اسنابر چیست

اسنابر (Snubber) در مدارات الکتریکی استفاده می‌شوند تا از جلوگیری از نوسانات و افزایش حمایت در مقابل استرس‌های ناخواسته یا افزایش ولتاژ‌ها کمک کنند.
یک اسنابر از ترکیب مختصات الکترونیکی همچون دیود‌ها، خازن و مقاومت تشکیل شده است. این عناصر به تنظیم نوسانات ولتاژ و جریان در مدار کمک می‌کنند.

در موتور‌ها و اینورترها، اسنابر‌ها به منظور کاهش اثرات جانبی ناشی از قطع و وصل سوئیچ‌ها و همچنین کنترل ولتاژ‌ها و جریان‌های ناخواسته استفاده می‌شوند. این کارها معمولاً با استفاده از دیود‌ها و خازن‌ها به صورت موثر انجام می‌شوند.

به عنوان مثال، وقتی یک سوئیچ خاموش می‌شود، انرژی ذخیره‌شده در عناصر الکترونیکی مدار ممکن است منجر به افزایش ولتاژ و جریان شود. اسنابر به کنترل این افزایش‌ها کمک می‌کنند و می‌توانند از خطرات مرتبط با آنها جلوگیری کنند.

به طور کلی، اسنابر‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: اسنابر جریان (Current Snubber) و اسنابر ولتاژ (Voltage Snubber). هرکدام از این دسته‌ها به منظور مقابله با اثرات جانبی و پیشگیری از ضررهای ناشی از تغییرات جریان و ولتاژ در مدارها استفاده می‌شوند.

البته، هر یک از این دسته‌ها نیز می‌توانند به زیر دسته‌های بیشتری تقسیم شوند، بسته به نوع و نیاز مدار مورد نظر.

اسنابر جریان (Current Snubber): 

مقاومتی (Resistor Snubber): از یک مقاومت در مدار استفاده می‌کند تا اثرات جانبی جریان را مهار کند.
خازنی (Capacitor Snubber): با استفاده از یک خازن در مدار، اثرات جانبی جریان را کاهش می‌دهد.

اسنابر ولتاژ (Voltage Snubber): 

دیودی (Diode Snubber): از یک دیود به منظور کنترل افت ولتاژ و مقابله با افزایش ولتاژ‌های ناخواسته استفاده می‌کند.
خازنی (Capacitor Snubber): با استفاده از یک خازن در مدار، اثرات ولتاژ ناخواسته را مهار می‌کند.
مقاومتی (Resistor Snubber): از یک مقاومت به منظور کاهش افت ولتاژ‌های ناخواسته استفاده می‌کند.
هرکدام از این دسته‌ها و زیر دسته‌ها بسته به نیازات و ویژگی‌های مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فراجهش با OverShot در اینورتر

یکی از چالش‌های طراحی در مداراتی که با سلف سروکار دارند، مدیریت Overshot یا فراجهش است. فراجهش زمانی رخ می‌دهد که شما پس از یک دوره زمانی که سوئیچ روشن است و سلف در حال جریان کشیدن است، به یکباره سوئیچ را خاموش می‌کنید. در این حالت به واسطهٔ خاصیت ذاتی سلف، جریان خود را ثابت نگه می‌دارد. در این زمان، پلاریتهٔ سلف معکوس شده و اگر مسیری برای عبور این جریان پیدا نشود، آنقدر ولتاژ بالا می‌رود تا باعث شکست عایق در یکی از قسمت‌های مدار شود و جرقه‌زنی و سوختن مدار را ایجاد کند. معمولاً برای مدیریت این جریان ناخواسته و قوی، از یک دیود موازی با سیم پیچ در جهت معکوس جریان استفاده می‌شود، که به آن دیود هرزگرد یا دیود موازی معکوس می‌گویند. خوشبختانه در مدار اینورتر تمام پل، نیازی به استفاده از این دیود نیست، زیرا همه سوئیچ‌ها یک دیود موازی با خود دارند. لذا زمانی که همه سوئیچ‌ها خاموش‌اند، سلف (که در اینجا سیم پیچ موتور است) با یک پل دیود شامل ۶ دیود (پل سه‌فاز) به بانک خازن اصلی اینورتر متصل است.

