درایو موتور – آشنایی با مفهوم درایو موتور های الکتریکی به زبان ساده

شاید در گذشته بدون اینکه شناختی از درایوها داشته باشید با آن ها کار کرده اید و شاید هم دقیقآ می دانید که از چند درایو در موتورها و تجهیزات الکتریکی خود استفاده می کنید. به هرحال موتورهای الکتریکی نقش بسیار مهمی در کسب و کار و زندگی ما ایفا می کنند، این موتورها هر وسیله ای که ما برای زندگی خود نیاز داریم را به حرکت در می آورند، تمامی این موتورها به منظور تامین نیروی گشتاور خود به مقدار مشخصی انرژی الکتریکی استفاده می کنند که اگر نیرو و سرعت گشتاور بیش از حد کم یا زیاد باشد، حرکت موتور کند شده، تغییر جهت داده و یا از کنترل خارج می شود و نتیجه ی آن ناکارآمدی و اتلاف انرژی می شود. سرعت یک موتور باید دقیقآ به همان اندازه ای باشد که برای انجام فرایند به آن نیاز است، در گذشته با اتصال برق به این موتورها آنها از همان زمان استارت و در شرایط باری مختلف با یک دور ثابت به کار خود ادامه می دادند که باعث اتلاف زیاد انرژی و استهلاک بیش از حد تجهیزات می شود که مسلمآ از هیچ جهت قابل قبول نیست! اما امروزه راهی مناسب برای کنترل دور این موتورها مورد استفاده قرار می گیرد که نه تنها باعث کاهش مصرف انرژی می شود بلکه باعث کاهش هزینه های تعمیرات و نگه داری نیز می شود که این راه تکنولوژی درایو نام دارد.

درایو چیست ؟

درایو و یا کنترل کننده دور موتور برای تنظیم دور الکتروموتورها استفاده میگردد. درایوها وظیفه کنترل دور موتور را بر عهده دارند. درایوها قادرند دور موتور را از صفر ار پی ام تا چند برابر دور نامی موتور و بطور پیوسته تغییر دهند.
درایوها دستگاه هایی هستند که توان ورودی با ولتاژ و فرکانس ثابت را به توان خروجی با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل میکنند. باید توجه کرد که دور یک موتور تابعی از فرکانس منبع تغذیه آن است. به همين جهت یک درایو نخست برق شبکه را به ولتاژ دی سی تبدیل کرده و سپس آنرا با استفاده از یک اینورتر مجددا به ولتاژ ای سی  با فرکانس و ولتاژ متغیر تبدیل میکند. در یک درایو ولتاژ پائین قسمت اینورتر متشکل از سوئیچهای قدرتی است که با سوئيچ زني متناوب سيگنال خروجي با فركانس مورد نظر را توليد مي كنند. اين كليدها در سالهای اخیر تغییرات تکنولوژیک زیادی پیدا کرده اند. با ورود سوئیچهای قدرتی مانند IGBT كه هم توانايي كار در قدرت هاي بالا و هم سرعت بالاي سوئيچ زني را توأماً به همراه دارد زمینه برای طراحي درایوهای با قیمت مناسب و كارايي بهتر فراهم شد

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

کنترل دور موتور ها میتوانند موتور را بطور نرم و کاملا کنترل شده استارت و استپ نمایند. زمان استارت و استپ را میتوان با دقت 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 و الکتریکی در کوپلینگها و سایر ادوات دوار میگردد.

درایوها ابزارهایی هستند که از قطعات الکترونیکی مانند : تریستورها ، IGBT و … ساخته شده اند و از آنها برای کنترل ولتاژ یا کنترل فرکانس استفاده می شود. علاوه براین در کاربرهایی مانند  پمپ و فن ، جرثقیل ها ، آسانسورها ، نوار نقاله و ……… که عدم موجود ضربه در راه اندازی و توقف موتور از اهمیت ویژه ای برخورداراست، استفاده از درایو اجتناب ناپذیر می شود .

