اتوماسیون صنعتی, مقالات
درایو موتورهای AC
جولای
درایو AC
در این مقاله قصد داریم به بررسی درایوهای الکتریکی و درایو AC بپردازیم.
فهرست مطالب
1- مقدمه
2- درایو الکتریکی چیست؟
3- چرا به درایوهای الکتریکی نیازاست؟
4- بلوک دیاگرام درایو الکتریکی AC
5- طبقه بندی درایوهای AC
6- ساختار و قطعات یک درایو AC معمولی VFD
7- عملکرد اصلی درایو فرکانس متغیر (VFD)
8- برنامه‌های کنترل VFD
9- درایوهای AC Real-Timeدر یک نگاه
————————————————–
1- مقدمه
درایوهای الکتریکی بخشی جدایی ناپذیر از فرآیندهای صنعتی و اتوماسیون، به ویژه در جایی که کنترل دقیق سرعت موتور نیاز اصلی‌است، هستند. علاوه بر این، تمام قطارهای الکتریکی مدرن و یا سیستم‌های لوکوموتیو با درایوهای الکتریکی کار می‌کنند. رباتیک یکی دیگر از زمینه های اصلی‌است که درایوهای سرعت قابل تنظیم، کنترل دقیق سرعت و موقعیت را ارائه می‌دهند. حتی در زندگی روزمره، می‌توان کاربردهای زیادی پیدا کرد که از درایوهای سرعت متغیر (یا درایوهای سرعت قابل تنظیم) برای انجام طیف گسترده‌ای از عملکردها از جمله کنترل ریش تراش‌های برقی، کنترل جانبی کامپیوتر، عملکرد خودکار ماشین شستشو استفاده‌شده‌است. با توجه به کاربرد این قطعه الکترونیکی، در ادامه قصد داریم به بررسی آن و درایو AC بپردازیم.
مشاهده ویدیوی تنظیمات درایو اینورتر زیمنس
————————————————–
2- درایو الکتریکی چیست؟
یک درایو الکتریکی، سرعت، گشتاور و جهت حرکت اجسام را تعیین و کنترل میکند. درایوها به طور کلی برای برنامه‌های کنترل سرعت یا حرکت مانند ماشین ابزار، حمل و نقل، ربات ها، فن ها و غیره استفاده میشوند.
درایوهایی که برای کنترل موتورهای الکتریکی مورداستفاده قرار می‌گیرند به عنوان درایوهای الکتریکی شناخته میشوند.
————————————————–
3- چرا به درایوهای الکتریکی نیازاست؟
درایوهای سرعت قابل تنظیم برای کنترل دقیق و مداوم سرعت، موقعیت یا گشتاور بارهای مختلف ضروری هستند. در کنار این عملکرد اصلی، دلایل زیادی برای‌استفاده از درایوهای سرعت قابل تنظیم وجود دارد. برخی از این موارد عبارتند از:
- دستیابی به راندمان بالا: درایوهای الکتریکی قادر به‌استفاده از طیف گسترده ای از توان، از میلی وات تا مگاوات برای سرعت‌های مختلف هستند که در نتیجه هزینه کلی عملکرد سیستم کاهش می‌یابد.
- افزایش دقت در توقف یا معکوس کردن موتور
- کنترل جریان راه اندازی
- ارائه حفاظت
- ایجاد کنترل پیشرفته با تغییر پارامترهایی مانند دما، فشار، سطح و غیره.
پیشرفت دستگاه‌های الکترونیک قدرت، ریزپردازنده ها و الکترونیک دیجیتال منجر به توسعه درایوهای الکتریکی مدرن شده‌است که نسبت به سیستم درایو الکتریکی معمولی حجیم، غیر قابل انعطاف و گران قیمت که از سیستم چند ماشینی برای تولید سرعت متغیر استفاده‌می‌کند، فشرده تر، کارآمدتر، ارزان تر و عملکرد بالاتری دارند.
————————————————–
4- بلوک دیاگرام درایو الکتریکی AC
اجزای یک سیستم محرک الکتریکی مدرن در شکل زیر نشان داده شده‌است.
