روش های کنترل سرعت موتور الکتریکی توسط درایوها

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: درایو یا کانورتر فرکانس و یا کنترل کننده دور موتور برای تنظیم دور الکتروموتورهای Ac استفاده میگردد.

درایوها وظیفه “کنترل دور موتور” را بر عهده دارند. درایوها 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 میگردد. علاوه بر آن درایوها جریان راه اندازی دریافتی از شبکه را به میزان زیادی کاهش میدهند. بطوریکه این جریان خیلی کمتر از جریان اسمی موتور است.

درایوها میتوانند موتور را بطور نرم و کاملا کنترل شده استارت و استپ نمایند. زمان استارت و استپ را میتوان 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 میگردد.

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:

۱- نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر

۲- قیمت بالا

۳- نیاز به انکودریاتاکومتر برای فیدبک سرعت

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

۱- اندازه کوچکتر

۲- قدرت بیشتر در مقایسه با موتورهای DC هم اندازه

۳- طراحی ساده و قیمت ارزان

۴- سبک و مقاوم در برابر ضربه

کاربرد موتورهای AC در صنعت روبه فزون است بطوریکه در ۷۰ تا ۸۰ درصد کاربردهای صنعتی از موتورهای AC استفاده می شود.

همزمان با پیشرفت و فزونی کاربرد موتورهای AC ، 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 تجهیزاتی هستند 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 کاردبرهایی 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 .

مقایسه عملکرد سافت استارتر با اینورترها

الف-راه انداز نرم:

۱-راه انداز نرم درصنعت برای راه اندازی الکتروموتور بکار میرود و دراین حالت بیشترین جریان راه اندازی حدود ۲٫۵ برابرجریان حالت عادی موتوراست محنی راه اندازی با یک شیب مناسب وقابل انتخاب است.

۲-در راه اندازنرم ازکلیدهای استاتیکی(SSR)استفاده میشود که درتوانهای پایین ازترایاک و در توانهای بالا ازیک جفت تایستور بصورت معکوس وموازی استفاده میشود

۳-درراه اندازنرم تغییر ولتاژ وجود دارد و در واقع با کنترل ولتاژسینوسی ورودی درهردو نیم سیکل مثبت و منفی ولتاژخروجی باهمان فرکانس ورودی میشود.

۴-از راه انداز نرم میشود بعنوان کنترل دورهم استفاده کرد ولی درصنعت استفاده نمیشود،اما(دیمر،،کنترل نورلامپ،،کنترل دورپنکه،،،)یک راه اندازنرم تک فازاست که بعنوان کنترل دور استاتیکی استفاده میشود

۵-از یک راه اندازنرم میشود تعدادزیادی موتور را با ایجادیک مدارفرمان مناسب راه اندازی کرد مثلا تعداد۱۰ دستگاه موتور یا بیشتر را میشود با یک راه اندازنرم روشن کرد.

۶-در راه اندازنرم امکان افزایش دور موتور بیشتراز دور نامی وجودندارد

۷-مدار ستاره مثلث یا همان مداردوضرب هم یک راه اندازنرم است اما بصورت کنتاکتوری و بیشترین جریان راه انداز حدود چهاربرابراست است ومنحنی راه انداز بصورت جهشی میباشد و غیرقابل انتخاب.

«کلیدهای استاتیکی یاهمان SSR درجریانهای مختلف دربازار وجود دارد»

ب-اینورتر یا کنترل دور

۱-راه اندازی الکتروموتور با بیشترین جریان راه اندازی حدود جریان عادی موتور بایک منحنی تقریباخطی قابل انتخاب

۲-اینورتر بهترین راه اندازنرم موتور است ولی باقیمتی بیش ازچهاربرابر راه اندازنرم یاهمان سافت استارت

۳- درصنعت از اینور یا کنترل دور بطور عموم برای موتورهایی که کنترل سرعت لازمست استفاده میشود

۴-تغیرات دور موتور در اینورتر با تغییرفرکانس ایجادمیشود لذا امکان افرایش فرکانس خروجی تا چندین برابرفرکانس ورودی وجود دارد

۵-دراستفاده ازکنترل دور امکان افزایش دورموتوربیشترازدورنامی وجودداردباافزایش فرکانس ولتاژ خروجی دور موتورافرایش می یابد

۵-بطورمعمول دراینورتورها از ترانزیستورهای IGBT درقدرت های بالااستفاده میشود ودرقدرت های پایین ازترانزیستورهای MOSFET هم قدرت استفاده میشود

در مجموع سافت استارتر همانطور كه از نامش پيداست تنها در هنگام راه اندازي يك الكتروموتور كاربرد دارد. الكتروموتورها به دليل كشيدن جريان ۶ تا ۸ برابر جريان نامي در هنگام راه اندازي صدمات زيادي مي بينند بطوريكه عمده استهلاك الكتروموتورها در هنگام راه اندازي مي باشد. بوسيله سافت استارتر راه اندازي از طريق افزايش كنترل شده فركانس يا ولتاژ انجام مي گيرد و با اين كار Energy Saving نيز صورت مي گيرد.