در تصویر موتور، پل دیود و بانک خازن را ملاحظه می‌نمایید.

اینورتر تمام پل در حالت خاموش

البته این مدل اتصال در حالت خاموش شدن سوئیچ یک مدار نوسان‌زا ایجاد می‌نماید، زیرا سیم پیچ موتور در این حالت مانند یک ترانسفورماتور ۱:۱:۱ عمل می‌نماید. به عبارتی، موتور یک ترانسفورماتور با سه سیم پیچ و با نسبت ۱ عمل می‌نماید. دیودها نیز باعث می‌شود که هر کدام از سرهای این ترانس به مثبت و هم منفی بانک خازن متصل باشد و عنصری آخر خود بانک خازن است که باعث ایجاد یک نوسان با فرکانس بالاتری از فرکانس کاری درایو تبدیل می‌شود. همه این عوامل با هم می‌آیند تا زمانی که یکی از سوئیچ‌ها خاموش می‌شود، یک نوسان با قدرت نسبتاً زیاد روی بانک خازن و به تبع آن یک استرس ولتاژ بالایی روی سوئیچ‌ها ایجاد شود. در تصویر زیر ولتاژ دوسر یکی از IGBT‌های متصل به زمین اینورتر و فراجهش تولید شده در زمانی خاموشی را مشاهده می‌نمایید.

فراجهش با overshot بر روی IGBT

البته این مشاهده چنین شکل موجی در یک اینورتر استاندارد در حال کار بسیار بعید است، زیرا معمولاً در طراحی این Overshot برطرف می‌شود. ما برای آموزش این مطلب تغییرات زیادی در مدار ایجاد کرده‌ایم. در واقع، همه کارهایی که برای برطرف کردن این مشکل اجرا می‌شود، را برعکس انجام داده‌ایم تا بتوانیم اشکال ایجاد شده را به وضوح مشاهده کنیم. همانطور که مشاهده می‌نمایید، در حالت خاموشی، مقدار نرمال دو سر سوئیچ سه خانه از از اسیلوسکوپ است که معادل ۳۰۰ ولت است. اما بالاترین حد آورشوت چیزی بالاتر از ۴۰۰ ولت است که این به خوبی دلیل کنترل آن را نشان می‌دهد. اگر نتوانیم این حالت گذار را به درستی مدیریت کنیم، استرس ولتاژ دو سر سوئیچ به حدی بالا می‌رود که حتی فرصت گرم شدن به آنها را ندهد و در همان لحظه ابتدایی باعث ترکیدن مدار می‌شود.

یکی از روش‌های معمول مدیریت چنین شوک‌هایی، استفاده از مدار کمکی به نام اسنابر است. اسنابر‌های قدیمی‌تر سعی در تلف کردن این انرژی دارند و باعث گرم شدن اسنابر، اتلاف انرژی و پایین آمدن بازده دستگاه می‌شود. اما اسنابر قدیمی در طراحی بسیار ساده و استفاده از آن آسان است. اسنابر‌های مدرن سعی بر این دارد که تا حد ممکن انرژی ذخیره شده در سلف موتور را به نوعی بی‌خطر به بانک خازن برگرداند تا بتوانیم مجدداً از آن استفاده کنیم. در این صورت خبری از تلفات زیاد و گرما نیست و بازده و توان راکتیو دستگاه بسیار بهبود پیدا می‌کند. یک اسنابر مدرن حتی تلفات سوئیچینگ IGBT‌های اصلی را نیز به شدت کاهش می‌دهد و گرمای تولیدی کل دستگاه خیلی کمتر می‌شود. اما در طراحی این نوع اسنابر‌ها پیچیدگی زیادی وجود دارد و نیاز به دقت بالا دارد. برخی از آنها آنقدر حساس است که در صورت تغییر در مشخصات موتور نیز باید مجدداً تنظیم شود. انتخاب یک اسنابر مناسب در طراحی یک اینورتر بسته به قدرت دستگاه می‌تواند از یک مدار ساده RCD (شامل دیود، خارن، مقاومت) تا یک مدار به مراتب پیچیده‌تر از کل اینورتر تغییر کند.

