اتوماسیون صنعتی, مقالات
درایو موتورهای DC
ژوئن
درایو موتورهای DC
در این مقاله قصد داریم درمورد درایو DC، عملکرد و انواع آن صحبت کنیم.
فهرست مطالب
1- مقدمه
2- درایو DC چیست؟
3- اجزای یک درایو DC
4- اصول کار درایو DC
5- انواع درایوهای DC
6- SCRها در درایو DC
————————————————
1- مقدمه
فناوری درایو DC کارآمد، قابل اعتماد، مقرون به صرفه و برای پیاده سازی بسیار آسان‌است. درایوهای DC مزایای زیادی نسبت به درایوهای AC به ویژه برای برنامه‌های احیاکننده و توان بالا دارد. این درایوها به طور گسترده در کاربردهای درایوهای صنعتی به منظور ارائه کنترل بسیار دقیق مورداستفاده قرار میگیرند. البته، در حال حاضر درایوهای فرکانس متغیر (VFD) و موتورهای AC به عنوان جایگزین برای درایوها و موتورهای DC در نظر گرفته می‌شوند.
پیشنهاد میشود مقاله درایو موتورهای AC نیز مطالعه شود.
اما بسیاری از کاربردهای دیگری وجود دارد که در آن ها درایوهای DC به دلیل مزیتشان به طور گسترده مورداستفاده قرار می گیرند، به عنوان مثال در جرثقیل و بالابرها، آسانسورها، ماشین آلات تولید کاغذ، سنگ شکن ها و غیره.
————————————————
2- درایو DC چیست؟
درایو DC اساساً یک سیستم کنترل سرعت موتور DCاست که ولتاژ موتور را برای کار با سرعت دلخواه تامین‌میکند. پیش از این، ولتاژ متغیر DC برای کنترل سرعت یک موتور DC صنعتی، توسط یک ژنراتور DC تولید می‌شد. با استفاده از موتور القایی، ژنراتور DC با سرعت ثابت رانده می‌شد و با تغییر میدان ژنراتور، ولتاژ متغیر تولید می‌گردید.
کمی بعد این مجموعه با یکسوکننده قوسی-جیوه ای و بعد توسط مبدل‌های تریستوری جایگزین شد. امروزه به طور گسترده از خانواده تریستور برای کنترل سرعت موتور DC استفادهمیشود.
————————————————
3- اجزای یک درایو DC
اجزای اصلی یک سیستم درایو DC در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.
ورودی درایو DC:
برخی از درایوهای DC مبتنی بر تریستور بر روی یک منبع تغذیه تک فاز کار می‌کنند و از چهار تریستور برای یکسوسازی موج کامل استفاده می‌کنند. برای موتورهای بزرگتر، منبع تغذیه سه فاز موردنیازاست زیرا شکل موج بسیار نرمتراست. در چنین مواردی، شش تریستور برای یکسوسازی کامل موج موردنیازاست.
پل یکسوکننده:
مولفه توان یک درایو DC کنترل شده، یکسوساز پل تمام موج‌است که می‌تواند توسط منبع تغذیه سه فاز یا تک فاز هدایت شود. همانطور که در بالا ذکر شد، تعداد تریستور ممکن‌است بسته به ولتاژ تغذیه متفاوت باشد. یک پل شش-تریستور، منبع AC ورودی را به منبع DC و به آرمیچر موتور یکسو میکند. کنترل زاویه آتش این تریستورها، ولتاژ موتور را تغییر می‌دهد.
مشاهده ویدیوی تنظیمات درایو اینورتر زیمنس
واحد تغذیه میدان:
توانی که باید به سیم پیچ میدان اعمال شود بسیار کمتر از توان آرمیچر است، بنابراین، اغلب منبع تغذیه تک فاز استفادهمیشود. یک پل تریستور یا دیود یکسوکننده جداگانه نیز برای تامین برق سیم پیچ میدان موتور استفادهمیشود. در بسیاری از موارد یک منبع تغذیه دو فاز از ورودی سه فاز (که برق آرمیچر را تامین‌میکند) گرفته میشود و از این رو محرک میدان در واحد منبع تغذیه آرمیچر گنجانده میشود.
وظیفه واحد تامین میدان، تامین ولتاژ ثابت به سیم پیچ میدان برای ایجاد میدان یا شار ثابت در موتور است. در برخی موارد، این واحد توسط تریستورها تامین میشود تا ولتاژ اعمال شده به میدان کاهش یابد و در نهایت سرعت موتور بالاتر از سرعت پایه، کنترل شود. درمورد موتورهای DC آهنربای دائم، واحد تامین میدان در درایو گنجانده نشده‌است.
