الانفرتر أو VFD هو اختصار لـ Variable Frequency Drive، أي درايف أو جهاز تحكم بالتردد المتغير. ويُسمّى أيضاً:

• مغير السرعة.
• درايف المحرك.
• Inverter Drive.
• AC Drive.

وظيفته الأساسية هي التحكم بسرعة وعزم محركات التيار المتناوب، وخصوصاً المحركات الحثية ثلاثية الطور، من خلال تغيير تردد الجهد وقيمته المغذية للمحرك.

فبدلاً من توصيل المحرك مباشرة بالشبكة، حيث يعمل غالباً بسرعة شبه ثابتة، يتم توصيله عبر الـVFD للحصول على سرعة قابلة للضبط وتسارع وتباطؤ متحكم بهما.

أولاً: العلاقة بين التردد وسرعة المحرك

تعتمد سرعة المجال المغناطيسي الدوار في المحرك على تردد التغذية وعدد أقطاب المحرك، وفق العلاقة:$$N_s=\frac{120f}{P}$$

حيث:

• $N_s$: السرعة التزامنية بوحدة دورة/دقيقة.
• $f$: تردد التغذية بالهرتز.
• $P$: عدد أقطاب المحرك.

مثلاً، لمحرك رباعي الأقطاب يعمل على تردد 50 هرتز:$$N_s=\frac{120 \times 50}{4}=1500 \text{ دورة/دقيقة}$$

لكن سرعة المحرك الفعلية تكون أقل قليلاً، مثلاً 1450 دورة/دقيقة، بسبب ظاهرة تسمى الانزلاق Slip.

إذا خفّضنا التردد إلى 25 هرتز، تصبح السرعة التزامنية تقريباً:$$N_s=\frac{120 \times 25}{4}=750 \text{ دورة/دقيقة}$$

وبذلك تنخفض سرعة المحرك تقريباً إلى نصف سرعتها الأصلية.

إذن، المبدأ الأساسي هو:

تغيير التردد يؤدي إلى تغيير سرعة المجال المغناطيسي، وبالتالي تغيير سرعة دوران المحرك.

كيف يعمل VFD؟

يتكون الـVFD عادة من ثلاث مراحل رئيسية:

1. مرحلة التقويم Rectifier

يصل إلى الانفرتر جهد متناوب، أحادي الطور أو ثلاثي الطور، حسب نوع الجهاز.

تقوم دائرة التقويم بتحويل الجهد المتناوب AC إلى جهد مستمر DC باستخدام:

• دايودات تقويم.
• أو ثايرستورات في بعض التطبيقات.
• أو وحدات تقويم متقدمة ذات معامل قدرة مرتفع.

فإذا كان دخل الجهاز ثلاثي الطور، يتم تقويم الأطوار الثلاثة للحصول على جهد مستمر نابض.

2. دائرة الربط المستمر DC Link

بعد التقويم، يمر الجهد إلى دائرة تسمى DC Bus أو DC Link.

تتكون عادة من:

• مكثفات كبيرة لتنعيم الجهد.
• مفاعلات أو ملفات لتقليل التموج والتيار الاندفاعي.
• مقاومات شحن أولي.
• دوائر حماية من زيادة الجهد.
• مقاومة فرملة عند الحاجة.

تقوم المكثفات بتخزين الطاقة وتثبيت جهد الناقل المستمر، بحيث يصبح مناسباً لمرحلة التبديل الإلكترونية.

3. مرحلة العاكس Inverter

في هذه المرحلة يتم تحويل الجهد المستمر مرة أخرى إلى جهد متناوب، ولكن بجهد وتردد قابلين للتحكم.

تستخدم هذه المرحلة مفاتيح إلكترونية سريعة مثل:

• IGBT.
• MOSFET في القدرات الصغيرة.
• SiC أو GaN في بعض التطبيقات الحديثة.

تعمل المفاتيح وفق نمط تبديل سريع يسمى:

PWM – Pulse Width Modulation

أي تعديل عرض النبضة.

لا يخرج الانفرتر موجة جيبية مثالية مباشرة في أغلب الحالات، بل يولّد نبضات جهد سريعة بعروض مختلفة. ويؤدي متوسط هذه النبضات إلى تكوين جهد قريب من الموجة الجيبية المطلوبة للمحرك.

ويتحكم الجهاز في:

• تردد النبضات الأساسي.
• عرض النبضات.
• قيمة الجهد الفعالة.
• ترتيب الأطوار.
• اتجاه الدوران.

