Description

توضیحات

درایو در صنعت به چه نام هایی عنوان شده است:

– اینورتر
– مبدل فرکانس متغییرVFD
– مبدل ولتاژ فرکانس متغییر VVVF
– مبدل سرعت متغییر VSD

درایو AC چیست:
درایو AC وسیله‌ای است که با آن سرعت چرخش موتورهای (alternating current) AC را کنترل می‌کنیم. این کار با کنترل تغییرات فرکانس منبع تغذیه انجام می‌شود.
بدون درایوهایAC، موتورهای AC به سرعت و در همان لحظه‌ای که به جریان برق متصل می‌‌شوند،
به سرعت نهایی خود رسیده و هیچ کنترلی روی سرعت چرخش موتور نداریم و این اتفاق منجر به کاهش کیفیت عملکرد موتور و گاهاً خرابی موتور می‌شود.
با استفاده از درایوهای AC می‌توانیم سرعت موتور را کنترل کرده و موتورهای AC را در سرعت‌های مختلف به گردش درآوریم.
سرعت موتور معمولا با واحدِ تعداد دور در دقیقه (Rotation Per Minute) یا RPM بیان می‌شود.

شتاب Acceleration
تغییرات سرعت در یک بازه زمانی مشخص را، شتاب میگویند.

 

روش‌های کنترل درایو AC :
امروزه در صنعت و بازار، عمدتاً سه روش اصلی برای کنترل درایو وجود دارد:
۱- (V/f) : ولتاژ بر فرکانس درایو (Volts/Hz Drives)
۲- (SLV) : درایوهای برداری بدون سنسور (Sensorless Vector Drives)
۳- (CLV) : درایوهای فیدبک‌دارِ با سنسور (Vector Drives with feedback)
به موارد ۱ و ۲، درایوهای بدون فیدبک گفته ‌می‌شود؛ زیرا هیچ راهی برای بررسی آنکه سرعت موتور به مقدار مطلوب ما رسیده است یا نه و تنظیم سرعت به طور دقیق، وجود ندارد بلکه صرفاً در این دو نوع، درایو وظیفه‌ی رساندن برق به موتور را دارد. در نتیجه این درایوها برای مواردی که نیازی به داشتن وضعیت مشخصی یا رسیدن به سرعت قانونی‌ معینی نداریم، مناسب هستند.
درایورهایCLV، درایوهای فیدبک دار هستند؛ به عبارتی این درایوها این توانایی را دارند که
سیگنال‌هایی را از دستگاه‌ها و موتور دریافت کرده و سرعت موتور و موقعیت موتور را نشان دهند.
مثلاً اگر سیگنال‌ِ فیدبک داده شده، نشان دهد که سرعت خیلی کم یا خیلی زیاد است (نسبت به مقدار مطلوبمان فاصله دارد)، درایو این توانایی را دارد که خروجی خود را تنظیم کرده تا خطا برطرف شود.

۱- کنترل اسکالر یا V/f درایو
درایوهای V/f (وی تو اف) یا درایوهای کنترل شونده با ولتاژ و فرکانس
این درایوها به منظور کارهای ساده و اهداف کلی به کار برده می‌شوند و از یک جدول تناسب استفاده می‌کنند که ولتاژ مشخصی را متناسب با فرکانس به خروجی می‌دهند.
این بدان معناست که می‌توانیم سرعت موتور را متناسب با فرکانسی که به جریان برق می‌دهیم، تنظیم کنیم.
تغییرات ولتاژ و فرکانس متناسب با هم بوده و سرعت نیز به صورت خطی تغییر می‌کند.

هرتز Hertz
فرکانس را با واحد هرتز بیان می‌کنند. هرتز بیانگرِ تعداد تکرار در یک ثانیه است.
به عبارت دیگر ۵ دور در یک ثانیه = ۵Hz
این روش دارای محدودیت‌هایی در کاربرد است و از این روش برای مواردی که تغییرات بار ناگهانی و زیاد بوده (مثلا جدا شدن محموله از جرثقیل) نمی‌توان استفاده کرد. ولیکن در مواردی که تغییرات ناگهانی نداشته و بارهای قابل‌پیشبینی داریم، استفاده از این روش برای کنترل موتورها بسیار به‌صرفه‌تر است.
از جمله مواردی که از V/f استفاده می‌شود می‌توان به پمپ‌های گریز از مرکز، فَن‌ها، نوار نقاله‌ها و میکسرها اشاره کرد.