واحد تنظیم سرعت:
این واحد دستورالعمل اپراتور (سرعت موردنظر) را با سیگنال های فیدبک مقایسه میکند و سیگنال های مناسب را به مدار آتش ارسال میکند. در درایوهای آنالوگ، واحد رگولاتور از هر دو تنظیم‌کننده ولتاژ و جریان تشکیل شده‌است. تنظیم‌کننده ولتاژ خطای سرعت را به عنوان ورودی می پذیرد و ولتاژ خروجی را تولید میکند، که سپس به تنظیم‌کننده جریان اعمال میشود و در نهایت تنظیم‌کننده جریان، جریان آتش موردنیاز را برای مدار آتش تولیدمیکند.
در صورت نیاز به سرعت بیشتر، جریان اضافی از تنظیم‌کننده ولتاژ فراخوانی میشود و از این رو تریستورها برای دوره های بیشتری هدایت می‌شوند. به طور کلی، این تنظیمات (هم ولتاژ و هم جریان) با کنترل‌کننده های متناسب-انتگرال-مشتق (PID) انجام میشود.
درصورت علاقه به مبحث کنترل‌کننده PID، می‌توانید مقاله کنترلر PID را مطالعه کنید.
تنظیم‌کننده جریان میدان نیز در جایی که به سرعت بیشتر از سرعت پایه نیازاست، ارائه‌می‌شود. در درایوهای مبتنی بر ریزپردازنده های مدرن دیجیتال، کنترل سرعت با یک جدول تعیین کننده جریان، برای مدار آتش با مدارهای دیجیتال اضافی حاصل میشود.
مدار آتش:
این مدار پالس های گیت را به تریستورها می رساند و آنها را برای دوره های خاصی جهت تولید ولتاژ آرمیچر متغیر روشن میکند. ایزولاسیون نیز، در این مدار درایو گیت ارائه شده‌است.
————————————————
4- اصول کار درایو DC
در موتورهای DC، سرعت با ولتاژ آرمیچر متناسب و با جریان میدان نسبت عکس دارد و همچنین جریان آرمیچر با گشتاور موتور متناسب‌است. بنابراین با افزایش یا کاهش ولتاژ اعمالی، سرعت موتور تغییر میکند. در صورتی که سرعتی بیشتر از سرعت پایه موردنیاز باشد، جریان میدان موتور باید کاهش یابد. با کاهش جریان میدان، شار در موتور کاهش می‌یابد. کاهش جریان میدان، Emf مخالف آرمیچر را کاهش می‌دهد. اگر Emf مخالف آرمیچر کمتری وجود داشته باشد، جریان آرمیچر می‌تواند بیشتر گردش کند. علاوه بر این، جریان آرمیچر باعث افزایش گشتاور موتور و در نتیجه افزایش سرعت میشود.
اینها دو اصل اساسی در درایوهای DC برای کنترل سرعت موتور هستند. در درایوهای DC کنترل شده با آرمیچر، واحد درایو یک جریان نامی و گشتاور را در هر سرعتی بین صفر و پایه موتور فراهم‌میکند. با تغییر ولتاژ آرمیچر، سرعت متغیر به دست می‌آید. به طور کلی، یک منبع تغذیه میدان ثابت در درایوهای DC ارائه‌می‌شود. از آنجایی که گشتاور در محدوده سرعت ثابت‌است (که نوع بار را توصیف میکند)، توان خروجی موتور متناسب با سرعت‌است (HP = T × N / 525). مشخصات موتور این درایو در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.
درایو
درمورد آرمیچر و درایوهای کنترل شده میدان، ولتاژ آرمیچر به موتور، برای عملکرد توان-متغیر با گشتاور -ثابت تا سرعت پایه موتور، کنترل میشود و برای سرعت پایه بالا تا حداکثر سرعت، درایو برای عملیات توان ثابت – گشتاور کاهش یافته ، همانطور که در شکل زیر نشان داده‌شده‌است، به کنترل میدان سوئیچ میکند.
در این حالت کاهش جریان میدان، باعث افزایش سرعت موتور تا حداکثر سرعت آن میشود که در شکل نشان داده‌شده‌است.
————————————————
5- انواع درایوهای DC
امروزه پیاده سازی دیجیتالی جایگزین مدارهای آنالوگ سیستم درایو الکتریکی در تمامی اشکال کنترل صنعتی شده‌است. کنترل‌کننده‌های دیجیتال انعطاف‌پذیری بیشتری را برای ایجاد کنترل دقیق، تنظیم خودکار، سهولت ارتباط با رایانه‌های میزبان و سایر درایوها ارائه می‌کنند. با این حال، درک اولیه درایو DC نسخه آنالوگ، درک معادل دیجیتال آن را آسانتر میکند. اجازه دهید در ادامه هر دوی این درایوهای DC را بررسی کنیم.
