1. مقدمه ای بر درایوهای AC (درایوهای فرکانس متغیر) در قلمرو کنترل صنعتی مدرن یک......
بیشتر بخوانیددرایو الکتریکی سیستمی است که از انرژی الکتریکی برای کنترل سرعت، گشتاور و جهت یک بار مکانیکی موتور رانده استفاده می کند. در اساسیترین سطح، یک درایو الکتریکی از سه عنصر اصلی تشکیل شده است: یک منبع نیرو، یک واحد تبدیل توان (مانند یک اینورتر فرکانس یا کنترلکننده موتور)، و یک موتور الکتریکی که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل میکند. سیستم محرک نحوه تحویل انرژی الکتریکی به موتور را کنترل می کند و امکان کنترل دقیق، کارآمد و پاسخگو بر خروجی را فراهم می کند - چه این خروجی چرخاندن تسمه نقاله، چرخاندن پروانه پمپ، شتاب دادن به وسیله نقلیه یا رانندگی با بازوی رباتیک باشد.
چیزی که یک درایو الکتریکی مدرن را از اتصال مستقیم موتور به منبع تغذیه متمایز می کند، هوشمندی تعبیه شده در واحد کنترل است. اتصال مستقیم موتور ولتاژ و فرکانس کامل را فوراً ارائه می دهد و به موتور چاره ای جز کار با یک سرعت ثابت و بدون توانایی تعدیل گشتاور یا تطبیق با شرایط بار متغیر نمی دهد. یک سیستم محرک الکتریکی یک کنترل کننده قابل برنامه ریزی را بین منبع تغذیه و موتور قرار می دهد، که امکان تنظیم بی درنگ ولتاژ، جریان و فرکانس را بر اساس سیگنال های بازخورد سنسورهای نظارت بر سرعت، بار، دما و موقعیت فراهم می کند. این قابلیت کنترل، مزیت تعیین کننده فناوری محرک الکتریکی نسبت به جایگزین های مکانیکی با سرعت ثابت است.
درک اینکه چه چیزی یک سیستم محرک الکتریکی را تشکیل می دهد برای هرکسی که یکی را مشخص، راه اندازی یا نگهداری می کند ضروری است. در حالی که معماری های خاص بسته به کاربرد متفاوت است، اکثر سیستم های محرک الکتریکی مجموعه مشترکی از اجزای عملکردی را به اشتراک می گذارند که با هم کار می کنند تا خروجی مکانیکی کنترل شده را ارائه دهند.
در سیستم های محرک الکتریکی AC، جریان متناوب ورودی از شبکه ابتدا توسط یک مدار یکسو کننده به جریان مستقیم تبدیل می شود. این مرحله باس DC انرژی را در خازن ها ذخیره می کند و یک ولتاژ میانی پایدار را فراهم می کند که مرحله اینورتر درایو می تواند سپس به شکل موج خروجی دقیق مورد نیاز موتور تعدیل کند. کیفیت این مرحله یکسوسازی مستقیماً بر ویژگی های اعوجاج هارمونیک درایو و سازگاری آن با شبکه برق تأثیر می گذارد. درایوهای الکتریکی با کارایی بالا دارای یکسو کنندههای فعال جلویی هستند که هم هارمونیکهای تزریق شده به منبع تغذیه را کاهش میدهند و هم ترمز احیاکننده را امکانپذیر میکنند - وقتی موتور کاهش سرعت مییابد، انرژی را به شبکه باز میگرداند.
اینورتر قلب سرعت متغیر است درایو الکتریکی . ولتاژ باس DC را می گیرد و از بانکی از ترانزیستورهای سوئیچینگ - معمولاً ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) - برای بازسازی یک خروجی AC با فرکانس متغیر و ولتاژ متغیر از طریق تکنیکی به نام مدولاسیون عرض پالس (PWM) استفاده می کند. با روشن و خاموش کردن سریع ترانزیستورها هزاران بار در ثانیه، درایو یک شکل موج AC صاف و قابل کنترل را تولید می کند که موتور آن را به عنوان منبع سینوسی واقعی تفسیر می کند. تغییر فرکانس خروجی باعث تغییر سرعت موتور می شود. تغییر ولتاژ خروجی متناسب با فرکانس، شار موتور و ظرفیت گشتاور را در محدوده سرعت ثابت نگه می دارد. فرکانس سوئیچینگ اینورتر PWM - معمولاً بین 2 کیلوهرتز و 16 کیلوهرتز - هم بر نویز شنیداری تولید شده توسط موتور و هم بر تلفات سوئیچینگ در خود درایو تأثیر می گذارد.