در بلوک دیاگرام بالا یک سیستم درایو الکتریکی، موتور الکتریکی، پردازنده قدرت (مبدل الکترونیکی قدرت)، کنترل کننده، سنسورها (به عنوان مثال کنترل کننده PID) و بار یا دستگاه واقعی به عنوان اجزای اصلی موجود در درایو نشان داده شده‌است.
درصورت علاقه به مبحث کنترل کننده PID، می‌توانید مقاله کنترلر PID را مطالعه کنید.
موتور الکتریکی جزء اصلی یک درایو الکتریکی‌است که انرژی الکتریکی (که توسط پردازنده قدرت هدایت میشود) را به انرژی مکانیکی (که بار را هدایت میکند) تبدیل میکند. موتور می‌تواند موتور DC یا موتور AC باشد که بستگی به نوع بار دارد.
پردازنده قدرت به عنوان مدولاتور قدرت نیز شناخته میشود که اساساً یک مبدل الکترونیک قدرت‌است و وظیفه کنترل جریان برق به موتور را به منظور دستیابی به سرعت متغیر، عملکرد معکوس و ترمز موتور دارد. مبدل‌های الکترونیک قدرت شامل مبدل‌های AC-AC، AC-DC، DC-AC و DC-DC می‌باشند. کنترلر با در نظر گرفتن فرمان ورودی و ورودی های حسگر، با ارائه سیگنال مرجع به پردازنده، مشخص میکند که پردازنده قدرت چه مقدار توان تولید کند. کنترلر می‌تواند یک میکروکنترلر، یک ریزپردازنده یا یک پردازنده DSP باشد. یک درایو با سرعت متغیر که برای کنترل موتورهای DC استفاده‌میشود به عنوان درایوهای DC، و درایوهای سرعت متغیر که برای کنترل موتورهای AC استفاده میشوند به عنوان درایوهای AC شناخته میشوند.
پیشنهاد میشود مقاله درایو موتورهای DC مطالعه شود.
————————————————–
5- طبقه بندی درایوهای AC
درایوهای AC برای به حرکت درآوردن موتورهای AC به ویژه موتورهای القایی سه فاز استفاده میشوند، زیرا این موتورها در بیشتر صنایع بر سایر موتورها غالب هستند. در اصطلاح صنعتی، درایو AC به عنوان درایو فرکانس متغیر (VFD)، درایو سرعت متغیر (VSD) یا درایو سرعت قابل تنظیم (ASD) نامیده میشود. اگرچه انواع مختلفی از VFD ها (یا درایوهای AC) وجود دارد، اما همه آنها بر اساس یک اصل، که ولتاژ و فرکانس ثابت ورودی را به ولتاژ و فرکانس خروجی متغیر تبدیل میکند، کار می کنند.
فرکانس درایو تعیین میکند که موتور باید با چه سرعتی کار کند، در حالی که ترکیب ولتاژ و فرکانس میزان گشتاوری را که موتور تولید میکند، تعیین میکند. VFD از مبدل‌های الکترونیک قدرت، فیلتر، یک واحد کنترل مرکزی (یک میکروپروسسور یا میکروکنترلر) و سایر دستگاه‌های سنجش تشکیل شده‌است. بلوک دیاگرام یک VFD معمولی در زیر نشان داده شده‌است.
————————————————–
6- ساختار و قطعات یک درایو AC معمولی VFD
ساختار و بخش‌های مختلف یک درایو فرکانس متغیر (VFD) عبارتند از:
- بخش یکسو کننده و فیلتر، که برق AC را با امواج ناچیز به برق DC تبدیل میکند.عمدتاً بخش یکسو کننده با دیودهایی ساخته میشود که خروجی DC غیرقابل کنترلی تولید می کنند.
- سپس بخش فیلتر، امواج را حذف میکند و DC ثابت را از DC پالسی تولید میکند. بسته به نوع عرضه، تعداد دیودها در یکسو کننده تعیین میشود.
- به عنوان مثال، اگر سه فاز باشد، حداقل 6 دیود مورد نیازاست و از این رو به آن مبدل شش پالسی می گویند.
