریکی تجمعی و فعالیت مود مشترک روی سیستم موتور می‌تواند افزایش یابد | تنش کمتر |
معیار تصمیم را فوجی صریح می‌گوید: «بهترین تنظیم، بالاترین مقدار موجود یا ساکت‌ترین مقدار نیست. کمترین فرکانس حاملی است که عملکرد قابل قبول موتور را ارائه دهد.»
همان منبع به نکتهٔ مهم دیگری اشاره می‌کند: طول کابل موتور در این تصمیم دخیل است. فرکانس حاملی که با کابل کوتاه خوب کار می‌کند، ممکن است برای همان موتور در فاصلهٔ صدها فوت مناسب نباشد.
کاربرد IGBT در درایو: از کنترل سرعت تا کنترل گشتاور
سرعت موتور القایی به فرکانس تغذیه‌اش وابسته است؛ پس کنترل فرکانس یعنی کنترل سرعت. کاری که IGBT در درایو انجام می‌دهد دقیقاً همین است: امکان ساختن فرکانس دلخواه از یک منبع DC ثابت.
اما فقط تغییر فرکانس کافی نیست. اگر فرکانس کم شود و ولتاژ ثابت بماند، سیم‌پیچ موتور اشباع می‌شود. به همین دلیل درایوها ولتاژ را متناسب با فرکانس تغییر می‌دهند همان چیزی که کنترل V بر f نامیده می‌شود. هر دو کمیت، ولتاژ و فرکانس، با همان الگوی پالس ساخته می‌شوند.
نقش درایور گیت در این زنجیره حیاتی است: سیگنال کنترلی ضعیف را به سیگنالی تبدیل می‌کند که بتواند گیت IGBT را با سرعت لازم شارژ و دشارژ کند. جزئیات این مدار در درایور گیت IGBT بررسی شده است.
عوارض سوییچینگ سریع: چیزی که کمتر گفته می‌شود
سرعت بالای سوییچینگ IGBT که مزیت شمرده می‌شود، روی موتور و کابل تنش می‌سازد. این بخش را معمولاً در فهرست «مزایای IGBT» نمی‌بینید، اما در نصب و نگهداری واقعی اهمیت دارد.
موج بازتابی: چرا ولتاژ ترمینال موتور بالاتر از باس DC می‌شود؟
طبق مقالهٔ فنی راکول اتومیشن دربارهٔ ملاحظات نصب درایوهای IGBT، زمان صعود خروجی این درایوها حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۴ میکروثانیه است، در حالی که در درایوهای نسل قبل با ترانزیستور دوقطبی، این عدد ۰٫۵ تا ۲ میکروثانیه بود.
این سرعت باعث می‌شود کابل موتور مانند یک خط انتقال رفتار کند. همان مقاله می‌گوید: «دامنهٔ پالس ورودی و موج بازتابی جمع می‌شوند، به‌طوری که در تئوری تا دو برابر ولتاژ باس می‌تواند روی ترمینال‌های خط به خط موتور وجود داشته باشد.»
مثال عددی همان منبع: در یک سیستم ۴۸۰ ولت با باس ۶۵۰ ولت DC، کابل ۱۰۰ فوتی و زمان صعود ۰٫۱ میکروثانیه می‌تواند حدود ۱۳۰۰ ولت پیک روی ترمینال موتور بسازد. برای مقایسه، همان شرایط با درایو نسل قبل و زمان صعود ۲ میکروثانیه، ۷۸۰ ولت پیک می‌داد.
به همین دلیل استاندارد موتور هم عوض شد: موتورهای مطابق NEMA MG1 Part 31 باید ۱۶۰۰ ولت پیک در زمان صعود ۰٫۱ میکروثانیه را تحمل کنند، در حالی که موتورهای Part 30 برای ۱۰۰۰ ولت پیک در زمان صعود ۲ میکروثانیه طراحی شده بودند.
جریان یاتاقان و نویز مود مشترک
پیامد دوم، ولتاژی است که روی شفت موتور ظاهر می‌شود. طبق همان مقاله، اینورترهای PWM بین سیم‌پیچ استاتور و روتور کوپلاژ الکترواستاتیک ایجاد می‌کنند و ولتاژ حاصل، لایهٔ روغن یاتاقان را شارژ می‌کند. وقتی این ولتاژ از حدود ۱۰ ولت بیشتر شود، لایهٔ روغن می‌شکند و جریان تخلیه، سطح یاتاقان را حفره‌دار می‌کند.