ریزپردازنده یا DSP (پردازنده سیگنال دیجیتال) در یک درایو الکتریکی، الگوریتم کنترلی را اجرا می کند که نقطه تنظیم سرعت یا گشتاور را به دستورات دقیق سوئیچینگ اینورتر تبدیل می کند. در درایوهای کنترلی اسکالر ساده تر (V/f)، پردازنده نسبت ولتاژ به فرکانس ثابت را حفظ می کند و نسبتاً آهسته به تغییرات بار پاسخ می دهد. در درایوهای کنترل بردار پیچیدهتر یا کنترل مستقیم گشتاور (DTC)، پردازنده به طور مداوم موقعیت و اندازه آنی شار مغناطیسی موتور و اجزای جریان تولید کننده گشتاور را محاسبه میکند و پاسخ زیر میلیثانیهای به تغییرات بار دینامیکی را ممکن میسازد. بازخورد به پردازنده از حسگرهای جریان در درایو و به صورت اختیاری از یک رمزگذار خارجی یا حل کننده نصب شده روی محور موتور برای اندازه گیری دقیق موقعیت و سرعت می آید.
موتور دستگاه خروجی سیستم محرک الکتریکی است که انرژی الکتریکی کنترل شده را از درایو به چرخش شفت مکانیکی تبدیل می کند. متداول ترین نوع موتور مورد استفاده با درایوهای الکتریکی با سرعت متغیر، موتور القایی سه فاز (که موتور ناهمزمان نیز نامیده می شود) است که قوی، کم تعمیر و نگهداری است و در طیف وسیعی از توان و اندازه های فریم موجود است. موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) به طور فزاینده ای در کاربردهای درایو الکتریکی صنعتی و خودرویی استفاده می شوند که در آن چگالی توان بالا، راندمان بالا در محدوده سرعت گسترده و اندازه فشرده اولویت هستند. موتورهای رلوکتانس سوئیچینگ و موتورهای سنکرون روتور پیچشی در کاربردهای تخصصی درایو الکتریکی با قدرت بالا یا محیط سخت استفاده می شود.
فناوری درایو الکتریکی چندین معماری سیستم متمایز را در بر می گیرد که هر کدام برای الزامات عملکرد، انواع موتور و محیط های کاربردی مختلف مناسب هستند. جدول زیر انواع اصلی درایوهای الکتریکی و ویژگی های کلیدی آنها را خلاصه می کند.
| نوع درایو | سازگاری موتور | روش کنترل | برنامه های کاربردی معمولی |
| درایو فرکانس متغیر (VFD) | القایی AC، PMSM | اسکالر V/f، کنترل برداری | پمپ ها، فن ها، نوار نقاله ها، HVAC |
| سروو درایو | PMSM، DC بدون جاروبک | بردار حلقه بسته، بازخورد رمزگذار | ماشین آلات CNC، رباتیک، بسته بندی |
| درایو DC | موتور DC برس | کنترل فاز تریستور/SCR | میراث صنعتی، جرثقیل، اکسترودر |
| استپر درایو | موتور پله ای | گام/جهت حلقه باز | چاپگرهای سه بعدی، پلاترها، موقعیت یابی کوچک |
| کشش درایو (EV) | PMSM، موتور القایی | کنترل میدان گرا (FOC) | وسایل نقلیه الکتریکی، دوچرخه های الکترونیکی، قطار |
| درایو احیا کننده | القایی AC، PMSM | قسمت جلویی فعال، چهار ربع | آسانسور، سکوهای آزمایش، توربین های بادی |
واحد محرک الکتریکی در یک وسیله نقلیه الکتریکی با باتری (BEV) یکی از حیاتی ترین و پیچیده ترین کاربردهای فن آوری درایو الکتریکی در حال حاضر است. یک سیستم محرک الکتریکی خودرو باید گشتاور صاف و لحظهای را از حالت سکون ارائه کند، توان خروجی بالا را برای دورههای طولانی حفظ کند، به طور موثر در محدوده سرعت بسیار زیاد عمل کند، چندین دهه از چرخه ارتعاش و دما دوام بیاورد، و در محدودیتهای بستهبندی بسیار تنگ قرار گیرد - همه به طور همزمان.