- اینورتر نیز، برق DC را از بخش یکسو کننده می‌گیرد و سپس تحت کنترل ریزپردازنده یا میکروکنترلر به توان AC ولتاژ متغیر و فرکانس متغیر تبدیل میکند.
- این بخش با یک سری ترانزیستور، IGBT، SCR یا ماسفت ساخته شده‌است که توسط سیگنال‌های کنترلر روشن/خاموش میشوند.
- بسته به روشن شدن قطعات الکترونیک قدرت، خروجی و در نهایت سرعت موتور مشخص میشود.
- کنترلر نیز با میکروپروسسور یا میکروکنترلر ساخته شده‌است که ورودی را از حسگر (به عنوان مرجع سرعت)، و مرجع سرعت را از کاربر می‌گیرد و بر این اساس قطعات الکترونیک قدرت را به منظور تغییر فرکانس منبع فعال میکند.
- همچنین اضافه ولتاژ و کاهش ولتاژ، تصحیح ضریب توان، کنترل دما و اتصال به کامپیوتر را برای نظارت در زمان واقعی انجام می‌دهد.
————————————————–
7- عملکرد اصلی درایو فرکانس متغیر (VFD)
می‌دانیم که سرعت یک موتور القایی متناسب با فرکانس منبع تغذیه‌است (N = 120f/p) و با تغییر فرکانس می‌توانیم سرعت متغیر را بدست آوریم. اما وقتی فرکانس کاهش می‌یابد، گشتاور افزایش می‌یابد و در نتیجه موتور جریان سنگینی می کشد که به نوبه خود باعث افزایش شار در آن میشود. همچنین اگر ولتاژ منبع تغذیه کاهش نیابد، میدان مغناطیسی ممکن‌است به سطح اشباع برسد. بنابراین، هر دو ولتاژ و فرکانس باید در یک نسبت ثابت تغییر کنند تا شار در محدوده کاری حفظ شود. از آنجایی که گشتاور متناسب با شار مغناطیسی‌است، گشتاور در سراسر محدوده عملیاتی v/f ثابت می‌ماند.
درایو
شکل بالا تغییرات گشتاور و سرعت یک موتور القایی را برای کنترل ولتاژ و فرکانس نشان‌می‌دهد.
در شکل، ولتاژ و فرکانس با یک نسبت ثابت تا سرعت پایه تغییر می کنند.بنابراین شار و در نتیجه گشتاور تقریباً تا سرعت پایه ثابت‌می‌ماند. این ناحیه به عنوان ناحیه گشتاور ثابت معرفی‌می‌شود. از آنجایی که ولتاژ تغذیه را می‌توان فقط تا مقدار نامی تغییر داد، سرعت در ولتاژ نامی برابر سرعت پایه‌است. اگر فرکانس افزایش یابد، فراتر از سرعت پایه، شار مغناطیسی در موتور کاهش می‌یابد و در نتیجه گشتاور شروع به کاهش میکند. به این منطقه تضعیف شار یا قدرت ثابت می‌گویند.
این نوع کنترل را روش کنترل ثابت v/f می نامند که در درایوهای فرکانس متغیر (VFD) استفاده‌میشود و محبوب ترین نوع کنترل در صنایع‌است. فرض کنید موتور القایی به یک منبع تغذیه 460 ولت و 60 هرتز وصل شده‌است، آنگاه نسبت 7.67 ولت بر هرتز (به صورت 67/7 = 60/460) خواهد بود. تا زمانی که این نسبت به تناسب حفظ شود، موتور دارای گشتاور نامی و سرعت متغیر خواهد بود.
————————————————–
8- برنامه‌های کنترل VFD
تکنیک‌های کنترل سرعت متفاوتی برای درایوهای فرکانس متغیر (VFD) پیاده سازی شده‌است.