پیامد سوم، نویز مود مشترک است. همان منبع جریان پیک مود مشترک درایوهای IGBT را تا ۲۰ آمپر ذکر می‌کند و توضیح می‌دهد که فرکانس معادل نویز با زمان صعود نسبت عکس دارد، یعنی هرچه سوییچینگ سریع‌تر، نویز راحت‌تر تشعشع می‌کند.
راهکارهای کاهش
راهکارها در همان مقاله فهرست شده‌اند و همگی خارج از خود ماژول IGBT اند:
| عارضه | راهکار ذکرشده در منبع | یادداشت |
|---|---|---|
| اضافه‌ولتاژ ترمینال موتور | محدود کردن طول کابل، راکتور در خروجی درایو، شبکهٔ ترمینیشن نزدیک موتور | اعداد دقیق فاصله در مقالهٔ مرجع آمده و به زمان صعود و رده ولتاژ موتور وابسته است |
| نویز مود مشترک | چوک مود مشترک | طبق منبع، جریان پیک را از ۲۰ آمپر به کمتر از ۵ آمپر می‌رساند |
| آلودگی شبکهٔ زمین | کابل قدرت شیلددار یا زرهی | جریان نویز فرکانس‌بالا داخل کابل محصور می‌ماند |
| انتشار هدایتی | فیلتر EMI ورودی همراه با کابل شیلددار | — |
| جریان یاتاقان | موتور با شیلد الکترواستاتیک | طبق منبع، ولتاژ شفت را از ۳۰ ولت پیک به ۲٫۲ ولت پیک کاهش می‌دهد |
معیار انتخاب ماژول IGBT برای اینورتر
مبنای انتخاب دیتاشیت است، نه شباهت ظاهری بسته. شش معیار زیر ترتیب دارند.
| گام | معیار | چه چیزی را چک کنید | خطای رایج |
|---|---|---|---|
| ۱ | رده ولتاژ نسبت به ولتاژ باس DC | ولتاژ نامی قطعه با حاشیه نسبت به ولتاژ باس و اسپایک خاموشی | انتخاب بدون حاشیه؛ اسپایک بازتابی و خاموشی در محاسبه نمی‌آید |
| ۲ | رده جریان | جریان نامی همراه با دمای مرجع ذکرشده در دیتاشیت | مقایسهٔ دو قطعه در دو دمای مرجع متفاوت |
| ۳ | تناسب با فرکانس حامل | تلفات سوییچینگ در فرکانس کاری واقعی درایو | انتخاب قطعهٔ کم‌افت برای فرکانس بالا بدون بررسی تلفات سوییچینگ |
| ۴ | پیکربندی | تکی، دوبل، شش‌پک، هفت‌پک یا یکپارچهٔ PIM | سفارش پیکربندی متفاوت با آنچه روی برد نصب است |
| ۵ | دیود هرزگرد و سنسور دما | شماتیک داخلی قطعه وجود دیود و وجود NTC | فرض وجود دیود داخلی؛ حذف NTC در مداری که به آن متکی است |
| ۶ | سازگاری مکانیکی و درایو گیت | نقشهٔ ابعادی، فاصلهٔ ترمینال‌ها، ولتاژ گیت و بار گیت | تطبیق ظاهری بدون بررسی بار گیت درایور موجود |
پنج اشتباه رایج دربارهٔ IGBT در اینورتر
- فرض اینکه «IGBT اینورتر» یک محصول مشخص است. این عبارت جایگاه قطعه را توصیف می‌کند، نه مدل آن. مبنای سفارش پارت‌نامبر است.
- بالا بردن فرکانس حامل برای کم‌کردن صدای موتور. طبق فوجی، این کار تلفات و گرما را زیاد می‌کند و ممکن است دیریتینگ لازم شود.
- قضاوت دربارهٔ IGBT پیش از بررسی طبقهٔ یکسوساز. خرابی دیودهای ورودی می‌تواند علائمی شبیه خرابی IGBT بسازد.
- نادیده گرفتن طول کابل موتور. طبق مقالهٔ راکول، طول کابل مستقیماً در اضافه‌ولتاژ ترمینال موتور دخیل است.
- تعویض ماژول بدون یافتن علت سوختن. اگر علت ریشه‌ای رفع نشود، قطعهٔ نو هم می‌سوزد. علل رایج در علت سوختن IGBT بررسی شده است.
جمع‌بندی
IGBT اینورتر، نام جایگاه است نه نام محصول: ماژول یا ترانزیستوری که در طبقهٔ سوم یک درایو کار می‌کند. وظیفه‌اش کلیدزنی پرسرعت روی ولتاژ باس DC است تا در خروجی، ولتاژ و فرکانس متغیر ساخته شود؛ تصمیم‌گیری دربارهٔ الگو با کنترلر است.