كيف يتحكم VFD بسرعة المحرك؟

1. تغيير التردد

التردد هو العامل الأساسي في التحكم بسرعة المحرك.

عند تشغيل المحرك على 50 هرتز يعمل قرب سرعته الاسمية. وعند تخفيض التردد إلى 40 أو 30 أو 20 هرتز، تنخفض سرعة المحرك تبعاً لذلك.

مثال لمحرك رباعي الأقطاب:

التردد	السرعة التزامنية التقريبية
50 Hz	1500 دورة/دقيقة
40 Hz	1200 دورة/دقيقة
30 Hz	900 دورة/دقيقة
20 Hz	600 دورة/دقيقة
10 Hz	300 دورة/دقيقة

السرعة الفعلية تكون أقل قليلاً من هذه القيم بسبب الانزلاق والحمل.

2. تغيير الجهد مع التردد

لا يكفي تغيير التردد وحده. يجب تغيير الجهد أيضاً بطريقة مناسبة.

إذا خُفّض التردد مع إبقاء الجهد ثابتاً، فقد يرتفع الفيض المغناطيسي داخل المحرك، مما يؤدي إلى:

• تشبع القلب الحديدي.
• زيادة التيار.
• ارتفاع درجة الحرارة.
• احتمال تلف ملفات المحرك.

لذلك يحافظ الـVFD غالباً على نسبة ثابتة تقريباً بين الجهد والتردد:$$\frac{V}{f}=\text{ثابت تقريباً}$$

وتسمى هذه الطريقة:

التحكم بنسبة V/f

مثلاً، إذا كان المحرك مصمماً للعمل عند:

• 400 فولت.
• 50 هرتز.

فإن تشغيله عند 25 هرتز يكون غالباً بجهد يقارب 200 فولت، مع مراعاة منحنى المحرك وإعدادات الانفرتر.

وبذلك يحافظ الجهاز على الفيض المغناطيسي ضمن الحدود الصحيحة ويؤمن عزم تشغيل مناسب.

مناطق تشغيل المحرك مع VFD

المنطقة الأولى: قبل السرعة الاسمية

من الصفر حتى التردد الاسمي، يرفع الانفرتر الجهد والتردد معاً تقريباً.

في هذه المنطقة:

• تزداد السرعة مع التردد.
• يبقى الفيض المغناطيسي قريباً من قيمته الاسمية.
• يمكن الحصول على عزم ثابت تقريباً.
• يكون المحرك مناسباً للسيور والناقلات والآلات التي تحتاج إلى عزم مستقر.

المنطقة الثانية: بعد السرعة الاسمية

بعد الوصول إلى التردد الاسمي، لا يمكن عادة زيادة الجهد أكثر من الجهد الاسمي للمحرك.

إذا زاد التردد بعد ذلك، يبقى الجهد ثابتاً تقريباً، وتنخفض نسبة $V/f$. وتسمى هذه المنطقة:

منطقة القدرة الثابتة أو إضعاف المجال

فيها:

• يمكن زيادة السرعة.
• ينخفض العزم المتاح تدريجياً.
• يجب التأكد من أن المحرك والآلة يسمحان بالسرعة العالية.
• قد تحدث مشكلات ميكانيكية بسبب الاهتزاز أو زيادة سرعة المراوح أو الأحمال الدوارة.

لذلك لا يجوز تجاوز السرعة الاسمية عشوائياً.

طرق التحكم في VFD

1. التحكم V/f

وهو أبسط أساليب التحكم وأكثرها استخداماً.

يحدد الانفرتر الجهد والتردد وفق منحنى محدد مسبقاً.

مناسب عادةً لـ:

• المراوح.
• المضخات.
• السيور الناقلة البسيطة.
• التطبيقات التي لا تحتاج إلى دقة عالية في السرعة.

مميزاته:

• سهل الإعداد.
• منخفض التكلفة.
• مناسب لكثير من التطبيقات الصناعية.

لكن دقته في التحكم بالعزم والسرعة أقل من أنظمة التحكم المتقدمة.

2. التحكم المتجهي Vector Control

يقوم الانفرتر بتحليل التيار إلى مركبتين:

• مركبة مسؤولة عن الفيض المغناطيسي.
• مركبة مسؤولة عن إنتاج العزم.

وبذلك يمكن التحكم بالعزم والسرعة بصورة أكثر دقة.