در خودروهای برقی با باتری، بسته باتری ولتاژ بالا (معمولاً 400 ولت یا 800 ولت) برق DC را به اینورتر کششی میرساند، که آن را به AC سه فاز در فرکانس و ولتاژ مورد نیاز برای تولید گشتاور فرمان راننده تبدیل میکند. اینورتر کششی از کنترل میدان گرا (FOC) برای تنظیم مستقل اجزای جریان تولید کننده و گشتاور در موتور استفاده می کند و امکان تحویل دقیق گشتاور را حتی در سرعت های بسیار پایین فراهم می کند. محور خروجی موتور به یک گیربکس کاهش سرعت تک سرعته متصل میشود – موتورهای الکتریکی گشتاور مفیدی را در محدوده سرعت بسیار وسیعی تولید میکنند و نیاز به انتقال چند سرعته را از بین میبرند – و از آنجا به چرخهای محرک از طریق دیفرانسیل یا، در برخی معماریها، از طریق موتورهای درون چرخ جداگانه.
یکی از مهمترین مزایای بهره وری انرژی سیستم های محرک الکتریکی در وسایل نقلیه، ترمز احیا کننده است. هنگامی که راننده پدال گاز را بلند می کند یا ترمز می گیرد، درایو کششی به موتور فرمان می دهد تا به عنوان یک ژنراتور عمل کند و انرژی جنبشی خودرو را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و آن را به باتری برگرداند. اینورتر در جریان انرژی معکوس عمل می کند، با موتور در حال حاضر گشتاور ترمز تولید می کند در حالی که به عنوان منبع الکتریکی عمل می کند. در چرخه های رانندگی شهری با شتاب و کاهش مکرر، ترمز احیا کننده می تواند 15% تا 25% از کل انرژی مصرف شده را بازیابی کند، که به طور قابل توجهی برد را در مقایسه با آنچه که با ترمز اصطکاکی به تنهایی به دست می آید افزایش می دهد.
وسایل نقلیه الکتریکی سطح ابتدایی معمولاً از یک واحد محرکه الکتریکی استفاده می کنند که در محور جلو یا عقب حرکت می کند. پیکربندی دو موتور - با یک واحد محرک در هر محور - قابلیت تمام چرخ محرک را فراهم می کند و به سیستم مدیریت خودرو اجازه می دهد تا به طور مستقل گشتاور را در هر محور برای کشش و دینامیک برتر کنترل کند. برخی از خودروهای برقی با کارایی بالا از سه یا حتی چهار واحد محرکه مجزا، یکی در هر چرخ، استفاده میکنند که بردار گشتاور را با درجهای از دقت امکانپذیر میسازد که هیچ سیستم دیفرانسیل مکانیکی نمیتواند با آن مطابقت کند. قابلیت کنترل مستقل هر واحد محرک الکتریکی یک مزیت اساسی است که پیشرانه های برقی شده نسبت به سیستم های مکانیکی معمولی دارند.
درایوهای الکتریکی صنعتی - عمدتاً درایوهای فرکانس متغیر که موتورهای القایی AC را کنترل می کنند - بخش قابل توجهی از مصرف برق صنعتی جهانی را تشکیل می دهند. طبق گزارش آژانس بینالمللی انرژی، سیستمهای موتور الکتریکی تقریباً 45 درصد از کل برق تولید شده در سراسر جهان را مصرف میکنند و اکثر این مصرف در محیطهای صنعتی است. جایگزینی استارتهای مستقیم با سرعت ثابت موتور با درایوهای الکتریکی با سرعت متغیر برخی از مقرونبهصرفهترین صرفهجوییهای انرژی موجود در عملیات صنعتی را ارائه میدهد.