اما معیار تصمیم شما باید دو چیز باشد. اول: مبنای سفارش پارت‌نامبر و دیتاشیت است، نه عبارت «IGBT اینورتر» و نه شباهت ظاهری بسته. دوم: سرعت سوییچینگ فقط مزیت نیست طول کابل، رده ولتاژ موتور و تنظیم فرکانس حامل، سه متغیری هستند که سلامت کل سیستم به هماهنگی‌شان بستگی دارد.
سوالات متداول
IGBT اینورتر چیست؟
IGBT اینورتر قطعهٔ جداگانه‌ای نیست؛ همان ماژول یا ترانزیستور IGBT است که در طبقهٔ خروجی یک اینورتر یا درایو کار می‌کند. وظیفه‌اش سوییچ‌کردن ولتاژ ثابت باس DC با الگویی است که در خروجی، ولتاژ و فرکانس متغیر می‌سازد.
وظیفه IGBT در درایو چیست؟
وظیفه‌اش کلیدزنی است، نه کنترل. IGBT با فرمانی که از کنترلر و درایور گیت می‌گیرد، ولتاژ باس DC را به‌سرعت وصل و قطع می‌کند. تصمیم دربارهٔ الگوی این کلیدزنی با کنترلر است؛ IGBT فقط آن را اجرا می‌کند.
در یک درایو چند IGBT وجود دارد؟
طبقهٔ اینورتر یک درایو سه‌فاز معمولاً شش IGBT دارد که در سه جفت مکمل چیده شده‌اند، هر جفت یک فاز خروجی را می‌سازد. اگر مدار ترمز هم داشته باشد، یک IGBT اضافه می‌شود؛ در کاتالوگ سازنده این پیکربندی 7-in-1 نامیده می‌شود.
مدار اینورتر با IGBT چطور کار می‌کند؟
در سه طبقه. طبقهٔ اول با دیود، برق ورودی را یکسو می‌کند. طبقهٔ دوم یعنی باس DC با خازن، ولتاژ را صاف و ذخیره می‌کند. طبقهٔ سوم با شش IGBT، همان ولتاژ DC را با الگوی پالس به موتور می‌دهد و سلف بودن موتور، جریان را سینوسی می‌کند.
فرکانس حامل را روی چه عددی بگذارم؟
فوجی الکتریک معیار را صریح می‌گوید: بهترین تنظیم بالاترین مقدار یا ساکت‌ترین مقدار نیست، بلکه کمترین فرکانس حاملی است که عملکرد قابل‌قبول موتور را می‌دهد. بالا بردن آن تلفات سوییچینگ و گرمای درایو را زیاد می‌کند و ممکن است دیریتینگ لازم شود.
چرا موتوری که با درایو کار می‌کند بیشتر تحت فشار است؟
به‌دلیل سرعت بالای سوییچینگ. طبق مقالهٔ فنی راکول، زمان صعود خروجی درایوهای IGBT حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۴ میکروثانیه است و همین باعث می‌شود موج بازتابی روی کابل، ولتاژ ترمینال موتور را تا نزدیک دو برابر ولتاژ باس برساند.
کابل بلند بین درایو و موتور چه مشکلی می‌سازد؟
هرچه کابل بلندتر باشد، اثر موج بازتابی بیشتر می‌شود. در مثال همان مقاله، یک سیستم ۴۸۰ ولت با کابل ۱۰۰ فوت و زمان صعود ۰٫۱ میکروثانیه می‌تواند حدود ۱۳۰۰ ولت پیک روی ترمینال موتور بسازد. راکتور خروجی و شبکهٔ ترمینیشن از راهکارهای ذکرشده‌اند.
برای انتخاب ماژول IGBT اینورتر چه چیزی را باید چک کنم؟
رده ولتاژ نسبت به ولتاژ باس با حاشیه، رده جریان با توجه به دمای مرجع، تناسب با فرکانس حامل تنظیم‌شده، پیکربندی مورد نیاز، وجود دیود هرزگرد و سنسور دما، و سازگاری مکانیکی و درایو گیت. مرجع همهٔ این‌ها دیتاشیت همان پارت‌نامبر است.
Infineon
Fuji Electric
Semikron
Mitsubishi Electric
Vincotech
Toshiba
Fairchild Semiconductor
Sanken Electric
IXYS
Sanyo
Starpower
LS Electric
