فرکانس یکی از مشخصات مهم جریان متناوب است که نقش مستقیمی در عملکرد بسیاری از تجهیزات الکتریکی، به ویژه موتورهای صنعتی دارد. فرکانس با واحد هرتز (Hz) اندازه گیری می شود و نشان می دهد جریان متناوب در هر ثانیه چند دوره کامل را طی می کند. در این مقاله تفاوت ۵۰ و ۶۰ هرتز، اثر فرکانس بر سرعت موتور و روش تغییر فرکانس با اینورتر دلتا را با فرمول، نمودار و مثال عددی توضیح می دهیم.
فرکانس برق چیست؟
در جریان متناوب (AC)، جهت جریان به صورت دوره ای تغییر می کند. تعداد دوره های کامل جریان در هر ثانیه را فرکانس می نامند. مدت زمان یک دوره کامل را دوره تناوب (T) می گویند و با فرکانس رابطه عکس دارد:
T = 1 / f
برق شهری ایران فرکانس ۵۰ هرتز دارد؛ یعنی جریان در هر ثانیه ۵۰ دوره کامل را طی می کند و هر دوره ۲۰ میلی ثانیه طول می کشد. در برخی کشورها مانند آمریکا، فرکانس برق شهری ۶۰ هرتز است و هر دوره حدود ۱۶٫۷ میلی ثانیه طول می کشد. تفاوت جریان متناوب و مستقیم در مقاله تفاوت برق AC و DC توضیح داده شده است.
تفاوت فرکانس ۵۰ و ۶۰ هرتز چیست؟
تفاوت اصلی این دو در تعداد دوره های جریان متناوب در هر ثانیه است. این اختلاف بر عملکرد برخی تجهیزات، به خصوص موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها، اثر می گذارد.
| ویژگی | ۵۰ هرتز | ۶۰ هرتز |
|---|---|---|
| دوره در ثانیه | ۵۰ | ۶۰ |
| زمان یک دوره | ۲۰ میلی ثانیه | حدود ۱۶٫۷ میلی ثانیه |
| نمونه کشورها | ایران، بیشتر کشورهای اروپا و آسیا | آمریکا، کانادا، عربستان |
| سرعت سنکرون موتور ۴ قطب | ۱۵۰۰ دور در دقیقه | ۱۸۰۰ دور در دقیقه |
اثر فرکانس بر ترانسفورماتور
شار مغناطیسی هسته ترانسفورماتور با نسبت ولتاژ به فرکانس متناسب است. ترانسفورماتوری که برای ۶۰ هرتز طراحی شده، اگر با همان ولتاژ در ۵۰ هرتز کار کند، شار هسته اش بالاتر می رود و ممکن است به اشباع برسد و گرم شود. به همین دلیل فرکانس نامی روی پلاک ترانس، موتور و منبع تغذیه را باید با برق محل مقایسه کرد.
فرکانس چه تأثیری بر موتورهای صنعتی دارد؟
سرعت سنکرون موتور القایی به فرکانس و تعداد قطب های موتور وابسته است:
ns = 120 × f / p
در این رابطه ns سرعت سنکرون بر حسب دور در دقیقه (rpm)، f فرکانس بر حسب هرتز و p تعداد قطب هاست. بنابراین یک موتور با تعداد قطب یکسان در فرکانس ۶۰ هرتز سرعت سنکرون بیشتری نسبت به ۵۰ هرتز دارد:
| تعداد قطب | سرعت سنکرون در ۵۰ هرتز | سرعت سنکرون در ۶۰ هرتز |
|---|---|---|
| ۲ قطب | ۳۰۰۰ rpm | ۳۶۰۰ rpm |
| ۴ قطب | ۱۵۰۰ rpm | ۱۸۰۰ rpm |
| ۶ قطب | ۱۰۰۰ rpm | ۱۲۰۰ rpm |
| ۸ قطب | ۷۵۰ rpm | ۹۰۰ rpm |
لغزش: چرا دور واقعی کمتر از سرعت سنکرون است؟
در موتور القایی، روتور همیشه کمی کندتر از میدان دوار می چرخد تا در آن جریان القا شود. این اختلاف را لغزش (s) می نامند:
s = (ns − n) / ns
تغییر فرکانس سرعت موتور را تغییر می دهد. اگر فرکانس بدون در نظر گرفتن ولتاژ مناسب تغییر کند، ممکن است عملکرد موتور مختل شود یا دمای آن افزایش پیدا کند.
نسبت ولتاژ به فرکانس (V/f) چیست؟
برای اینکه شار مغناطیسی موتور تقریباً ثابت بماند، ولتاژ باید هم پای فرکانس تغییر کند. در موتور ۴۰۰ ولت و ۵۰ هرتز این نسبت حدود ۴۰۰ ÷ ۵۰ = ۸ ولت بر هرتز است؛ پس در کنترل V/f ساده، وقتی فرکانس به ۲۵ هرتز می رسد، ولتاژ خروجی حدود ۲۰۰ ولت می شود. درایوها در فرکانس های خیلی پایین کمی ولتاژ اضافه (Torque Boost) می دهند تا افت ولتاژ سیم پیچ جبران شود.