۲- کنترل برداری بدون سنسور SLV
درایوهای برداری بدون سنسور یا SLV ها، روشی برداری برای کنترل سرعت به وسیله‌ی درایوها هستند.
در اینجا منظور از سنسور، انکودر است. در این روش انکورد نداشته و فیدبکِ انکودری به ما داده نمی‌شود.
البته این درایوها دارای پروسسور (Pulse Width Modulation) PWM می‌باشند که به ما فیدبک ولتاژ و جریان می‌دهد. ولیکن فیدبکی برای سرعت و شتاب نداریم.
ویژگی دیگر این درایوها، گشتاور زیاد در سرعت کم بوده که این امکان را به ما می‌دهد که از آنها برای کنترل بارهای با اینرسی نسبتا زیاد(نسبتا سنگین) استفاده کنیم.
با استفاده از میکروپروسسور و پردازش سیگنال دیجیتال، درایو می‌تواند نسبت به مشخصات و شرایط موتور اطلاعاتی را داشته باشد و به صورت اتوماتیک موتور را کنترل کند.
با بهره گیری از این تکنولوژی خطای سرعت موتور به کمتر از یک درصد رسیده است و از این درایوها برای کنترل موتورها تا سرعت بالای Hz ۱۰۰۰ استفاده می‌شود.

اینرسی Inertia
به مقاومت در برابر شتاب، اینرسی گویند. وقتی از بارهای با اینرسی بالا صحبت می‌کنیم، منظورمان بارهایی است که جلوگیری می‌کنند از افزایش سرعت و شتاب موتور و آنها را آرام آرام باید جابجا کرد.

گشتاور یا Torque
نیرویی گردشی که منجر به چرخش اجسام می‌شود.
در درایوهای AC و موتورها، گشتاور متناسب با جریانی که به آنها می‌دهیم تغییر می‌کند.
از درایوهایSLV، نمی‌توان برای کاربردهایی که دارای تغییرات ناگهانی بار هستند، استفاده کرد و
همچنین این درایوها توانایی در دست گرفتن موتور از حالت سکون و بدون سرعت اولیه را ندارند ولیکن از آنها برای اهداف معمولی و کارهای با اینرسی بالا می‌توان استفاده کرد.
کاربرد عمده درایوهای برداری بدون سنسور در اکسترودرها، کاغذ پیچ‌ها و خطوط تولید است.

۳- کنترل برداری حلقه بسته CLV
درایوهای فیدبک‌دار با سنسور، تنها درایوهای AC هستند که عملکردی مشابه با درایوهای DC دارند.
این درایوها، ولتاژ و جریان را با استفاده از فیدبک انکودر، نمایش می‌دهند.
از این فیدبک برای تنظیم شکل موج خروجی برای رسیدن به سرعت مطلوب استفاده می‌شود.

کاربرد انکودر Encoder
انکودر یک وسیله‌ی فیدبک‌دهنده است که یک سیگنالِ قطار پالسی را به دستگاه‌های دیگر برمی‌گرداند؛
تا با استفاده از آن، سرعت یک موتور یا یک دستگاه مکانیکی را دنبال کرده و کنترل کنیم.
در شکل زیر مکانیزم عملکرد انکودر را مشاهده می‌کنید.

 

به علت به کار گیری از فیدبک انکودر در درایوهای CLV، این درایوها توانایی کار کردن با بارهای با اینرسی بالا و سرعت‌های بالا را دارند.

این درایوها، خطای سرعتِ کمتر از ۱% داشته و در سرعت‌های مختلف از آنها می‌توانیم استفاده کنیم.
محدودیت‌های این درایوها در آن است که بایستی حتما کارت انکودر را داشته و همچنین فقط برای کنترل موتورها به کار برده می‌شوند.
از این درایوها برای کاربردهای سنگین مثل اسپیندل‌ها و تراش‌ها و اکسترودرها استفاده می‌شود.
این درایوها به شدت درحال رشد در صنایع پتروشیمی و صنایع درگیر با مواد شیمایی است.