يستخدم في:

• الرافعات.
• المصاعد.
• آلات التشغيل.
• السيور ذات الأحمال المتغيرة.
• التطبيقات التي تحتاج إلى عزم مرتفع عند السرعات المنخفضة.

وقد يعمل النظام:

• مع حساس سرعة Encoder.
• أو من دون حساس Sensorless Vector Control.

3. التحكم المباشر بالعزم DTC

في بعض الدرايفات المتقدمة، يتم التحكم بالعزم والفيض مباشرة بدلاً من الاعتماد على منحنى $V/f$ التقليدي.

يتميز هذا الأسلوب بسرعة الاستجابة ودقة التحكم، لكنه يحتاج إلى إعدادات ونمذجة أكثر تعقيداً.

كيف يبدأ VFD تشغيل المحرك؟

عند التشغيل المباشر، قد يسحب المحرك تيار بدء كبيراً، يمكن أن يصل إلى عدة أضعاف التيار الاسمي.

أما عند استخدام VFD، فيبدأ الجهاز عادةً بتردد وجهد منخفضين، ثم يرفعهما تدريجياً وفق زمن التسارع المحدد.

مثلاً:

1. يبدأ المحرك من تردد قريب من الصفر.
2. يرتفع التردد تدريجياً.
3. يرتفع الجهد بالتناسب مع التردد.
4. يصل المحرك إلى السرعة المطلوبة خلال الزمن المحدد.

وهذا يؤدي إلى:

• تقليل تيار البدء.
• تقليل هبوط الجهد في الشبكة.
• تقليل الصدمة على المحاور والسيور.
• حماية المضخات من المطرقة المائية.
• تحسين عمر المعدات الميكانيكية.

كيف يتم عكس اتجاه دوران المحرك؟

يتم عكس اتجاه المحرك عادةً بتغيير ترتيب طورين من أطوار الخرج.

لكن في الـVFD لا يتم ذلك بتبديل الأسلاك يدوياً أثناء التشغيل، بل يغير الجهاز تسلسل الأطوار إلكترونياً.

عند إعطاء أمر عكس الدوران، يقوم الدرايف غالباً بـ:

1. تخفيض السرعة وفق زمن التباطؤ.
2. إيقاف المحرك أو الوصول إلى سرعة منخفضة.
3. إنشاء مجال مغناطيسي بالاتجاه المعاكس.
4. تسريع المحرك في الاتجاه الجديد.

يجب التأكد من أن الآلة الميكانيكية تسمح بالعكس، لأن بعض المضخات والمراوح والضواغط قد تتضرر إذا عكست اتجاهها.

التحكم بسرعة المحرك من الخارج

يمكن التحكم في سرعة VFD بطرق متعددة، منها:

• لوحة المفاتيح المدمجة.
• مقاومة متغيرة Potentiometer.
• إشارة تناظرية 0–10 V.
• إشارة 4–20 mA.
• مداخل رقمية.
• PLC.
• Modbus أو Profibus أو Ethernet صناعي.
• حساس ضغط أو تدفق أو حرارة.

مثلاً، يمكن ربط حساس ضغط مع الـVFD بحيث:

• إذا انخفض الضغط، تزيد سرعة المضخة.
• إذا ارتفع الضغط، تنخفض السرعة.
• يحافظ النظام تلقائياً على ضغط ثابت.

وهذا يسمى غالباً التحكم PID.

لماذا يوفر VFD الطاقة؟

يظهر توفير الطاقة بوضوح في الأحمال ذات العزم المتغير، مثل:

• المراوح.
• مضخات الطرد المركزي.
• أنظمة التهوية والتكييف.

في هذه التطبيقات، ترتبط قدرة المروحة أو المضخة تقريباً بمكعب السرعة:$$P \propto N^3$$

أي أن خفض السرعة إلى 80% قد يخفض القدرة المطلوبة تقريباً إلى:$$0.8^3=0.512$$

أي نحو 51% من القدرة النظرية، مع اختلاف النتيجة الفعلية حسب الكفاءة والحمل والنظام.

وهذا أفضل بكثير من تشغيل المحرك دائماً بأقصى سرعة ثم استخدام صمام أو بوابة لخنق التدفق.

لكن التوفير ليس متساوياً في جميع الأحمال. فالأحمال ذات العزم الثابت، مثل الرافعات والضواغط وبعض السيور، قد يكون توفيرها أقل، كما أن العزم المطلوب عند السرعات المنخفضة يجب أن يكون متاحاً.

