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 همین 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 سوئیچ زنی متناوب سیگنال خروجی با فرکانس مورد نظر را تولید می کنند. این کلیدها در سالهای اخیر تغییرات تکنولوژیک زیادی پیدا کرده اند. با ورود سوئیچهای قدرتی مانند IGBT که هم توانایی کار در قدرت های بالا و هم سرعت بالای سوئیچ زنی را توأماً به همراه دارد زمینه برای طراحی درایوهای با قیمت مناسب و کارایی 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 .

مزایای استفاده از کنترل کننده های دور موتورهای الکتریکی

– عمر مفید بالا (به دلیل استفاده از مدارات الکترونیک قدرت)

-توانائی کنترل دور موتور در بازگرداندن انرژی مصرفی در ترمزهای مکانیکی و یا مقاومت های الکتریکی به شبکه

-کاهش جریان راه اندازی کشیده شده از شبکه (جریان راه اندازی کمتر از ۱۰ درصد جریان نامی می شود)

-کاهش مصرف انرژی در سیستم های دارای فن (در گذشته با وجود موتور های دور ثابت، کنترل جریان سیال با دمپرها صورت می گرفت)

-کاهش تنش های الکتریکی (به دلیل راه اندازی و توقف نرم) و در پی آن کاهش تنش های مکانیکی و این خود باعث کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری می شود.

-افزایش دامنه تغییرات ممکن برای سرعت موتور نسبت به روش های مکانیکی

-اضافه شدن امکانات نرم افزاری برای مدیریت عملکرد کنترل دور

مزایای استفاده از درایو ها چیست؟

از مزایای استفاده از درایو ها میتوان به  کاهش انرژی مصرفی و لذا کاهش هزینه برق، کاهش جریان راه اندازی و در نتیجه طولانی شدن عمر موتور ، امکان تغییر سرعت موتور، امکان تغییر جهت حرکت موتور، داشتن حفاظت در برابر اضافه بار، امکان کار موتور در شرایطی که ولتاژ ورودی متغیر است، امکان کنترل از راه دور، ایجاد سرعت بیشتر از سرعت نامی موتور، برنامه ریزی کردن حرکت.

کاهش هزینه برق مصرفی و  کاهش جریان راه اندازی :

به دلیل آنکه موتور یک بار راکتیو روی شبکه دارد چنانچه از درایو برای راه اندازی و کنترل موتور استفاده گردد چون درایو دارای یک بانک خازنی می باشد این بار ر-اکتیو را جبران می نماید و تنها بار اکتیو را از شبکه برق مصرف می نماید ، بنابراین جریان مصرفی بسیار کاهش می یابد .همچنین چون در بسیاری از کارب ر دها انرژی زیادی برای راه اندازی لازم است موتور انتخاب شده را با توان بالاتری انتخاب می کنند بنابراین میزان جریان زیادتری هم در حین کار از شبکه استفاده می کند .

چنانجه از اینورتر استفاده شود ، اینورتر به صورت کاملا اتوماتیک این جریان را در حین راه اندازی به مقدار لازم افزایش و در حین کار به مقدار لازم کاهش می دهد ، بنابراین به طور کلی هزینه برق مصرفی کاهش چشم گیری 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.

اینورترها برای کنترل دور موتور بکار رفته و در سه کارکرد کلی برای کاربردهای گوناگون ساخته میشوند که عبارتند از:

 کنترل ولتاژ/فرکانسV/F

 کنترل حلقه باز برداریOpen Loop Vector

 کنترل حلقه بسته برداریClosed Loop Vector

اینورترها همچنین توانائی برقراری ارتباط با شبکه های صنعتی متعددی دارند که مهمترین آنها عبارتند از:

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

ما انسان‌ها در طول دهه‌های اخیر ماشین‌های بیشتری را برای انجام برخی امور مرتبط با صنعت به کار گرفته‌ایم. انجام امور به‌وسیله‌ی ماشین‌ها و با نظارت انسان، و سپس حرکت به سمت انجام کارها به‌وسیله‌ی کامپیوترها و بدون دخالت ما، همان چیزی است که اکنون تحت عنوان Industry 4.0 یا چهارمین انقلاب صنعتی شناخته می‌شود.