درایو AC چگونه کار می‌کند:
ساختار درونی درایو AC به گونه‌ای است که این قابلیت را به درایو AC می‌دهد که ولتاژی ثابت با فرکانس ثابت را دریافت کند وآن را به برق سه فاز تبدیل کند تا بتوانیم برق سه فازی با ولتاژ و فرکانسِ مطلوبمان، به موتور بدهیم.
چهار مدل تبدیل برق بین برق AC و DC داریم:
AC to AC ترانس
AC to DC یکسوساز
DC to AC اینورتر
DC to DC کانورتر
درایو، ابتدا برق AC را با استفاده از یکسوساز (rectifier) به برق DC تبدیل می‌کند.
برقی که به ورودی درایو داده می‌شود می‌تواند تک فاز یا سه فاز باشد اما بایستی حتماً دارای ولتاژ و فرکانس ثابت باشد. (مثلا برق شهر، برق سه فاز با ولتاژ ۲۲۰ و فرکانس ۵۰ هرتز است)
سپس برق DC تولید شده در مرحله قبل، در بانک خازنی ذخیره می‌شود؛ سطح ولتاژ DC بسیار بالاست.
سپس با عبور این ولتاژ DC از یک مدار ترانزیستوری که به مدار IGBT مرسوم است، برق DC را به برق سه فازِ AC، اینورت می‌کند.(عملیات اینورتر) ولتاژ و فرکانس خروجی متناسب با نیاز ما قابل تغییر است و می‌توانیم آن را کاهش یا افزایش بدهیم.

یکسوساز Rectifier
اولین قسمت در ورودی درایو AC که برق AC را به DC تبدیل می‌کند. 

خازن Capacitor
خازن وسیله‌ای الکتریکی است که به منظور ذخیره سازی انرژی در یک میدان الکتریکی، استفاده می‌شود.
IGBT (Insulated Gate Bi-polar Transistors)
ترانزیسوترهای عایق‌بندی شده‌ای هستند که همانند سوئیچ‌های خیلی سریع عمل کرده و
خیلی سریع روشن و خاموش می‌شوند و شکل موج خروجی درایو AC را بالا و پایین برده و تغییر می‌دهند.

(Pulse Width Modulation) PWM
PWM یا مدولاسیون پالسی، فرآیندی است که با روشن و خاموش شدن خیلی سریع IGBTs، باعث می‌شود که ولتاژ DC به صورتِ شکل موج سینوسیِ AC در خروجی ظاهر شده و آن را به موتور به دهیم.

راکتور AC
راکتورهای خط AC، واسطه‌ها و کویل هایی هستند که انرژی را در میدان مغناطیسی کویل ذخیره کرده و با تغییرات جریان مخالفت می‌کنند.
راکتور خط AC(میدان مغناطیسی درون کویل) نرخ افزایش جریان را محدود کرده و از این رو هارمونیک‌ها (تغییرات و نوسانات) را کاهش می‌دهد و درایو را از نوسانات گذرای سیستم قدرت و خسارات ناگهانی محافظت می‌کند.
همچنین این کاهش نوسانات، ریپل جریان را در DC Bus کاهش داده و در نتیجه ماندگاری خازن‌ها را بیشتر می‌کند.
راکتورهای خط AC می‌توانند همانند بافر عمل کرده و مدار یکسوساز ورودی را از نوسانات گذرای برق و خرابی محفوظ دارند، این پیشگیری با سوئیچ کردن و روشن و خاموش کردن بارهای القایی دیگر و تغییر در دیگر موتورها اتفاق می‌افتد.
در کنار این مزیت‌های فراوان، تعدادی نکات منفی در مورد استفاده از راکتورها نیز وجود دارد؛ مثلا افزایش هزینه‌ها، نیاز به فضای بیشتر برای پنل‌ها و کاهش بهره‌وری.
در موارد نادر ممکن است از خط درایو در طرفِ خروجی درایو AC به منظور جبران کردنِ ظرفیت القاء مغناطیسی موتورها استفاده شود؛ البته این کار به علت بازدهی خوبی که از تکنولوژی IGBT در خروجی درایوها مشاهده شده است، معمولا نیاز نیست.

راکتور DC

راکتور DC، تغییرات جریان لحظه‌ای را محدود می‌کند. کاهش نرخ تغییرات، به درایو این اجازه را می‌دهد که خطرات پنهان و بالقوه را پیش از وقوع تشخیص داده و درایو متوقف شود.
راکتور DC معمولاً بین یکسوساز و بانک خازنی در درایوهای ACکه توان‌های بالاتر از kW ۷٫۵‌ دراند، قرار می‌گیرد. درایوهای DC معمولاً ارزان‌تر و و کوچکتر از درایوهای AC هستند.
راکتورهایDC، اگرچه خاصیت حفاظت بافری برای محافظت از یکسوساز ندارند اما از خراب‌شدن خازن‌ها تحت تاثیر نوسانات اضافی جریان و ریپل جریان، محافظت می‌کنند.

