مدهای کنترلی درایو

مدهای کنترلی درایو

 

مدهای کنترلی درایو

 

روش های کنترلی که برای الکتروموتور ها توسط درایو های فرکانس متغیر یا همان VFD ها استفاده می شود، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد، کیفیت، کارایی و حتی هزینه های پروژه دارد. هنگامی که مهندسین ویژگی ها و محدودیت های هریک از مدهای کنترلی درایو را به درستی درک کنند، قادر خواهند بود تا بهترین گزینه را برای کنترل الکتروموتور ها انتخاب کنند.

 

در مقالات “درایو چیست؟” و “نصب و راه اندازی درایو” به ساختمان درایو، الکتروموتور و نکات و ملاحظات الکتریکی در نصب و راه اندازی VFD ها پرداختیم. در این مقاله قصد داریم به بررسی انواع مدهای کنترلی درایو و ویژگی ها و عملکرد آنها در کنترل و بهربرداری از درایوها بپردازیم.

 

 

انتخاب روش کنترلی مناسب برای راه اندازی الکتروموتور باعث می شود در حالی که موتور از نظر گشتاور، راندمان و بازدهی در بالاترین حالت ممکن قرار دارد در عین حال کمترین استهلاک و خرابی را داشته و همچنین از لحاظ مصرف انرژی نیز در بهترین حالت قرار داشته باشد.

 

 

انتخاب روش کنترلی VFD ها تا حد زیادی به کاربرد بستگی دارد. تقریباً تمام تولیدکنندگان VFD محصولاتشان را برای کاربردها و کلاس های مختلف ارائه می دهند.

 

یک VFD سبک کار و ساده ممکن است برای یک پروژه عمومی کافی باشد، بنابراین در این موارد، انتخاب ساده است. در عین حال در پروژه های سنگین کار و تخصصی تر، درایوهای پیشرفته تر و با قابلیت های بالاتر و تخصصی تری و با پشتیبانی انواع مدهای کنترلی درایو ارائه می شوند.

 

 

چهار نوع روش اصلی کنترل موتور برای موتورهای القایی متصل به VFD وجود دارد که هر یک از آنها را می توان برای دستیابی به اهداف مورد نظر به کارگرفت :

انواع مدهای کنترلی درایو

  • V / f (volts per Hz)
  • V / f with encoder
  • open loop vector
  • closed loop vector

همه ی روش ها و در واقع مدهای کنترلی درایو فوق از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) استفاده می کنند، روشی که با ایجاد تغییر در مدت زمان ON/OFF بودن پالس، برای ایجاد سیگنال آنالوگ متغیر، عرض پالس خروجی در آنها تغییر می کند.

 

 

الکتروموتورها با استفاده از مدولاسیون عرض پالس کنترل می شوند. در این فرآیند، فرکانس حامل (نشان داده شده با رنگ آبی)، فرکانس سوئیچینگ IGBT ها است. فرکانس حامل یا Carrier frequency معمولاً از 2 تا 16 کیلوهرتز می باشد.

 

مرجع فرکانس (به رنگ قرمز) سیگنال نمونه برداری شده از ولتاژ ورودی درایو است که برای تولید شکل موج سینوسی در خروجی درایو مورد استفاده قرار می گیرد مقدار این سیگنال که در برد کنترلی درایو مورد استفاده قرار می گیرد معمولا در محدوده ی 0-5 ولت می باشد.

 

درایو از همپوشانی دو شکل موج و از نقاط تقاطع دو منحنی برای مدولاسیون پالس های خروجی (به رنگ سیاه) و تولید سیگنال فرمان IGBT های طبقه خروجی درایو استفاده می کند.

 

     1- مد کنترلی V/f control) – V/f)

 

روش V/F ساده ترین روش کنترل الکتروموتورها است. کنترل V/F از نسبت بین ولتاژ و فرکانس به جهت ایجاد شار عملیاتی برای تأمین گشتاور موتور استفاده می کند. بنابراین اگر می خواهیم با روش V/F دور موتور را کنترل کنیم، باید فرکانس اعمال شده را تغییر دهیم.

 

 

با این حال، اگر ما موفق به تغییر فرکانس شویم، باید از ولتاژ نیز مراقبت کنیم، زیرا جریان مغناطیسی در استاتور به انتگرال ولتاژ در طول زمان بستگی دارد. در روش V/F به منظور حفظ شار بهینه در موتور، یک رابطه خطی بین ولتاژ و فرکانس برقرار می باشد در واقع با کاهش فرکانس از مقدار اسمی، ولتاژ نیز متناسب با آن کاهش می یابد.

 

با حفظ نسبت ولتاژ و فرکانس است که درایو می تواند سرعت موتور را کنترل کند و به طور معمول، در درایو ها بلوک اندازه گیری جریان، جریان موتور را کنترل می کند و هنگامی که جریان موتور بیش از مقدار مجاز باشد، فرکانس Command را تغییر می دهد.