أنواع الأحمال وتأثيرها على اختيار VFD

أحمال العزم المتغير

مثل:

• المراوح.
• مضخات الطرد المركزي.

تحتاج غالباً إلى تيار أقل عند السرعات المنخفضة، ويكون VFD اقتصادياً جداً معها.

أحمال العزم الثابت

مثل:

• السيور الناقلة.
• الخلاطات.
• آلات التشغيل.
• بعض الضواغط.

تحتاج إلى عزم مستقر ضمن مجال السرعة، ولذلك يجب اختيار VFD من فئة Constant Torque إذا أوصت الشركة المصنعة بذلك.

أحمال العزم العالي

مثل:

• الكسارات.
• الرافعات.
• المصاعد.
• آلات البثق.
• بعض آلات الرفع.

تحتاج إلى قدرة زائدة مؤقتة وعزم بدء مرتفع، وقد تتطلب:

• VFD مخصصاً للأحمال الثقيلة.
• مقاومة فرملة.
• وحدة فرملة.
• حساس سرعة.
• محركاً مناسباً للعمل مع الدرايف.

الفرملة والتباطؤ

عند تخفيض سرعة المحرك، قد يتحول المحرك إلى مولد ويعيد الطاقة إلى ناقل التيار المستمر داخل الـVFD، مما يؤدي إلى ارتفاع جهد الـDC Bus.

لذلك يمكن استخدام:

• زمن تباطؤ أطول.
• مقاومة فرملة Braking Resistor.
• وحدة فرملة.
• نظام استرجاع طاقة Regenerative Drive.
• فرملة ميكانيكية عند الحاجة.

تستخدم مقاومة الفرملة لتبديد الطاقة على شكل حرارة. ويجب اختيارها حسب:

• قدرة المحرك.
• عدد مرات التوقف.
• زمن التباطؤ.
• القصور الذاتي للحمل.
• دورة التشغيل.

هل يحمي VFD المحرك؟

يحتوي كثير من أجهزة VFD على وظائف حماية، مثل:

• زيادة التيار.
• انخفاض الجهد.
• زيادة الجهد.
• فقدان أحد الأطوار.
• ارتفاع درجة الحرارة.
• زيادة الحمل.
• توقف المحرك.
• خطأ التأريض.
• زيادة سرعة المحرك.
• فقدان إشارة التحكم.

لكن هذه الحمايات لا تعني أن الـVFD يغني عن جميع وسائل الحماية الخارجية.

يجب دراسة واختيار:

• القاطع الرئيسي.
• المصهرات.
• مفتاح الفصل.
• الكابلات.
• التأريض.
• الحماية من قصر الدائرة.
• حماية المحرك الحرارية.
• التهوية.
• الحماية من زيادة الجهد.
• الفلاتر عند الحاجة.

أهم احتياطات تركيب VFD

1. التأريض

يجب تأريض:

• جسم الانفرتر.
• جسم المحرك.
• لوحة التحكم.
• درع كابل المحرك عند استخدام كابل محمي.

التأريض غير الصحيح قد يؤدي إلى:

• تشويش كهربائي.
• أعطال عشوائية.
• صدمات كهربائية.
• تلف دوائر التحكم.
• ارتفاع تيارات التسرب.

2. كابل المحرك

ينبغي استخدام كابل مناسب للـVFD، خصوصاً عند:

• طول الكابل الكبير.
• وجود حساسات أو أجهزة اتصالات قريبة.
• القدرة العالية.
• وجود متطلبات EMC.

قد تحتاج المنظومة إلى:

• مرشح EMC.
• مفاعل خرج.
• مرشح $dv/dt$.
• مرشح جيبي Sine Filter.

3. طول الكابل

كلما زاد طول الكابل بين الانفرتر والمحرك، زادت احتمالات:

• انعكاسات الجهد.
• ارتفاع $dv/dt$.
• زيادة تيارات المحامل.
• تلف عزل المحرك.

لذلك يجب الالتزام بحدود الشركة المصنعة.

4. التهوية

ينتج VFD حرارة أثناء التشغيل، لذلك يجب ترك مسافات تهوية مناسبة وتنظيف فتحات التبريد وعدم وضعه في مكان شديد الحرارة أو الرطوبة.

5. عدم وضع مكثفات تحسين معامل القدرة على خرج VFD

لا يجوز عادةً تركيب مكثفات تحسين معامل القدرة بين الانفرتر والمحرك، لأنها قد تتفاعل مع موجات التبديل وتتسبب في تلف الدرايف أو المكثفات.