اينورتر محدود به زمان راه اندازي نمي باشد و در هر لحظه مي توان بوسيله سيگنالهاي كنترلي كه معمولا ۴~۲۰ mA مي باشد سرعت الكتروموتور را كنترل نمود

اينورتر قابليت هاي بسيار زيادي دارد از قبيل : راه اندازي نرم موتور، چپگرد راستگرد کردن موتور وتغيير دور موتور.

والبته قيمت بالاتري نيز دارد. حال آنکه سافت استارتر فقط براي راه اندازي نرم موتور استفاده ميشه.

روشهای متداول کنترل سرعت و گشتاور موتورهای DC با استفاده از درایوهای: 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 در این 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 (field weakening) نامیده می شود.

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 میکنند. با بهره گیری از عملکرد درایوهای DC ، تکنولوژی درایوهای AC توسعه پیدا کرد، و روشهای کنترل اسکالر ، کنترل برداری و کنترل مستقیم گشتاور معرفی شدند.

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 ترین 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.

چرا DTC ؟

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 ۱۰ برابر سریعتر از درایور DC و سایر درایوهای AC است. دقت سرعت دینامیکی در این درایوها ۸ برابر بهتر از یک درایو AC می باشد.


مزایای کنترل سیستم گشتاور (DTC) :

۱- 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.

۲- 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.

۳- گشتاور خطی : افزایش گشتاور بصورت خطی در کاربردهایی چون Winder

۴- دقت سرعت دینامیک: بعد از تغییر ناگهانی بار ، موتور می تواند با سرعت قابل ملاحظه ای به حالت پایدار برگردد.

ترمز الکتریکی

هدف این تکنولوژی ارائه راه کارهای عملی برای کاهش انرژی تلف شده در عمل ترمز گیری و برگشت این انرژی به صورت الکتریکی به شبکه است.

ناحیه های چهار گانه سرعت و گشتاور

کاربرد درایو براساس سرعت و گشتاور به سه دسته اصلی تقسیم می شود:

۱- بهترین کاربرد مشترک درایوهای AC در ناحیه I و III است در این ناحیه سرعت و گشتاور هم جهت هستند و جهت توان از داریو به موتور است ( مانند فن ، پمپ)

۲- ناحیه II در این حالت جهت توان از درایو به موتور ، یا برعکس است . در صنایع زیادی برای توقف اضطراری ماشینها ازاین ناحیه کاربرد دارد.

۳- ناحیه IV : آسانسورها و جرثقیل از این کاربردها هستند و بعضی از ماشینهای دیگر مانند برش ، خم ، پیچش و دستگاه تست موتور که نیاز به تکرار سرعت و تغییر گشتاور دارند در این ناحیه جهت توان از درایو به موتور و یا برعکس است .

راه کارهای ترمز الکتریکی درایو:

درایوهای AC پیشرفته شامل یکسو ساز خط برای تبدیل ولتاژ AC و DC هستند سپس اینورتر ولتاژ DC را به ولتاژ AC با فرکانس دلخواه ، برای تغذیه موتور تبدیل می کند

ترمز شار ( Motor flux Braking)

تکنولوژی ترمز شار بر پایه تلفات موتور بنا شده . هنگام ترمزگیری ، شار موتور و در نتیجه جریان مغناطیسی کننده موتور افزایش می یابد با این روش موتور به سرعت از حالت ترمز به حالت موتوری باز می گردد افزایش جریان به معنای افزایش تلفات موتور می باشد و هرچه انرژی ترمز بیشتر باشد تلفات بیشتراست.

ترمز چاپر و ترمز مقاومتی :

درایوهای AC از یکسوساز ۱۸،۱۲،۶ پالس جهت انتقال توان از شبکه به bus- DC استفاده می کنند اگر در ناحیه II و IV جهت توان از موتور به درایو باشد خازن DC شارژ شده و ولتاژ bus- DC افزایش می یابد به منظور جلوگیری از افزایش ولتاژ bus- DC دو راه وجود دارد .

۱- کنترل افزایش ولتاژ : در این روش گشتاور ترمز گیری محدود می شود تاسطح ولتاژ ثابت بماند.

۲- ترمز چاپر : به این روش انرژی ترمز به مقاومت Rb ) در شکل شماتیک روش اسکالر) داده شده و به صورت گرما هدر میرود.

ترمز الکتریکی

هنگامی که عمل ترمز گیری صورت می پذیرد موتور درحالت ژنراتوری عمل کرده و انرژی درجهت عکس به جریان می افتد در روش های فوق این انرژی به صورت گرما هدر می رود اما به کمک تکنولوژی ترمز الکتریکی ، انرژی معکوس نخست از AC به DC سپس از DC به AC تبدیل شده و به کمک فیلتر LCL به صورت فاز به خط انتقال برمی گردد.