مقاومت ترمز Braking Resistor

بارهای با اینرسی زیاد و بارهای عمودی می‌توانند باعث شوند که موتور زمانی‌که در حال کم‌ کردن سرعت یا متوقف شدن است، به اصطلاح اور درایو overdrive کند.
اور درایو کردن موتور باعث می‌شود که موتور همانند ژنراتور عمل کند. ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌‌کند. وقتی که موتور همانند ژنراتور عمل کرده و ولتاژ تولید کند، ولتاژ تولیدی به DC Bus برمی‌گردد.
این توان اضافی باید به نحوی مدیریت شده و مصرف شود. از مقاومت‌ها بدین جهت استفاده می‌شود که خیلی سریع این توان اضافی را با تبدیل کردن به گرما مصرف کنند.
بدون استفاده از مقاومت‌‌ها، هر بار که اور درایو اتفاق می‌افتد، این امکان وجود دارد که درایو با خطای Over voltage (ولتاژ اضافیِ) بانک خازنی، از کار بیافتد.

VFD یکی از انواع درایو :

VFD در واقع مخفف عبارت Variable Frequency Drive یا همان درایو فرکانس متغیر است.
اینورتر ها برای راه اندازی موتور های) AC متناوب) در سرعت های متغیر استفاده می شوند.
علاوه بر این، اینورتر به موتور های AC این امکان را می دهد که سرعت خود را به صورت تدریجی افزایش دهند و راه اندازی نرم تری داشته باشند.

کاربرد اینورتر در کجاست:

امروزه استفاده از موتور الکتریکی اعم از سه فاز و تک فاز در اغلب پمپ های کشاورزی، آسانسور، خط تولید، کارخانه صنعتی و… که از تجهیزات اتوماسیون صنعتی استفاده می کنند دیده می شود و برای استفاده دقیق از آن و کنترل سرعت و گشتاورش به درایو صنعتی یا همان اینورتر نیاز هست.
در گذشته به دلیل ضعف های تکنولوژی و نبود قطعات الکترونیک صنعتی برای کنترل دور الکتروموتور ها مجبور بودیم از روش هایی مثل راه اندازی با مقاومت راه انداز، تغییر تسمه پولی، دالاندر و … استفاده کنیم، یکی از کاربرد اینورتر در کنترل دور الکتروموتور است.

کاربرد اینورتر صنعتی AC در صرفه‌ جویی انرژی

اگر ما الکتروموتور AC داریم که لازم نیست با سرعت کامل راه اندازی شوند، می‌ توانیم با کنترل موتور با درایو صنعتی یا اینورتر AC هزینه‌ های انرژی را به شدت کاهش دهیم. اینورتر های AC به ما این امکان را می‌ دهند تا سرعت تجهیزات موتور را با تجهیزات فرایند مطابقت دهیم.

کاربرد اینورتر در ایجاد گشتاور متغیر

بارهایی که به درایو های AC اعمال می‌ شود به دو گروه تقسیم می شود:
1- گشتاور ثابت
۲ – گشتاور متغیر
توانایی صرفه‌ جویی انرژی بارهای گشتاور متغیر، بسیار بیشتر از بارهای گشتاور ثابت است.
بارهای گشتاور ثابت شامل نوار نقاله ارتعاشی، پرس پانچ، سنگ شکن، ماشین ابزارها و کاربردهای دیگری هستند که در آنها درایو از نسبت ثابت V/F پیروی می‌کند یعنی به آن اندازه که فرکانس تغییر می کند به همان نسبت ولتاژ تغییر خواهد کرد.

کاربرد اینورتر در افزایش طول عمر تجهیزات و کاهش تعمیر و نگهداری

روش‌ های تک سرعتی موتور را به طور ناگهانی استارت می‌زنند و آن را در معرض گشتاور استارت بالا و نوسانات جریان قرار می‌دهند که تا ۱۰ برابر جریان بار کامل است. از سوی دیگر، اینورتر های AC به طور یکنواخت و تدریجی موتور را تا سرعت عملیاتی بالا می‌ برند تا موجب کاهش تنش مکانیکی و الکتریکی، کاهش هزینه‌ های تعمیر و نگهداری و افزایش عمر موتور و تجهیزات مربوطه شوند.
راه اندازهای نرم یا سافت استارترها قادر به افزایش سرعت موتور به طور تدریجی هستند، اما به دلیل ولت کنترل بودن تنها میتوانند جریان راه اندازی ۱۰ برابری را به ۵ برابر کاهش دهند اما در درایوها ما شاهد آن هستیم که جریان راه اندازی به ندرت بالاتر از جریان نامی موتور افزایش میابد و درایوها را می‌توان برنامه ‌نویسی کرد تا سرعت موتور را به طور بسیار تدریجی‌ تر و هموارتر بالا ببرند و می‌توانند موتور را با سرعتی کمتر از سرعت کامل به کار اندازند تا سایش و پارگی را کاهش دهند.
اینورتر های AC همچنین می‌توانند موتور را با الگوهای تخصصی به کار اندازند تا تنش مکانیکی و الکتریکی را به حداقل برسانند. به عنوان مثال، الگوی منحنی S را می‌توان به کاربرد نقاله اعمال کرد که موجب کنترل نرم‌ تر کاهش شتاب و افزایش شتاب می‌شود که باعث کاهش خلاصی می‌شود که می‌تواند هنگام افزایش یا کاهش شتاب نوار نقاله رخ دهد.
دلایل زیاد و مختلفی برای کاریرد اینورتر در صنعت وجود دارد. در برخی کاربردها از قبیل ماشین های کاغذ سازی نمی توانند بدون درایوها شروع به کار کنند، درحالی که در برخی کاربردهای دیگر مثل پمپ های سانتریفیوژ درایو ها می توانند به منظور (energy saving) صرفه جویی در انرژی بسیار مفید باشند.