إعدادات مهمة في VFD

قبل التشغيل يجب إدخال بيانات لوحة المحرك، مثل:

• الجهد المقنن.
• التيار المقنن.
• التردد المقنن.
• السرعة الاسمية.
• القدرة.
• معامل القدرة.
• عدد الأقطاب عند الحاجة.
• زمن التسارع.
• زمن التباطؤ.
• الحد الأدنى والأقصى للتردد.
• نمط التحكم.
• اتجاه الدوران.
• مصدر أمر التشغيل.
• مصدر مرجع السرعة.

ومن أهم الأخطاء إدخال قدرة المحرك فقط وإهمال التيار والجهد والتردد والسرعة.

مثال عملي

إذا كان لدينا محرك:

• قدرة: 11 kW.
• جهد: 400 V.
• تردد: 50 Hz.
• أربع أقطاب.
• سرعة اسمية: 1470 دورة/دقيقة.

فعند تشغيله على 50 Hz تكون سرعته قريبة من 1470 دورة/دقيقة.

وعند تشغيله على 40 Hz، قد تصبح السرعة تقريباً:$$1470 \times \frac{40}{50} \approx 1176 \text{ دورة/دقيقة}$$

مع اختلاف بسيط بسبب الانزلاق والحمل.

أما عند تشغيله على 25 Hz، فتكون السرعة قريبة من نصف السرعة الاسمية، بشرط أن يسمح الحمل والتبريد بذلك.

مشكلات محتملة عند تشغيل المحرك بواسطة VFD

قد تظهر بعض المشكلات، منها:

• صوت صفير بسبب تردد التبديل.
• ارتفاع حرارة المحرك عند السرعة المنخفضة.
• تيارات في محامل المحرك.
• تشويش على أجهزة التحكم.
• أعطال بسبب طول كابل المحرك.
• اهتزاز عند ترددات رنين معينة.
• ضعف العزم بسبب إعدادات غير صحيحة.
• زيادة الجهد أثناء التباطؤ السريع.
• تلف العزل إذا كان المحرك غير مناسب للعمل مع PWM.

في السرعات المنخفضة، تقل سرعة مروحة التبريد المثبتة على عمود المحرك، لذلك قد يحتاج المحرك إلى تبريد مستقل إذا كان سيعمل زمناً طويلاً بعزم مرتفع وسرعة منخفضة.

الفرق بين التشغيل المباشر وVFD

العنصر	التشغيل المباشر DOL	التشغيل بواسطة VFD
السرعة	شبه ثابتة	قابلة للتعديل
تيار البدء	مرتفع	أقل عادةً
التحكم بالتسارع	محدود	قابل للضبط
التحكم بالتباطؤ	محدود	قابل للضبط
عكس الدوران	يحتاج دائرة تلامسات	إلكتروني
توفير الطاقة	محدود	كبير في المراوح والمضخات
التكلفة الأولية	منخفضة	أعلى
الحماية والتحكم	محدودان	متقدمان
متطلبات التركيب	أبسط	يحتاج إلى عناية أكبر

الـVFD هو جهاز إلكتروني يغير الجهد والتردد المغذيين للمحرك، وبذلك يتحكم بسرعة المحرك وعزمه واتجاهه. ويعتمد التحكم الأساسي على العلاقة بين سرعة المحرك وتردد التغذية:$$N_s=\frac{120f}{P}$$

يبدأ الجهاز بتحويل التيار المتناوب إلى مستمر، ثم يعيد تحويله إلى تيار متناوب ذي تردد وجهد متغيرين باستخدام مفاتيح إلكترونية سريعة وتقنية PWM.

ويحقق VFD فوائد مهمة، منها:

• التحكم الدقيق بالسرعة.
• تقليل تيار البدء.
• تقليل الصدمات الميكانيكية.
• تحسين الإنتاجية.
• توفير الطاقة، خصوصاً في المراوح والمضخات.
• التحكم بالتسارع والتباطؤ.
• عكس اتجاه الدوران.
• مراقبة وحماية المحرك.

ومع ذلك، فإن نجاح المنظومة يعتمد على اختيار الـVFD حسب تيار المحرك ونوع الحمل، وضبط بيانات المحرك، وتنفيذ التأريض والتهوية والحماية والكابلات بطريقة صحيحة.