تفاوت سافت استارتر و اینورتر

کنترل دور موتور های القایی متناوب همیشه در کاربرد های صنعتی و خانگی مورد توجه بوده است. این کار به دلیل ماهیت و ساختار این گونه موتور ها و وابسته بودن آن به فرکانس همواره با پیچیدگی همراه بوده است. یکی از اولین مداراتی که برای این منظور به کار گرفته شده مداری موسوم به دیمر است. این مدار بر روی هر فاز یک تریستور یا ترایاک دارد و با برش موج سینوسی AC شبکه و کاهش جریان مصرفی موتور باعث کاهش دور موتور می شود. به عبارتی این مدار فقط لغزش روتور را افزایش داده و فرکانس استاتور همان فرکانس شبکه است.

در مدل های پیشرفته تر از با استفاده از دو تریستور در جهت های مخالف روی هر فاز و  تغییر در توالی استفاده از این دو تریستور می توان به فرکانس های پایین تر که مضرب صحیحی از فرکانس اولیه است دست یافت. به عبارتی وقتی در یک شبکه 50 هرتز کار می کنیم می توان به فرکانس های 25 و16.6 و 12.5 و… که حاصل تقسیم 50 بر 2 و 3 و 4 و… است دست پیدا کرد.

مزیت این مدار نسبت به یک دیمر ساده افزایش گشتاور در فرکانس های پایین تر است. این نوع مدار به اصطلاح مبدل فرکانسی cyclo-converter نامیده می شود و در مدل های کامل آن در شبکه سه فاز از 36 تریستور یا ترکیب 18 تریستور و 18 دیود استفاده می شود. این نوع مدار نیاز پردازنده های بسیار سریع دارد و لازم است پارامترهای زیادی در لحظه اندازه گیری شود تا بتوان به درستی فرایند کنترلی انجام شود. این مدار در اصلاح سافت استارتر  یا راه انداز نرم نامیده می شود. علت این نام گذاری این است که این مدار اگرچه تا حدی می تواند سرعت موتور را کنترل کند اما به دلیل استفاده انتخابی از بخش های خاصی از شکل موج سینوسی پاورفکتور بسیار پایینی دارد و به دلیل تولید هارمونیک های بسیار زیاد در شبکه نمی تواند دائم در مدار قرار داشته باشد و معمولاً پس از راه اندازی موتور و رسیدن به دور نامی از مدار خارج میگردد. لذا استفاده از آن معمولاً محدود به راه اندازی موتور (مخصوصاً توان بالا) برای تعدیل جریان هجومی است.

در اینورتر ابتدا توسط یکسو ساز و بانک خازن ولتاژ متناوب را به مستقیم تبدیل می کند و سپس توسط یک مدار شامل 6 کلید پرسرعت الکترونیکی نظیر IGBT و با استفاده از تکنیک PWM خروجی با فرکانس و ولتاژ کنترل شده تولید می کند. اگر چه به دلیل وجود بانک خازن در ورودی پاور فکتور این مدار نزدیک 1 نیست و همچنان توسط این مدار هارمونیک به شبکه تحمیل می شود اما به نسبت سافت استارت این مقدار بسیار پایین تر است و می توان از آن به صورت دائم کار استفاده کرد. از طرفی به دلیل رعایت نسبت ولتاژ به فرکانس V.F موتور نیز بدون تحمل جریان و ولتاژ های نا متعارف می تواند بدون تنش در هر فرکانسی پایین تر از فرکانس نامی و حتی در فرکانس هایی بالاتر  از فرکانس نامی بدون آسیب دیدن کار کند. حفظ گشتاور در فرکانس های پایین و حتی امکان افزایش گشتاور طیف گسترده ای از کاربرد ها را برای اینورتر ایجاد می کند.

قطعاً می توان از یک اینورتر به عنوان سافت استارتر هم استفاده کرد اما معمولا قیمت اینورتر خیلی بالاتر از یک سافت استارت هم توان آن است و چون این اختلاف قیمت در توان های بالا تر قابل توجه است، در کاربرد هایی که نیاز به تنظیم و تغییر دور در حین کارکرد عادی وجود ندارد، استفاده از سافت استارت توجیه پذیر می شود.