 

بلوک V/F دستور جاری را به نسبت فرکانس / ولتاژ تبدیل می کند. این فرمان، اندازه ولتاژ را به بلوک کنترل ولتاژ می دهد و سپس این بلوک زاویه ولتاژ را با توجه به جریان در جایی که باید باشد نشان می دهد.

 

این کار مقدار شار موتور را تعیین می کند و اگر این زاویه نامناسب باشد، موتور نمی تواند عملکرد درستی داشته باشد و بی ثبات عمل می کند.

 

از آنجا که اندازه زاویه در حالت V/F کنترل نمی شود، باعث می شود تا موتور در سرعت های کم ناپایدار عمل کند.

 

شکل زیر دیاگرام سیستم کنترل (ساده شده) درایو در مد V/f را نشان می دهد.

 

 

الگوهای مختلف V / f به VFD ها اجازه می دهد تا چندین موتور مختلف را کنترل کنند در عین حال عملکرد بهینه را نیز برای هر کدام از آنها حفظ کنند.

 

یک VFD می تواند همزمان فقط یک الگوی V / f را اجرا کند. منحنی V/F، تعیین می کند چه ولتاژی بر اساس سورس فرکانس تعیین شده به موتور وارد شود.

 

اپراتورها می توانند الگوهای V / f از پیش تعیین شده را در VFD ها با استفاده از پارامتر مربوطه انتخاب کنند. الگوهای از پیش تعیین شده برای کاربری های خاص مانند فن و پمپ ها بهینه شده اند. کاربردهایی همچون فن و پمپ ها، بارهای گشتاور متغیر هستند و بکارگیری الگوی V / f برای کنترل بارهای گشتاور متغیر بهترین انتخاب است و همچنین از بروز خطا در عملکرد درایو جلوگیری کرده و درعین حال راندمان الکتروموتور را نیز افزایش می دهد.

 

کنترل به روش V/F در کاربری های فرکانس بالا (1000 هرتز یا بالاتر) که نیاز به گشتاور راه اندازی بالایی ندارند مانند برخی ماشین آلات ریسندگی، فن ها و اسپیندل موتورها و… مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این روش تنها روش کنترلی است که اجازه می دهد چندین موتور با یک VFD واحد کار کنند و اگر همه موتورها نیاز به توقف و روشن شدن همزمان داشته باشند و از یک رفرنس سرعت نیز پیروی کنند، باید از این روش کنترلی استفاده شود.

 

محدودیت های روش کنترلی V/F

 

در روش V/F، هیچ فیدبکی از چرخش شفت موتور وجود ندارد. بعلاوه، گشتاور راه اندازی موتور به 150٪ گشتاور نامی آن در 3 هرتز محدود می شود. گشتاور شروع محدود برای بسیاری از کاربردهای گشتاور متغیر کافی است. در واقع، در اکثر فن و پمپ های گشتاور متغیر از کنترل V / f استفاده می شود.

 

معمولا تنظیم سرعت در روش V/F در محدوده 2 تا 3 درصد حداکثر فرکانس نامی است، بنابراین این روش برای برنامه هایی که کنترل دقیق سرعت بسیار مهم است مناسب نمی باشد.

 

 لازم به ذکر است که VFD در این مود در هر زمان نسبت V / F را حفظ می کند. به عنوان مثال ، یک موتور 380 ولت، 50 هرتز نسبت ولتاژ به فرکانس 7.6 را دریافت می کند (380/50). در واقع هنگامی که از طریق درایو در روش  V/F فرکانس را تغییر می دهیم، ولتاژ خروجی نیز تغییر می کند تا نسبت مورد نظر را ثابت نگه دارد. برای مثال در 25 هرتز، 190ولت در خروجی درایو مشاهده می شود.

 

در اکثر کاربری ها، تا زمانی که درایو در محدوده 5-50 هرتز (دامنه سرعت 10: 1) کار کند، موتور عملکرد قابل قبولی دارد. اما در فرکانس های کمتر از 5 هرتز، موتور نمی تواند گشتاور زیادی ایجاد کند، زیرا در سرعت های پایین، نسبت V / F نمی تواند گشتاور بالایی ایجاد کند در واقع چون ولتاژ به همان نسبت کاهش داشته است و اگر باری روی شفت باشد، اصطلاحا موتور زیر بار می ماند. در چنین مواقعی( فرکانس های پایین و زیر 5 هرتز) میتوان به راحتی شفت موتور را با دست متوقف کرد!

 

یک ویژگی اضافی در درایوهای جدید، بلوک “جبرانگر لغزش” است که در هر درایو پارامتر مخصوص خودش را دارد.