مزاياي استفاده از كنترل كننده هاي دور موتورهاي الكتريكي

– عمر مفيد بالا (به دليل استفاده از مدارات الكترونيك قدرت)

-توانائي کنترل دور موتور در بازگرداندن انرژي مصرفي در ترمزهاي مكانيكي و يا مقاومت هاي الكتريكي به شبكه

-كاهش جريان راه اندازی كشيده شده از شبكه (جريان راه اندازي كمتر از ۱۰ درصد جريان نامي مي شود)

-كاهش مصرف انرژي در سيستم هاي داراي فن (در گذشته با وجود موتور هاي دور ثابت، كنترل جريان سيال با دمپرها صورت مي گرفت)

-كاهش تنش هاي الكتريكي (به دليل راه اندازي و توقف نرم) و در پي آن كاهش تنش هاي مكانيكي و اين خود باعث كاهش هزينه هاي تعمير و نگهداري مي شود.

-افزايش دامنه تغييرات ممكن براي سرعت موتور نسبت به روش هاي مكانيكي

-اضافه شدن امكانات نرم افزاري براي مديريت عملكرد كنترل دور

مزاياي استفاده از درایو ها چيست؟

از مزایای استفاده از درایو ها میتوان به  كاهش انرژي مصرفي و لذا كاهش هزينه برق، كاهش جريان راه اندازي و در نتيجه طولاني شدن عمر موتور ، امكان تغيير سرعت موتور، امكان تغيير جهت حركت موتور، داشتن حفاظت در برابر اضافه بار، امكان كار موتور در شرايطي كه ولتاژ ورودي متغير است، امكان كنترل از راه دور، ايجاد سرعت بيشتر از سرعت نامي موتور، برنامه ريزي كردن حركت.

كاهش هزينه برق مصرفي و  كاهش جريان راه اندازي :

به دليل آنكه موتور يك بار راكتيو روي شبكه دارد چنانچه از درايو براي راه اندازي و كنترل موتور استفاده گردد چون درايو داراي يك بانك خازني مي باشد اين بار ر-اكتيو را جبران مي نمايد و تنها بار اكتيو را از شبكه برق مصرف مي نمايد ، بنابراين جريان مصرفي بسيار كاهش مي يابد .همچنين چون در بسياري از كارب ر دها انرژي زيادي براي راه اندازي لازم است موتور انتخاب شده را با توان بالاتري انتخاب مي كنند بنابراين ميزان جريان زيادتري هم در حين كار از شبكه استفاده مي كند .

چنانجه از اينورتر استفاده شود ، اينورتر به صورت كاملا اتوماتيك اين جريان را در حين راه اندازي به مقدار لازم افزايش و در حين كار به مقدار لازم كاهش مي دهد ، بنابراين به طور كلي هزينه برق مصرفي كاهش چشم گيري خواهد داشت .

روش های کنترل :

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 موفقیت یا سرعت شافت 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 درایوهای DC ، 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 شود.

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 هستند در ضمن با استفاده از فیدیک ، می توان موقعیت و سرعت موتور را کنترل کرد. با وجود دقت درسرعت 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 ، تغییرهای 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 ۴۰۰۰۰ 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 می شود.

در اغلب موارد ، درایو فرکانس متغیر شامل یک یکسوساز است به طوری که برقDC مورد نیاز اینورتر از برقAC اصلی تامین می شود. از آنجا که در اینجا اینورتر یک عنصر اصلی است، بعضی اوقات درایو فرکانس متغیر به نام درایو اینورتر یا کلا اینورتر نامیده می شود.

اينورترها براي كنترل دور موتور بكار رفته و در سه كاركرد كلي براي كاربردهاي گوناگون ساخته ميشوند كه عبارتند از:

 كنترل ولتاژ/فركانسV/F

 كنترل حلقه باز برداريOpen Loop Vector

 كنترل حلقه بسته برداريClosed Loop Vector

اينورترها همچنين توانائي برقراري ارتباط با شبكه هاي صنعتي متعددي دارند كه مهمترين آنها عبارتند از:

• DeviceNet
• CANopen
• Profibus
• Memobus
• Mechatrolink
• Ethernet