درایوهای DC آنالوگ
یک درایو DC آنالوگ استاندارد با کنترل سرعت و جریان در شکل زیر نشان داده‌شده‌است. هدف این سیستم کنترل سرعت‌است و از این رو مرجع سرعت، به ورودی سیستم تبدیل میشود و سرعت موتور، خروجی سیستم‌است که توسط تاکومتر اندازه گیری میشود. عملکرد این درایو به شرح زیراست.
در نظر بگیرید که موتور با سرعت تعیین شده کارمیکند. اکنون سیگنال مرجع سرعت تا حدودی بیشتر از سرعت واقعی، افزایش یافته است. همانطور که در شکل نشان داده‌شده‌است یک سیگنال سرعت خطا در جمع کننده سمت چپ وجود دارد. این خطای سرعت نشان دهنده شتاب موردنیاز موتور است که به معنای گشتاور و در نتیجه جریان بیشتراست.
خطا توسط کنترل‌کننده سرعت (که اساساً تقویت‌کننده خطای سرعت‌است) تقویت‌می‌شود و خروجی آن به عنوان مرجع ورودی جریان به سیستم کنترل داخلی داده‌می‌شود. همانطور که مرجع جریان افزایش می‌یابد، کنترل‌کننده جریان داخلی، جریان بیشتری را به موتور هدایت میکند و در نتیجه گشتاور اضافی ایجاد میشود. حلقه جریان داخلی مسئول حفظ خطای جریان صفر بین جریان واقعی موتور و سیگنال مرجع جریان است که به معنای ایجاد جریان واقعی موتور برای پیروی از جریان مرجع‌است. سیگنال خطای جریان تقویت‌شده از کنترل‌کننده جریان، زاویه آتش پل و در نتیجه ولتاژ خروجی مبدل را کنترل میکند. جریان فیدبک یا توسط ترانسفورماتور DC یا ترانسفورماتور AC (با یکسوکننده) در خطوط تامین اصلی بدست می‌آید. کل این عملیات توسط یک تقویت‌کننده خطای جریان با بهره بالا انجام‌می‌شود.
درایو
در بیشتر موارد، این تقویت‌کننده از نوع مدار کنترل تناسبی به علاوه انتگرال (PI) است که جریان های واقعی و موردنظر را دقیقاً در شرایط حالت پایدار برابر نگه می‌دارد. این کنترل‌کننده جریان نیز با در نظر گرفتن حداقل و حداکثر جریان موتور، جریان عبوری از موتور را محدود میکند. حلقه بیرونی با مقایسه سرعت واقعی به دست آمده توسط تاکوژنراتور DC با سرعت موردنظر یا موردنیاز از مرجع سرعت، کنترل سرعت را فراهم‌میکند. این دو ورودی به تقویت‌کننده خطای سرعت وارد می‌شوند و سپس خطای حاصل تقویت شده و به عنوان ورودی به کنترل‌کننده جریان اعمال‌می‌شود. تقویت‌کننده سرعت، جریان خروجی نسبت به خطای سرعت را تولید میکند.
برای این تقویت‌کننده نیز از یک کنترلر PI برای دستیابی به خطای حالت پایدار صفر استفاده شده‌است. با استفاده از این تجهیز، سرعت واقعی موتور دقیقاً در سرعت مرجع برای همه بارها حفظ میشود.
درایوهای DC دیجیتال
با پیشرفت در کنترل دیجیتال، درایوهای DC در مقایسه با درایوهای آنالوگ انعطاف پذیرتر و سریعتر می‌شوند (به دلیل زمان پاسخگویی سریع). آرایش شماتیک درایو DC دیجیتال در شکل زیر نشان داده‌شده‌است. اگرچه شبیه به طرح آنالوگ است، اما در اینجا مدار آنالوگ (تقویت‌کننده های آنالوگ) با مدار دیجیتال جایگزین شده‌است.
یک سیگنال مرجع سرعت به عنوان ورودی درایو در مقایسه با فیدبک سرعت در مدار جمع کننده ارائه‌می‌شود. اگر خروجی مدار جمع کننده، خطای مثبت باشد، نشان می‌دهد که نیاز به افزایش سرعت‌است و اگر خطای منفی ایجاد کند، نشان می‌دهد که کاهش سرعت لازم‌است (زیرا موتور با سرعتی بیشتر از سرعت موردنظر کارمیکند). سرعت خطا به کنترل‌کننده سرعت در ریزپردازنده داده میشود که ولتاژ خروجی را برای کارکرد موتور در سرعت موردنظر تعیین میکند.
در همان زمان، کنترل‌کننده جریان در ریزپردازنده، سیگنال های آتش به تریستور ها را در مبدل پل تعیین‌میکند. سپس تریستور ها منبع تغذیه سه فاز را نسبت به سرعت موردنظر به منبع DC تبدیل می‌کنند. این درایو می‌تواند در حلقه باز بدون هیچ فیدبکی کار کند و به تنظیم سرعت 5-8٪ دست یابد.