سازگاری الکترو مغناطیسی E.M.C ( Electromagnetic complicity)

تمام تجهیزات الکتریکی بنا به کارکرد خود ، تشعشعات الکترومغناطیسی فرکانس بالا و فرکانس پائین تولید می کنند.

EMC بر این اساس بنا شده است که این تشعشعات از حد مجاز خود تجاوز نکند مطابق شکل زیر برای کنترل تشعشعات دو فاکتور مصونیت و میزان تشعشع ، بایستی در نظر گرفته شود.

EMC رنج تا GHZ 400 را شامل می شود و به بخش بالای GHZ 2 )فرکانس بالا) و زیر GHZ 2 )فرکانس پایین) تقسیم می شود . منبع انتشار امواج فرکانس بالا ، مبدل های فرکانس شامل عناصر قدرت با سویچینگ سریع هستند ( مانند( IGBTو منبع انتشار امواج فرکانس پایین ، هارمونیکهای ولتاژ می باشد.

تشعشعات بالای۲ GHZ برای انسان مضرند و بازگشت هارمونیک ها به شبکه آسیب می رساند.

تجهیزات الکتریکی در مقابل فرکانس های پائین و بالای غیر معمول بایستی مصونیت داشته باشند و این فرکانس ها نباید در عملکرد آنها تاثیری داشته باشند.

تشعشع  Emission :

حد نشر فرکانس های بالا (ناشی از سویچینگ سریع تجهیزات قدرت) برای هر وسیله الکتریکی باید قابل قبول باشد تا بر روی عملکرد سایر تجهیزات الکتریکی تاثیری نداشته باشد.

راه کارهای EMC :

بطور معمول درایوها از مصونیت خوبی برخوردارند، مگر اینکه امواج الکترومغناطیس شده از تجهیزات داخلی درایوها بر روی عملکرد سایر قسمتهای درایو تاثیر منفی بگذارند. بنابراین آنچه در طراحی و کاربرد درایوها بایستی مد نظر قرار گیرد، محدود کردن نشر امواج الکترو مغناطیس است .

جلو گیر از نشر( conductive Emission)

۱- استفاده از فیلترینگ RFI برای تداخل فرکانس بالا

۲- استفاده از جرقه گیر در رله ها و کنتاکتورها و شیرها برای کاهش جرقه ای ناشی از سویچینگ

۳- استفاده از حلقه های فریت در نقاط اتصال کابل های قدرت

جلو گیری از نشر ناشی از تشعشع Radia ted emission

۱- بکارگیری محفظ فلزی رنگ نشده و بدون خوردگی که تمام صفحات آن به زمین وصل شده و بطور کامل آب بندی شده باشد.

۲- استفاده از کابلهای و سیم های شیلددار و بکار بردن روشهای سیم کشی مناسب برای جلوگیری از تداخل

۳- انتخاب و نصب تجهیزات فرعی ، روشهای صحیح سیم کشی داخلی ، توجه زیاد به مساله ارتینگ و بطور کلی دقت در راهنمای همراه با درایو برای نصب آن

كنترل دور موتور متناوب (AC Drive)

با استفاده از تکنولوژی الکترونیک قدرت يا ادوات كليدزني نيم رساناي قدرت، بهره وری و کیفیت فرایندهای صنعتی مدرن بهبود فزاينده اي يافته است. تخمین زده می شود که با استفاده از الکترونیک قدرت، حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد امکان صرفه جوئی انرژی الکتریکی وجود دارد.

هم چنين با پيشرفت سريع و کاهش مداوم قیمت ها در عرصه الکترونیک قدرت زمینه برای حضور گسترده آنها در کاربردهای صنعتی، حمل و نقل و حتی خانگی فراهم می گردد.

نیروی محرک بيشتر پمپها، فن ها و يا هر وسيله اي كه نياز به نيروي گرداننده خارجي دارد، معمولاً توسط موتورهاي القائي تامين مي شود که در دور ثابت کار میکنند. ليكن در سالهاي اخير با پيشرفتهاي انجام گرفته در زمينه تكنولوژي الكترونيك قدرت ، استفاده از موتورهاي القائي همراه با كنترل كننده دور موتور (AC DRIVE) يا اينورتر رو به گسترش است.

درایوها وسائلی 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 DC تبدیل کرده و سپس آنرا با استفاده از یک اینورتر مجددا به ولتاژ AC 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.

مزاياي استفاده از كنترل كننده هاي دور موتورهاي الكتريكي:

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

۲-توانائي درايو در بازگرداندن انرژي مصرفي در ترمزهاي مكانيكي و يا مقاومت هاي الكتريكي به شبكه

۳ – كاهش جريان راه انداز كشيده شده از شبكه (جريان راه اندازي كمتر از ۱۰ درصد جريان نامي مي شود)

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

۵- 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.

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

۷- اضافه شدن امكانات نرم افزاري براي مديريت عملكرد كنترل دور