برای بارهای گریز از مرکز - پمپ ها، فن ها، کمپرسورها و دمنده ها - رابطه بین سرعت موتور و مصرف برق از قوانین میل ترکیبی پیروی می کند: مصرف برق متناسب با مکعب نسبت سرعت است. این بدان معنی است که کاهش سرعت موتور پمپ از 100٪ به 80٪ سرعت کامل، مصرف برق آن را تقریباً به 51٪ از مقدار سرعت کامل آن (0.8³ = 0.512) کاهش می دهد. کاهش سرعت به 60 درصد، مصرف را به 22 درصد از سرعت کامل کاهش می دهد. در سیستم های پمپاژ و تهویه مطبوع که تقاضای جریان در طول روز یا سال متفاوت است، جایگزینی یک موتور با سرعت ثابت با یک درایو الکتریکی با سرعت متغیر می تواند مصرف انرژی را 30٪ تا 60٪ با دوره بازپرداخت اغلب کمتر از دو سال در تعرفه های معمول برق صنعتی کاهش دهد.
فراتر از صرفه جویی در انرژی، درایوهای الکتریکی با سرعت متغیر با حذف جریان هجومی زیاد و گشتاور ضربه ای مرتبط با راه اندازی مستقیم بر روی خط، از موتور و سیستم مکانیکی محرک محافظت می کنند. هنگامی که یک موتور مستقیماً بر روی خط راه اندازی می شود، شش تا ده برابر جریان بار کامل خود را در چند ثانیه اول می کشد و یک نوک گشتاور ضربه ای به سیستم مکانیکی اعمال می کند. با گذشت زمان، این شوک مکانیکی مکرر باعث خستگی کوپلینگ ها، گیربکس ها، تسمه های نقاله، اتصالات لوله ها و پروانه های پمپ می شود. شروع از طریق یک درایو الکتریکی - افزایش سریع سرعت در یک سطح شیب دار شتاب قابل برنامه ریزی - اوج جریان راه اندازی را به 100٪ تا 150٪ از جریان بار کامل کاهش می دهد و نوک گشتاور را به طور کامل حذف می کند و به طور قابل اندازه گیری طول عمر کل درایو را افزایش می دهد.
چه در حال انتخاب یک درایو با سرعت متغیر صنعتی برای کاربرد پمپ یا ارزیابی سیستم محرک الکتریکی در یک وسیله نقلیه باشید، مشخصات زیر مهمترین موارد برای درک و مطابقت با نیازهای برنامه شما هستند.
در بسیاری از کاربردهای تجهیزات صنعتی و سیار، سیستمهای محرک الکتریکی مستقیماً با جایگزینهای درایو هیدرولیک و مکانیکی رقابت میکنند. هر فناوری دارای نقاط قوت و ضعف واقعی است و انتخاب صحیح به خواسته های خاص برنامه بستگی دارد. مقایسه زیر تفاوتهای عملی کلیدی را نشان میدهد.
| معیارها | درایو الکتریکی | درایو هیدرولیک | درایو مکانیکی |
| کارایی | بالا (85-97%) | متوسط (60-80%) | بالا (نسبت ثابت) |
| قابلیت کنترل سرعت | عالی (محدوده وسیع) | خوب | محدود (ثابت یا پلکانی) |
| چگالی توان | بالا (PMSM) | خیلی بالا | متوسط |
| تعمیر و نگهداری | کم | بالا (درزگیر، مایع، فیلتر) | متوسط (lubrication, wear parts) |
| پاکیزگی | تمیز، بدون خطر مایعات | خطر نشت و آتش سوزی | تمیز |
| سطح نویز | کم to moderate | زیاد (صدای پمپ، سوپاپ) | متوسط |
| قابلیت کنترل از راه دور | عالی | متوسط | بیچاره |
حتی بهترین سیستم محرک الکتریکی در صورت نصب نادرست یا راه اندازی نادرست عملکرد ضعیفی دارد یا پیش از موعد از کار می افتد. نکات زیر حیاتی ترین ملاحظات نصب و راه اندازی برای درایوهای الکتریکی صنعتی را پوشش می دهد.