- زیر فرکانس پایه: ولتاژ و فرکانس با هم کم و زیاد می شوند و موتور می تواند گشتاور نامی بدهد. در دورهای پایین، فن روی شفت موتورهای خودخنک هوای کمتری می دمد؛ کار طولانی با بار سنگین در دور کم ممکن است به خنک کاری جداگانه نیاز داشته باشد.
- بالاتر از فرکانس پایه: ولتاژ خروجی از ولتاژ نامی بالاتر نمی رود، شار تضعیف می شود و گشتاور قابل دسترس کاهش پیدا می کند. حداکثر سرعت مجاز موتور و بار مکانیکی باید از دیتاشیت سازنده چک شود.
آیا می توان فرکانس موتور را تغییر داد؟
بله. فرکانس برق شبکه ثابت است، ولی با اینورتر یا درایو فرکانس متغیر (VFD) فرکانس خروجی تنظیم می شود و سرعت موتور متناسب با نیاز فرآیند تغییر می کند. مسیر برق داخل درایو این طور است:
فرکانس خروجی که سرعت موتور را تعیین می کند با فرکانس کریر فرق دارد. فرکانس کریر سرعت سوئیچ ترانزیستورهای IGBT است و روی صدا، گرما و نویز اثر می گذارد؛ توضیح کامل در مقاله فرکانس کریر اینورتر آمده است. تفاوت اصطلاح درایو و اینورتر را هم در درایو یا اینورتر بخوانید.
مثال های کاربردی تغییر فرکانس
مثال ۱: نوار نقاله
موتور چهار قطب یک نوار نقاله در ۵۰ هرتز سرعت سنکرون ۱۵۰۰ دور در دقیقه دارد. اگر اینورتر روی ۳۵ هرتز تنظیم شود، سرعت سنکرون ۱۲۰ × ۳۵ ÷ ۴ = ۱۰۵۰ دور در دقیقه می شود و نوار حدود ۷۰ درصد سرعت قبلی حرکت می کند.
مثال ۲: فن و پمپ گریز از مرکز
در فن و پمپ گریز از مرکز، طبق قوانین تشابه در حالت ایده آل، دبی با دور، فشار با مجذور دور و توان با مکعب دور متناسب است. اگر فرکانس از ۵۰ به ۴۰ هرتز برسد، دور حدود ۸۰ درصد می شود و توان نظری حدود ۰٫۸ × ۰٫۸ × ۰٫۸ ≈ ۵۱ درصد توان قبلی است. مقدار واقعی به منحنی سیستم، راندمان و نقطه کار بستگی دارد.
| فرکانس خروجی | سرعت سنکرون موتور ۴ قطب | نسبت دور به ۵۰ هرتز |
|---|---|---|
| ۲۵ هرتز | ۷۵۰ rpm | ۵۰٪ |
| ۳۵ هرتز | ۱۰۵۰ rpm | ۷۰٪ |
| ۴۰ هرتز | ۱۲۰۰ rpm | ۸۰٪ |
| ۵۰ هرتز | ۱۵۰۰ rpm | ۱۰۰٪ |
| ۶۰ هرتز | ۱۸۰۰ rpm | ۱۲۰٪، بالاتر از فرکانس پایه |
درایوهای دلتا و تنظیم فرکانس
درایوهای صنعتی دلتا امکان تنظیم فرکانس و کنترل سرعت موتور را فراهم می کنند. برای انتخاب مدل مناسب، باید به مشخصات موتور، محدوده فرکانسی موردنیاز، ولتاژ ورودی و نوع کاربرد توجه کرد. پس از نصب، مقادیر پلاک موتور در پارامترهای درایو وارد می شود: فرکانس پایه (فرکانس نامی موتور)، ولتاژ پایه و حداکثر فرکانس خروجی. در درایوهایی مثل VFD-E و MS300 این تنظیمات در گروه پارامتر ۰۱ قرار دارند؛ شماره دقیق هر پارامتر را از منوال همان مدل بخوانید.
فرمان فرکانس از کی پد درایو، ولوم آنالوگ، ورودی های چندسرعته یا ارتباط Modbus با PLC به درایو می رسد. روش ها قدم به قدم در مقاله نحوه تغییر فرکانس در اینورتر دلتا آمده است و معرفی پارامترهای مهم در آشنایی با پارامترهای درایو دلتا. در سیستم های بزرگ تر، PLC دلتا فرکانس مطلوب را می فرستد و HMI دلتا فرکانس خروجی، جریان موتور و آلارم ها را به اپراتور نشان می دهد.
نمونه درایوهای دلتا
VFD11AMS21ANSAAسری MS300؛ کد ۲۱ یعنی ورودی ۲۳۰ ولت تک فاز
VFD110C43Aسری C2000؛ کد ۴۳ یعنی ورودی ۴۶۰ ولت سه فاز
مشخصات کامل هر مدل در صفحه محصول و دیتاشیت آن آمده است. برای مقایسه سری ها مقاله های انواع اینورتر دلتا و معرفی درایو MS300 را ببینید و همه مدل ها را در دسته اینورتر دلتا مرور کنید.
