درايو الكتريكي

درایو چیست؟

درایو یا کنورتور فرکانس و یا کنترل کننده دور موتور برای تنظیم دور الکتروموتورها استفاده میxadگردد. به عبارتي درایوها وظیفه کنترل دور موتور را بر عهده دارند و قادرند دور موتور را از صفر تا چندین برابر دور نامی موتور و بطور پیوسته تغییر دهند.

تنظیم دور در الکتروموتورها علاوه بر منعطف نمودن پروسه های صنعتی، در کاربردهای زیادی منجر به صرفه جوئی انرژی هم میxadگردد. علاوه بر آن درایوها جریان راه اندازی کشیده شده از شبکه را به میزان زیادی کاهش میxadدهند. بطوریکه این جریان خیلی کمتر از جریان اسمی موتور است.

درایوها میxadتوانند موتور را بطور نرم و کاملا کنترل شده استارت و استپ نمایند. زمان استارت و استپ را میxadتوان بدقت تنظیم نمود. این زمانها میتوانند کسری از ثانیه و یا صدها دقیقه باشد. توانائی درایو در استارت و استپ نرم موجب کاهش قابل ملاحظه تنشهای مکانیکی در کوپلینگها و سایر ادوات دوار میxadگردد.

اولین وسیله تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی موتورهای DC بودند. موتورهای DC با وجود مزایایی چون کنترل آسان ، سریع و دقیق گشتاور و همچنین پاسخ بسیار سریع دینامیکی برای تغییرات سرعت ، معایب زیر رادارند:

• نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر
• قیمت بالا
• نیاز به انکودریاتاکومتر برای فیدبک سرعت

امروزه با توجه به پیشرفت تکنولوژی موتورهای الکتریکی AC و مزایایی از قبیل:

• اندازه کوچکتر
• قدرت بیشتر در مقایسه با موتورهای DC هم اندازه
• طراحی ساده و قیمت ارزان
• سبک و مقاوم در برابر ضربه

کاربرد موتورهای AC در صنعت روبه فزون است بطوریکه در 70 تا 80 درصد کاربردهای صنعتی از موتورهای AC استفاده می شود. همزمان با پیشرفت و فزونی کاربرد موتورهایAC ، تکنولوژی درایوی AC نیز دستخوش تغییرات شگرفی شده اند بطوریکه دریواهای AC قابلیت موتورهای AC را تکمیل کرده اند در کاربردهای صنعتی غالباً می خواهیم که موتورها در سرعت و گشتاور دلخواهمان کارکنند، بنابراین برای کنترل سرعت و گشتاور موتور از درایو استفاده می کنیم.

این درایوها از قطعات الکترونیکی مانند تریستورها، IGBT و ... ساخته شده اند که از آنها برای کنترل ولتاژ یا کنترل فرکانس استفاده می شود. علاوه براین در کاربرهایی مانند جرثقیل ها ، آسانسورها و ......... که عدم وجود ضربه در راه اندازی و توقف موتور از اهمیت ویژه ای برخورداراست، استفاده از درایو اجتناب ناپذیر می شود .

روشهای متداول کنترل سرعت و گشتاور موتورهای DC

موتورهای DC دو محدوده کنترل سرعت دارند.

ناحیه اول: با ثابت نگه داشتن جریان تحریک و تغییر ولتاژ آرمیچر از صفر تا مقدار نامی، سرعت از صفر تا مقدار نامی تغییر می کند. دراین محدوده گشتاور ثابت می ماند.

ناحیه دوم: با ثابت نگه داشتن ولتاژ آرمیچر و کاهش جریان تحریک می توان به سرعتهایی بیشتر از سرعت نامی دست یافت در این حالت با افزایش سرعت ، گشتاور کاهش می یابد این محل تضعیف میدان نامیده میxadشود.

در محدوده گشتاور ثابت، با افزایش سرعت توان به صورت خطی افزایش می یابد، بعداز سرعت نامی، توان ثابت می ماند و گشتاور به صورت نمایی کاهش می یابد.

بنابراین در درایورهای DC با کنترل متغیرهای حقیقی جریان تحریک و ولتاژ آرمیچر ، سرعت و گشتاور را کنترل میxadکنند. با بهره گیری از عملکرد درایوهای DC ، تکنولوژی درایوهای AC توسعه پیدا کرد، و روشهای کنترل اسکالر ، کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور معرفی شوند.

روش کنترل اسکالر:

این روش را درصنعت با عناوینی نظیر مدولاسیون عرض پالس (PWM) ، کنترل فرکانس V/F یا VVVF می شناسند .نخست ولتاژ AC به ولتاژ DC تبدیل شده سپس بوسیله مدولاتور، دنباله پالسی از ولتاژ با فرکانس متغیر به موتور ارسال می شود.

در این روش مقدار V/F ثابت است بنابراین با افزایش فرکانس ، ولتاژ افزایش می یابد و در نهایت همانطوری که مشاهده می شود، در این حالت کنترلی روی گشتاور موتور وجود ندارد و تغییرهای کنترلی ولتاژ و فرکانس هستند که بطور غیر مستقیم موتور را کنترل می کنند به علت عدم استفاده از فیدیک، کنترلی روی موقعيت یا سرعت شفت موتور وجود ندارد. همچنین استفاده از مدولاتور باعث ایجاد تاخیر در پاسخ به گشتاور به سرعت می شود.