درایوهای الکتریکی در حین کار گرما تولید می کنند - عمدتاً از تلفات سوئیچینگ در IGBT های اینورتر و تلفات هدایت در مدار قدرت. بیشتر درایوها طوری طراحی شده اند که در محدوده دمای محیطی 0 تا 40 درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت تا 104 درجه فارنهایت) با جریان نامی کامل کار کنند. در دمای بالای 40 درجه سانتیگراد، درایو باید کاهش یابد - با جریان خروجی کاهش یافته - برای حفظ دمای قطعات داخلی در محدوده ایمن. اطمینان حاصل کنید که درایو در مکانی با گردش هوای مناسب نصب شده است، فاصله لازم در بالا و پایین دستگاه برای جریان هوای خنک کننده همانطور که در دفترچه راهنمای نصب سازنده مشخص شده است، و پانل کنترل یا محفظه دارای تهویه کافی یا خنک کننده هوای اجباری برای اتلاف گرمای کل درایوهای نصب شده باشد.
شکل موج خروجی PWM یک درایو الکتریکی با سرعت متغیر شامل اجزای ولتاژ فرکانس بالا است که می تواند باعث ایجاد مشکل در طول کابل های طولانی به موتور شود. اثرات انعکاس ولتاژ در کابل های موتور بلند (معمولاً بیش از 50 متر برای درایوهای بدون راکتورهای خروجی تعریف می شود) می تواند باعث ایجاد ولتاژ اوج در پایانه های موتور به طور قابل توجهی بالاتر از ولتاژ باس DC درایو شود و بر عایق سیم پیچ موتور فشار وارد کند. برای کابلهایی که بیش از حد اعلامشده توسط سازنده درایو هستند، بدون کاهش، یک راکتور خروجی (که به آن چوک موتور نیز میگویند) یا یک فیلتر dV/dt در خروجی درایو نصب کنید. علاوه بر این، اطمینان حاصل کنید که کابل موتور با صفحه متصل به زمین در هر دو انتهای درایو و موتور، غربال (محافظ) شده است و کابل موتور جدا از کابل های سیگنال و کنترل جهت به حداقل رساندن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هدایت می شود.
قبل از راه اندازی یک درایو الکتریکی برای اولین بار، اطلاعات پلاک موتور - ولتاژ نامی، جریان نامی، فرکانس نامی، سرعت نامی و ضریب قدرت موتور - را در مجموعه پارامترهای درایو وارد کنید. اکثر درایوهای مدرن شامل شناسایی خودکار موتور یا روال تنظیم خودکار هستند که موتور را از طریق یک توالی آزمایش کنترل شده اجرا می کند و ویژگی های الکتریکی واقعی موتور متصل را اندازه می گیرد و پارامترهای کنترل داخلی درایو را برای آن موتور خاص بهینه می کند. اجرای روال تنظیم خودکار قبل از راه اندازی سیستم به شدت توصیه می شود، به ویژه برای درایوهای کنترل برداری، زیرا به طور قابل توجهی دقت تنظیم سرعت و پاسخ گشتاور دینامیکی را در مقایسه با تکیه بر پارامترهای تخمینی موتور از روی پلاک به تنهایی بهبود می بخشد.
فناوری محرک الکتریکی به سرعت در چندین جبهه در حال پیشرفت است، که توسط برقی شدن حمل و نقل، افزایش اتوماسیون در صنعت و تلاش جهانی برای کاهش مصرف انرژی و انتشار کربن هدایت می شود. چندین پیشرفت کلیدی در حال شکل دادن به نسل بعدی سیستم های محرک الکتریکی هستند.