به طور کلی، اینورتر ها به دلایل زیر استفاده می شوند:
• تطبیق سرعت اینورتر ها با نیازمندی فرآیند.
• تطبیق گشتاور اینورتر با نیازمندی فرآیند.
• صرفه جویی در انرژی و بهبود کارآیی.

چند نکته کلیدی در مورد مزایای استفاده از درایو :

استفاده از اینورتر به عنوان کنترل کننده دور موتورهای AC در کنار مزایای الکتریکی و مکانیکی که دارد موجب قابل کنترل شدن خروجی سیستم نیز می شود که یکی از مزایای آن کاهش مصرف انرژی به ازای کاهش خروجی (کاهش بار ) است.

مزایای استفاده از اینورتر:
۱٫ راه اندازی نرم و حذف جریان راه اندازی که در حالت ستاره-مثلث و یا استفاده از سافت استارتر چند برابر جریان نامی موتور می باشد و به شبکه و سیم کشی آسیب رسانده و موجب جریمه از طرف توزیع می گردد. همچنین در حالت راه اندازی نرم تنش های مکانیکی وارده به بخش های مختلف سیستم از جمله بلبرینگ های موتور و واحد هواساز نیز حذف و عمر قطعات افزایش و هزینه نگهداری کاهش می یابد.
۲٫ تامین توان راکتیو مورد نیاز موتور و عدم دریافت آن از شبکه (دیگر نیاز به بانک خازن برای جبران توان راکتیو نیست) = کاهش هزینه برق.
۳٫ اما اصلی ترین مزیت استفاده از اینورتر مخصوصا در پمپ و کمپرسورها، امکان کنترل خروجی با استفاده از کنترل سرعت موتور می باشد که می توان به هنگام کاهش خروجی ، سرعت موتور و به تبع آن جریان مصرفی موتور را کاهش و صرفه جویی انرژی کرد. در حالت استفاده از PID کنترل نیز سنکرون کردن انرژی الکتریکی ورودی با خروجی سیستم به صورت بسیار بهتری اتفاق افتاده و بیشترین انرژی سیوینگ روی می دهد. مثلا در سیستم کمپرسور که نیاز به فشار باد ثابتی است، پس از استارت دستگاه و رسیدن به فشار مورد نظر، موتور دیگر دائما در دور نامی نچرخیده بلکه بسته به میزان باد مصرفی سرعت خود را تغییر می دهد که در نتیجه هم مصرف انرژی کاهش می باید و هم عمر قطعات مکانیکی از جمله بلبرینگ ها، روغن و سایر قطعات مصرفی به جهت کار در سرعت های پایین افزایش می یابد.
پس با توجه به امکان کاهش توان مصرفی و افزایش عمر قطعات مصرفی، می توان کاهش هزینه ۳۰ الی ۵۰ درصدی در کاربردهای کمپرسور بدست آورد.

تفاوت اینورتر و درایو در چیست :

درایو صنعتی از چند اجزا تشکیل شده که در ابتدا برق ورودی که برق AC هست از طریق رکتیفایر یا همان یک سو کننده به برق DC تبدیل می شود. اینجاست که هر پارامتری را که تغییر می دهیم روی این ولتاژ یعنی ولتاژ DC اعمال می شود (باید اشاره کنم که به جز این دو بخش یعنی کانورتر و اینورتر، بخش های دیگری هم دارد) و از طریق اینورتر به ولتاژ AC تبدیل می شود. در حقیقت اینورتر بخشی از یک درایو محسوب می شود.
در نتیجه بجای این اینورتر بهتر است بگوییم درایو، ولی عموم افراد این تجهیز را اینورتر می نامند که اشتباه است.