روش کنترل برداری شار:

برای نزدیک شدن به الگویی نظیر درایوهایDC ، متغیرهای کنترلی در موتورهای القایی باید حقیقی باشند. در روش اسکالر، متغیرهای کنترلی غیر حقیقی هستند، در صورتی که در این روش سعی بر آن شده تا متغیرهای حقیقی موتور (شار و گشتاور موتور) کنترل شوند.

برای کنترل بردار شار و گشتاور موتور، جریان موتور باید قابل کنترل باشد اما در این موتورها کنترل سیستمی روی جریان موتور وجود ندارد. از طرفی جریان موتور تابعی ازجریان استاتور است که بنابراین با استفاده از محاسبات ریاضی پیچیده با توجه به وجود این رابطه بین جریان موتور و جریان استاتور، شار موتور قابل کنترل است. در ضمن با استفاده از فیدیک، می توان موقعیت و سرعت موتور را کنترل کرد. با وجود دقت در سرعت و پاسخ سریع به تغییرات گشتاور، احتیاج به فیدبک و مدولاتور از معایب این درایوها است.

روش کنترل مستقیم گشتاور (DTC)

کنترل مستقیم گشتاور یا DTC پیشرفته تکنولوژی کنترل موتورهای AC است که توسط شرکت ABB ارائه شده است این تکنولوژی جایگزین روشهای متداول مانند روش اسکالر و کنترل برداری شار در حلقه باز و بسته شده است.

اساس کار DTC بر پایه تئوری کنترل جهت میدان موتورهای القایی بنا شده است. شار استاتور و گشتاور، متغیرهای کنترلی DTC هستند. محاسبه وضعیت موتور بوسیله یک سیگنال پروسسور دیجیتال (DSP ) سرعت بالا انجام می شود بطوریکه این محاسبات در مدل نرم افزاری موتور 40000 بار در ثاینه صورت می پذیرد. با توجه سرعت بالای محاسبات و مقایسه مقادیر واقعی با مقادیر مرجع هر عمل سویچینگ جداگانه بررسی می شود و هنگام تغییرات دینامیک مانند بارهای ناگهانی عمل سویچینگ بهینه میxadشود.

در این روش علاوه بر اینکه متغیرهای کنترلی، حقیقی می باشند، پردازش نرم افزاری بسیار سریع و عدم نیاز به انکودر و مدولاتور قابل توجه است. ویژگیهای درایو با پاسخ گشتاور سریع حدود 10 برابر سریعتر از درایور DC و سایر درایوهای AC است دقت سرعت دینامیکی در این درایوها 8 برابر بهتر از یک درایو AC می باشد.

مرحله اول اندازه گیری جریان ولتاژ موتور است. در مرحله بعد این ولتاژ و جریان به بلوک Adaptive motor model داده میxadشود. در این بلوک مدار معادلی برای موتور در نظر گرفته شده است. این بلوک برای اینکه از روی مقادیر ولتاژ جریان و موقعیت سویچهای موتور بتواند مقادیر شار و گشتاور موتور را به دست آورد نیاز به پارامترهای ذاتی موتور مانند مقاومت استاتور ضریب اشباع و اندوکتانس القایی دارد که در ابتدای کار و توسط عمل Auto-tuning اندازه گیری می شوند.

مقادیر گشتاور شار به دست آمده از بلوک Motor model هر 25 میکرو ثانیه یکبار با مقادیر مرجع مقایسه می شوند و بهترین موقعیت سوییچهای قدرت انتخاب می شوند با توجه به اینکه مانند روش مودلاتور الگوی از پیش تعیین شده ای وجود ندارد، نسبت به روش های کنترل برداری 30% تغییر حالت های سوییچها کمتر است و بنابراین تلفات کمتری روی IGBT خواهیم داشت و علاوه بر آن بدون انکودر به سرعت پاسخ گشتاوری معادل 2 میل ثانیه خواهیم رسید.

در مرحله پنج خروجی بلوک سرعت، از یک محدود کننده عبور می کند و ورودی این محدود کننده می توان از یک مرجع خارجی تغذیه شود.

در مرحله ششم کنترلر سرعت (شامل PID ومقایسه کننده سرعت) سرعت واقعی را با سرعت مرجع مقایسه میxadکند.

مزایای DTC

• پاسخ سریع به تغییرات گشتاور: در لحظات گذرای بار، زمان افت سرعت کاهش می یابد و در نتیجه پروسه بهتر کنترل شده و محصولات باکیفیت بالاتر عرضه می شوند.
• کنترل گشتاور در فرکانس پایین: این مزیت بخصوص در کاربردهایی چون جرثقیل ها و آسانسورها که بار به راه اندازی و توقف منظم و نرم نیاز دارد، قابل توجه می باشد.
• گشتاور خطی: افزایش گشتاور بصورت خطی در کاربردهایی چون Winder
• دقت سرعت دینامیک: بعد از تغییر ناگهانی بار ، موتور می تواند با سرعت قابل ملاحظه ای به حالت پایدار برگردد.

تفاوت اینورتر های متصل به شبکه و منفصل از شبکه...