طبقه بندی عمده تکنیک‌های کنترل مورداستفاده در VFD های مدرن در ادامه آورده شده‌است که عبارتند از:
- 1- کنترل اسکالر
- 2- کنترل برداری
- 3- کنترل مستقیم گشتاور
1- کنترل اسکالر
در این نوع کنترل، مقادیر ولتاژ و فرکانس با ثابت نگه داشتن نسبت v/f کنترل میشوند و از این رو به عنوان کنترل اسکالر نامیده میشود (مقادیر اسکالر سرعت و گشتاور را تعیین میکند). موتور با سیگنال‌های ولتاژ و فرکانس متغیر تولید شده توسط کنترل PWM از یک اینورتر تغذیه میشود. اینورتر را می‌توان با میکروکنترلر، ریزپردازنده یا هر کنترلر دیجیتال دیگری، بسته به نوع سازنده کنترل کرد.
این برنامه کنترل به دلیل اینکه جهت کنترل سرعت به دانش زیادی از موتور احتیاج ندارد، به طور گسترده مورداستفاده قرارگرفته‌است. کنترل اسکالر را می‌توان به روش‌های مختلفی پیاده سازی کرد، برخی از طرح‌های محبوب عبارتند از:
1-1- PWM سینوسی
در این روش فرکانس سوئیچ، با توجه به ورودی مرجع سرعت تغییر میکند و میانگین یا مقدار RMS ولتاژ برای آن فرکانس، با تعداد پالس‌ها و عرض پالس‌ها تعیین میشود.اگر عرض پالس متغیر باشد، ولتاژ دو طرف موتور نیز تغییر میکند. این ولتاژ، جریان سینوسی را از طریق موتور ایجاد میکند، که بسیار نزدیکتر به موج سینوسی واقعی‌است.
برای دستیابی به این روش به محاسبات کمی نیازاست. با این حال، این روش دارای معایبی است که شامل هارمونیک ها در سرعت سوئیچینگ PWM و همچنین ولتاژ پایه کمتر از 90 درصداست. در این روش، مقادیر وزنی سینوسی در میکروکنترلر یا ریزپردازنده ذخیره میشوند و در درگاه خروجی در فواصل زمانی تعیین‌شده توسط کاربر در دسترس قرار می‌گیرند و سپس به اینورتر اعمال میشوند تا منبع تغذیه متغیری برای موتور ایجاد شود.
1-2- PWM شش مرحله ای
در این روش، اینورتر VFD دارای شش حالت کلیدزنی مجزا است که با ترتیب خاصی سوئیچ میشوند تا ولتاژ و فرکانس متغیر برای موتور تولید شوند. معکوس کردن جهت موتور به راحتی با تغییر توالی فاز خروجی اینورتر بااستفاده از زاویه آتش انجام میشود. این روش را می‌توان به راحتی اجرا کرد زیرا نیازی به محاسبات پیچیده‌نیست و همچنین مقدار ولتاژ پایه بیشتر از باس DC است. با این حال هارمونیک‌های مرتبه پایین در این روش بالا هستند که نمی‌توانند توسط اندوکتانس موتور فیلتر شوند و از این رو باعث تلفات بیشتر، عملکرد ناگهانی موتور و ریپل گشتاور بالا میشود.
1-3- مدولاسیون PWM بردار فضایی (SVPWM)
در این تکنیک، بردارهای ولتاژ سه فاز یک موتور القایی، به یک بردار دوار تبدیل میشوند. اینورتر VFD را می‌توان به هشت حالت منحصر به فرد هدایت کرد. ولتاژ PWM به بار با انتخاب مناسب حالات سوئیچ اینورتر و با محاسبه دوره زمانی مناسب برای هر حالت انجام میشود. بااستفاده از تبدیل بردار فضا، برای هر حالت، امواج سینوسی سه فاز تولید میشود که سپس به موتور اعمال میشود. مزیت اصلی این تکنیک این است که مقدار هارمونیک در فرکانس سوئیچینگ PWM کمتر است. با این حال، محاسبات بیشتری برای‌استفاده از این تکنیک مورد نیازاست.