طرح مفهومی اتوماسیون و رابط انقلاب صنعتی هوشمند: کاربر با یک تبلت وصل شده و در حال تبادل داده با سیستم های فیزیکی-سایبری است

همان‌طور که احتمالا می‌دانید، اولین انقلاب صنعتی به زمان موتور بخار برمی‌گردد. مهار الکتریسیته انقلاب صنعتی دوم و ورود کامپیوترها به صنعت، انقلاب صنعتی سوم را رقم زدند.

عنوان Industry 4.0 یا انقلاب چهارم صنعتی اولین بار توسط دولت آلمان استفاده شد که در قالب ورود هوش مصنوعی (AI)، بزرگ داده‌ها (‌Big Data) و اینترنت اشیا (IoT) به صنعت و کارخانه‌ها، تعریف شده است.

این شاید اولین انقلاب در تاریخ باشد که انسان تاثیر مستقیمی بر ظهور آن نداشته. زمانی که کامپیوترها بتوانند به طول کامل و مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، خط تولید را به‌صورت خودکار هدایت کنند و با کمک هوش مصنوعی، ایرادات را کشف و مرتفع کنند، احتمالا نیازی به انسان در محیط‌های صنعتی نخواهد بود.

این مساله حداقل در چند دهه‌ی اول به نظر برخی افراد خوشایند نیست. اما درنهایت، احتمالا انسان‌ها به عنوان ناظر در کارخانه‌ها و شرکت‌ها، بر عملکرد هوش مصنوعی و ربات‌ها در محیط کاری نظارت خواهند داشت تا از بروز فجایع احتمالی پیشگیری کنند.

Industry 4.0 همه‌ی صنایع را تحت تاثیر قرار می‌دهد

این تحول در عرصه‌ی صنعت، تنها کارخانه‌ها را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد؛ بلکه بخش‌های زیادی از فست‌فودها تا خرده‌فروشی‌های بزرگ دنیا را جهت تبدیل ساختار روندهای اجرایی به سیستم‌های خودکار و دیجیتال، ترغیب کرده است. برای مثال به‌تازگی کسب‌وکار کافه‌های «استارباکس» از برخی از این برنامه‌ها پرده برداشته که امکان ارایه‌ی منوی اختصاصی برای هر مشتری از این جمله است. منویی که با کمک هوش مصنوعی و بزرگ‌داده‌ها، به‌نوعی سفارش‌های احتمالی مشتری را پیشنهاد می‌دهد.

مزیت این تحولات در عرصه‌ی صنعت، این است که در صورت جایگزینی ربات‌ها با انسان‌ها، هزینه‌های نهایی در محیط‌های صنعتی بسیار ارزان‌تر تمام می‌شوند و استفاده از هوش مصنوعی امکان حل مشکلات پیچیده‌ی سرعت‌بخشی به خط تولید را ممکن می‌کند.

در حال حاضر شاهد ایجاد برخی نشانه‌های این انقلاب هستیم. کارخانه‌ها برای کاهش هزینه‌ی تولید، مشغول سرمایه‌گذاری روی پرینترهای سه‌بعدی هستند. اینترنت اشیا در صنعت (IIoT) برای ایجاد ارتباط بهتر بین ماشین‌ها به کار گرفته می‌شود و بزرگ‌داده‌ها امکان تحلیل فرایند‌ها و افزایش اثربخشی آن‌ها را ایجاد می‌کنند.

به هر حال شاید هنوز چند دهه تا به ثمر نشستن آثار همه‌گیر چهارمین انقلاب صنعتی باقی مانده باشد. اما سوال بی‌پاسخ در حال حاضر این است که ماشین‌ها تا چه حد می‌توانند در عرصه‌ی صنعت جایگزین انسان‌ها شوند و اینترنت اشیا چه نقشی را در انقلاب صنعتی چهارم بازی می‌کند؟