فرکانس را چطور اندازه بگیریم؟
- برق شبکه: مولتی مترهایی که حالت Hz دارند یا پاورآنالایزر فرکانس شبکه را نشان می دهند. اندازه گیری روی مدار برق دار فقط کار فرد آموزش دیده با تجهیزات ایمنی مناسب است.
- خروجی اینورتر: خروجی درایو موج PWM است و بعضی مولتی مترها روی آن عدد درستی نشان نمی دهند. فرکانس خروجی را از نمایشگر درایو، نرم افزار مانیتورینگ یا رجیستر Modbus درایو بخوانید.
جمع بندی
فرکانس تعداد دوره های جریان متناوب در هر ثانیه است؛ برق ایران ۵۰ هرتز و برق آمریکا ۶۰ هرتز است. سرعت سنکرون موتور القایی مستقیماً با فرکانس متناسب است و با اینورتر می توان فرکانس و ولتاژ را با هم تنظیم کرد تا سرعت موتور با نیاز فرآیند هماهنگ شود. برای انتخاب درست، پلاک موتور، محدوده سرعت موردنیاز، نوع بار و شرایط خنک کاری را کنار هم بررسی کنید. برای یادگیری عملی، کارگاه تمرین و دوره PLC و HMI مقدماتی شروع مناسبی است.
برای انتخاب اینورتر دلتا متناسب با موتور و محدوده سرعت پروژه تان مشاوره می خواهید؟ ولتاژ و تعداد فاز برق ورودی، توان، جریان و فرکانس پلاک موتور و نوع بار را بفرستید تا کارشناس کامیاب مرام، نماینده دلتا در ایران، مدل مناسب را پیشنهاد دهد.
سؤالات متداول درباره فرکانس برق
فرکانس برق چیست؟
فرکانس تعداد دوره های کامل جریان متناوب در هر ثانیه است و با واحد هرتز (Hz) اندازه گیری می شود. در برق ۵۰ هرتز، جریان در هر ثانیه ۵۰ دوره کامل را طی می کند و هر دوره ۲۰ میلی ثانیه طول می کشد.
فرکانس برق ایران چند هرتز است؟
فرکانس برق شهری ایران ۵۰ هرتز است. بیشتر کشورهای اروپایی و آسیایی هم ۵۰ هرتز دارند و در کشورهایی مثل آمریکا و کانادا فرکانس برق شهری ۶۰ هرتز است.
تفاوت فرکانس ۵۰ و ۶۰ هرتز چیست؟
تفاوت اصلی در تعداد دوره های جریان متناوب در هر ثانیه است: ۵۰ دوره در برابر ۶۰ دوره. این اختلاف روی سرعت موتورهای القایی و طراحی ترانسفورماتورها اثر دارد؛ برای مثال سرعت سنکرون موتور چهار قطب در ۵۰ هرتز ۱۵۰۰ و در ۶۰ هرتز ۱۸۰۰ دور در دقیقه است.
آیا موتور ۶۰ هرتز را می توان با برق ۵۰ هرتز راه انداخت؟
فقط با بررسی پلاک و دستورالعمل سازنده. در ۵۰ هرتز سرعت موتور حدود پنج ششم مقدار ۶۰ هرتز می شود و برای اینکه شار مغناطیسی و دمای موتور بالا نرود، ولتاژ هم باید متناسب با فرکانس کمتر باشد. بسیاری از موتورها مقادیر مجاز ۵۰ و ۶۰ هرتز را جداگانه روی پلاک دارند.
فرکانس چه تأثیری بر دور موتور دارد؟
سرعت سنکرون موتور القایی از رابطه ns = 120 × f ÷ p به دست می آید که در آن f فرکانس و p تعداد قطب هاست. با افزایش فرکانس، سرعت سنکرون بالا می رود. سرعت واقعی موتور القایی به اندازه لغزش کمتر از سرعت سنکرون است.
آیا می توان فرکانس اینورتر را بالاتر از ۵۰ هرتز برد؟
اینورتر می تواند فرکانس بالاتر از فرکانس پایه موتور بدهد، ولی بالاتر از فرکانس پایه ولتاژ خروجی دیگر زیاد نمی شود و گشتاور قابل دسترس کم می شود. حداکثر سرعت مجاز موتور، یاتاقان ها و بار مکانیکی باید از دیتاشیت سازنده بررسی شود.
فرکانس خروجی اینورتر با فرکانس کریر چه فرقی دارد؟
فرکانس خروجی همان فرکانسی است که سرعت موتور را تعیین می کند، مثلاً ۳۵ یا ۵۰ هرتز. فرکانس کریر فرکانس سوئیچ ترانزیستورهای IGBT در مدولاسیون PWM است و معمولاً چند کیلوهرتز است؛ روی صدای موتور، گرمای درایو و نویز اثر دارد، نه روی سرعت.