2- کنترل برداری
این روش را کنترل شار، کنترل میدان یا کنترل غیر مستقیم گشتاور نیز می نامند. در این کنترل، بردارهای جریان سه فاز بااستفاده از تبدیل Clarke-Park به یک قاب مرجع دو بعدی (d-q) دوار از یک قاب مرجع سه بعدی تبدیل میشوند. جزء ‘d’، عنصر تولید کننده شار جریان استاتور و جزء ‘q’، عنصر تولید کننده گشتاوراست.
این دو جزء به طور مستقل از طریق کنترل کننده PI جداگانه، کنترل میشوند و سپس خروجی های کنترل کننده های PI بااستفاده از تبدیل معکوس Clarke-Park به مرجع ثابت سه بعدی تبدیل میشوند. بااستفاده از تکنیک مدولاسیون بردار فضا، سوئیچینگ مربوطه مدوله میشود. انواع مختلف تکنیک‌های کنترل برداری شامل کنترل شار استاتور، کنترل شار روتور و کنترل شار مغناطیسی می‌باشد. کنترل برداری پاسخ گشتاور بهتر و کنترل دقیق سرعت را در مقایسه با کنترل اسکالر ارائه می‌دهد. اما، به الگوریتم پیچیده‌ای برای محاسبات سرعت نیاز دارد و در مقایسه با کنترل اسکالر به دلیل دستگاه‌های فیدبک، گران‌تراست.
3- کنترل مستقیم گشتاور
این روش در مقایسه با کنترل بردار معمولی، الگوی سوئیچینگ ثابتی ندارد. به طوریکه اینورتر را با توجه به نیاز بار سوئیچ میکند. این تکنیک به ویژه در هنگام تغییر بار به دلیل عدم وجود الگوی کلیدزنی ثابت، پاسخ بالایی را حاصل میکند. اگرچه دقت سرعت را تا 0.5٪ تضمین میکند، استفاده از هرگونه فیدبک را حذف میکند. این تکنیک از مدل حرکت تطبیقی استفاده میکند که بر اساس عبارات ریاضی نظریه حرکت پایه‌است.
روش کنترل مستقیم گشتاور به پارامترهای اصلی موتور مانند مقاومت استاتور، اندوکتانس متقابل و غیره نیاز دارد و الگوریتم این داده‌ها را بدون چرخش موتور ضبط میکند. این مدل با در نظر گرفتن ورودی هایی مانند ولتاژ باس DC، موقعیت سوئیچ جریان و جریان های خط، گشتاور و شار واقعی موتور را محاسبه میکند. سپس این مقادیر به مقایسه کننده دو سطح گشتاور و شار داده‌میشود. خروجی مقایسه‌کننده‌ها، سیگنال‌های مرجع گشتاور و شار هستند و به جدول انتخاب سوئیچ داده‌میشوند، که در آن موقعیت سوئیچ انتخاب‌شده بدون هیچ مدولاسیونی به اینورتر اعمال میشود. از این رو نام کنترل گشتاور مستقیم به عنوان گشتاور و شار موتور به متغیرهای کنترل‌شده مستقیم تبدیل میشود.
————————————————–
9- درایوهای AC Real-Time در یک نگاه
چندین ویژگی پیشرفته درایوهای AC یا (VFD) آنها را به عنوان یک انتخاب مقرون به صرفه در کاربردهای سرعت متغیر تبدیل میکند. ویژگی‌هایی مانند طراحی بسته‌ها، ورودی/خروجی آنالوگ، ورودی/خروجی دیجیتال، صفحه‌کلیدهای چند منظوره و فناوری IGBT باعث میشوند تا بتوان VFDها را برای هر برنامه‌ای آسان، تنظیم کرد. امروزه، بیشتر طرح‌های درایو AC به دلیل استفاده از ریزپردازنده‌ها، IGBT و همچنین استفاده از فناوری نصب سطحی (مانند مقاومت‌های SMD) برای مونتاژ قطعات، فشرده‌تر هستند. این واحدها می‌توانند درایوهای دیواری یا ایستاده باشند. درایوهای مختلفی از سازندگان مختلف از جمله ABB، AB، زیمنس، دلتا و غیره وجود دارد. بسته های مختلف درایوهایAC ، ABB در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.