درایو
اگرچه، در بسیاری از کاربرد ها به تنظیم سرعت کمتر از 5٪ موردنیازاست. در چنین مواردی، واحد اندازه‌گیری سرعت به مدار اندازه‌گیری فیدبک Emf سوئیچ میکند. مدار فیدبک، ولتاژ آرمیچر را اندازه گیری میکند و آن را متناسب با ولتاژ خروجی مقیاس میکند و به مدار جمع کننده تحویل می‌دهد. علاوه بر این، در کنترل‌کننده سرعت به سیگنال خطای سرعت تبدیل میشود.
اگر تنظیم سرعت کمتر از 1% موردنیاز باشد، از فیدبک تاکومتر ژنراتور استفادهمیشود. بنابراین مدار اندازه‌گیری سرعت به فیدبک تاکومتر سوئیچ میکند. این فیدبک در مقایسه با فیدبک Emf به کنترل بسیار دقیقی دست می‌یابد. همچنین برای کنترل میدانی (بالاتر از سرعت های نامی)، این درایو شامل یک محرک میدان جداگانه‌است. یک تنظیم‌کننده جریان میدانی در ریزپردازنده، ولتاژ سیم پیچ های میدان را با پذیرش سیگنال مرجع شار از اپراتور تعیین‌میکند. این رگولاتور سیگنال های آتش موردنیاز واحد مبدل میدان را برای تولید ولتاژ DC موردنیاز و متناسب با سرعت فراهم‌میکند.
————————————————
6- SCRها در درایو DC
یکسوکننده های کنترل شده سیلیکونی (SCR) تریستورهایی هستند که به طور گسترده در درایوهای موتور DC بزرگ در واحد تبدیل توان استفاده می‌شوند. زمانی که ولتاژ کمی به ترمینال گیت SCR اعمال میشود، هدایت آغاز میشود. هدایت آن تا شروع چرخه منفی ادامه می‌یابد و هنگامی که ولتاژ در سراسر SCR تا سیگنال گیت بعدی از صفر طبیعی عبور کرد، به طور خودکار خاموش‌میشود. هدف از استفاده از این SCRها در درایوهای DC تبدیل منبع AC ثابت به منبع DC متغیر است که سرعت موتور را کنترل کند.
همانطور که قبلاً بحث شد، برخی درایوهای DC از منبع AC تک فاز تامین می‌شوند و از چهار SCR به شکل پل برای یکسوسازی DC استفاده می‌کنند. درایوهای DC با قدرت بالا نیز از یک منبع تغذیه سه فاز با شش SCR برای یکسوسازی DC استفادهمیشود. در حالت چهار عملکرد یک چهارم (موتور جلو، ترمز جلو، موتور معکوس و ترمز معکوس) درایو DC، یک یکسوساز پل متشکل از دوازده SCR با منبع ورودی سه فاز استفادهمیشود. در طول هر عملیات ، SCR ها در یک زاویه فاز فعال می‌شوند تا ولتاژ DC موردنیاز را برای موتور فراهم کنند. اتصال SCRها (برای عملکرد یک چهارم درایو) از منبع AC سه فاز ورودی به خروجی DC در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.
درایو
در این حالت، پل SCR موتوری و پل SCR احیاکننده، با دریافت سیگنال‌های گیت مناسب از کنترل‌کننده (آنالوگ یا دیجیتال) به عملکرد یک چهارم درایو دست می‌یابند. شکل موج ولتاژ خروجی DC در رابطه با شکل موج AC برای مدار فوق در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.
میانگین ولتاژ خروجی DC برای زوایای فاز آتش 24، 32 و 20 به دست آمده‌است. به این ترتیب، میانگین خروجی با تغییر زوایای فاز آتش به SCR ها کنترل‌میشود. از آنجایی که سیم پیچ میدان نیز به منبع DC تنظیم شده نیاز دارد، تنها از چهار SCR در مبدل پل میدان استفادهمیشود.
دلیل این امر، این‌است که میدان هرگز به جریان منفی نیاز ندارد و از این رو به مجموعه دیگری از SCR ها که در آرمیچر برای معکوس کردن موتور استفادهمیشود، نیازنیست. با این حال، در درایوهای DC مدرن، SCR ها به طور کامل با ماسفت ها و IGBT ها جایگزین می‌شوند تا به سوئیچینگ با سرعت بالا دست یابند و اعوجاج برق ورودی و جریان AC در حین سوئیچینگ حذف شود. از این رو، درایو کارآمدتر و دقیق ترمی‌شود.
————————————————
مقالات
کاربردهای درایو و اینورتر موتور الکتریکی
طبقه بندی درایوهای الکتریکی یا انواع درایوهای الکتریکی
مرجع
What is DC Drive? Operation and Classification of DC Drives