درایو
اساساً، تنظیم درایو AC برای یک برنامه شامل سه مرحله اصلی؛ از جمله سیم کشی برق، کنترل سیم کشی و برنامه نویسی نرم افزاراست. هنگامی که سیم کشی برق و کنترل انجام شد، باید پارامترهای درایو AC را متناسب با نیازهای برنامه از طریق برنامه نویسی نرم افزار، صفحه کلید قابل جابجایی یا پنل اپراتور از راه دور پیکربندی کرد. در صورت تغییر در برنامه، نیازی به سیم کشی مجدد درایو نیست. راه اندازی برای برنامه‌های جدید به سادگی با تغییر عملکرد درایو در برنامه انجام میشود.
درایوهای AC با ورودی‌های آنالوگ (مانند مرجع سرعت)، خروجی‌های آنالوگ (برای اندازه‌گیری کمکی)، ورودی‌های دیجیتال (مانند شروع، توقف، معکوس کردن و غیره) و خروجی‌های رله (رله‌های سرعت، رله‌های خطا و غیره) در بخش سیم کشی کنترل تجهیز شده‌اند. این بخش توسط نرم افزار اختصاصی به نام وضعیت ورودی/خروجی ( I/O ) نظارت میشود که ورودی ها و خروجی های درایو را نظارت و نمایش می‌دهد. در درایوهای معمولی، پنل های برنامه نویسی یا صفحه کلیدهای لمسی به خود درایو متصل میشوند. اما درایوهای مدرن متشکل از پنل های برنامه نویسی قابل جابجایی هستند که به کاربر امکان برنامه ریزی، پیمایش عملکردهای مختلف و پیکربندی درایو متناسب با نیاز برنامه را می‌دهند.
درایو
در کنار ابزارهای دستی، هر درایو AC دارای یک نرم افزار اختصاصی است که راه اندازی و نگهداری ابزار را آسان‌می‌کند. ابزار نرم افزار از برنامه Wizards برای تنظیم پارامترها تشکیل شده‌است که امکان مشاهده، ویرایش، ذخیره و دانلود پارامترها در درایو و همچنین نظارت گرافیکی و عددی سیگنال را فراهم‌میکند. در طول طراحی، سازندگان پارامترهای درایو AC را به مقادیر پیش فرض برنامه ریزی می کنند. بنابراین اپراتور باید مقادیر لازم و مقادیرداده موتور را بارگذاری کند تا درایو را برای برنامه شخصی سازی کند. علاوه بر مقادیر پیش‌فرض، تولیدکنندگان ماکروهایی را نیز ارائه می‌کنند که چیزی جز مجموعه‌ای از مقادیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده نیستند. کاربر یا اپراتور می‌تواند تمام پارامترهای موجود در ماکروها را در چند ثانیه تنظیم و پیکربندی کند (به جای اینکه همه پارامترها را به صورت جداگانه تنظیم کند که ممکن‌است چند دقیقه طول بکشد).
درایو
این ماکروها شامل کنترل سه سیمه، کنترل دستی – خودکار، کنترل PID و کنترل گشتاور هستند. ماکرو کنترل متناسب-انتگرال مشتق (PID) به درایو اجازه می‌دهد تا با دریافت ورودی های کنترلی مانند فشار، دما یا سطح مخزن، سرعت را به طور خودکار کنترل‌کند. با برنامه ریزی مناسب پارامترهای ورودی/خروجی آنالوگ و دیجیتال با ماکرو کنترل PID، می‌توان به عملیات حلقه بسته درایو دست‌یافت.
درایوهای AC با گزینه کنترل فیلد باس پلاگین ساخته‌شده اند تا با سیستم های خودکار اصلی مانند PLC ها، رایانه های شخصی، PAC، سیستم های SCADA و غیره ارتباط برقرارکنند. آن ها می‌توانند طیف گسترده ای از سیستم‌های گذرگاه میدان ارتباطی از جمله DeviceNet، PROFIBUS DP، ControlNet، MODBUS، PROFINET، Ethernet/IP و غیره را پشتیبانی‌کنند.
————————————————–