وظیفه بلوک جبرانگر لغزش آن است که با تغییر بار، مرجع فرکانس را تغییر می دهد تا سرعت واقعی موتور را به سرعت مورد نظر نزدیک کند و کنترل سرعت را بهبود ببخشد. به گونه ای که اگر سرعت کمتر از مقدار فرکانس اعمالی به موتور باشد باید این کمیت را افزایش دهیم و اگر سرعت بیشتر از فرکانس اعمالی به موتور باشد، باید این کمیت را کاهش دهیم.

اگرچه این نوع کنترل برای بسیاری از کاربری ها مناسب است، اما برای کاربری هایی که به عملکرد دینامیکی بالاتری نیاز دارند و موتور با سرعت بسیار کمی کار می کند و به کنترل مستقیم گشتاور موتور (و نه فرکانس موتور) نیاز دارند، مناسب نیست.

 

     2- مد کنترلی V/f با انکودر – (V/f with encoder)

 

اگر پروژه ای به تنظیم دقیق تر سرعت، همراه با قابلیت اجرا در فرکانس بالاتر نیاز داشته باشد، می توان یک انکودر به مد کنترلی V / f اضافه کرد. فیدبک انکودر، تنظیم سرعت را به 0.03٪ حداکثر فرکانس کاهش می دهد اما ولتاژ خروجی کماکان توسط الگوی انتخابی V / f به موتور تغذیه می شود.

 

این مد کنترلی نسبت به سایر مدهای کنترلی درایو مورد استفاده در صنعت معمول و مرسوم نیست زیرا هزینه های انکودر و کارت انکودر را به سیستم تحمیل کرده و مزایای این روش نسبت به کنترل استاندارد V / f بسیار کمتر می باشد زیرا تمامی ویژگی و محدودیت ها همچون گشتاور راه اندازی پایین، عملکرد ضعیف در فرکانس های پایین و … دقیقا مشابه روش کنترلی V/F است و تنها مزیتی که به سیستم اضافه خواهد شد همان فیدبکی است که از شفت الکتروموتور در اختیار خواهد بود.

 

     3- مد کنترلی وکتور حلقه باز – (Open-loop vector control)

 

با وجود ویژگی های مثبت و کاربردهای زیاد مد V/F در صنعت، اما محدودیت های ذکر شده برای این مد که در بالا به آن اشاره شد باعث شد تا تولیدکنندگان درایو، روش کنترلی جدیدی ارائه دهند که علاوه بر جبران نواقص قبلی، مزیت های زیادی نیز نسبت به روش کنترلی قبلی داشته باشد. به این ترتیب که جریان مغناطیسی (جریان تولید کننده شار را که توسط ولتاژ اعمال شده تشکیل می شود) را اندازه گیری کرده و ولتاژ خروجی را بر این اساس تنظیم کنند و برای کنترل دقیق تر، به خصوص در سرعت های پایین، جریان های تولید شار و گشتاور را به صورت Real Time اندازه گیری کرده و کنترل کنند.

 

بنابراین زمانی که شفت موتور تحت تاثیر ولتاژهای اعمال شده هر فاز، به چرخش در می آید، موقعیت، زاویه و مقدار این جریان ها مهم بوده و به عبارت دیگر مقادیر و محاسبات به صورت برداری انجام خواهند شد.

 

بنابراین اکنون، به جای استفاده از درایو به عنوان تولید کننده ولتاژ و فرکانس مشخص در یک Set point  خاص، سعی می کنیم شار و گشتاور موتور را مستقیماً کنترل کرده و آن کنترل را به طور مداوم مورد بازبینی قرار دهیم تا به نقطه تنظیم مورد نظر خود برسیم.

 

شکل زیر دیاگرام سیستم کنترل (ساده شده) درایو در مد وکتور را نشان می دهد.

 

 

از شکل بالا مشاهده می شود که Set point دریافت شده از کاربر به یک سرعت و سپس گشتاور مطلوب تبدیل شده و درنهایت به شار مورد نیاز که بخشی از سیستم کنترل برداری است تبدیل می شود.

 

برای تحقق موارد بالا، نیاز به تعداد زیادی از معادلات ریاضی پیچیده و همچنین اندازه گیری و محاسبه دقیق جریان است که توسط ریزپردازنده قدرتمند برد کنترلی درایو انجام می شود.

 

اگر دیاگرام کنترلی مربوط به V/F را با دیاگرام کنترلی مد وکتور مقایسه کنید درمی یابید که دیاگرام کنترلی مد وکتور بسیار پیچیده تر از V/F است.

 

VFD ها در حالت SVC (Sensorless vector control) عملا بدون سنسور نیستند. در واقع آنها فقط سنسور اکسترنال ندارند تا از موقعیت شفت موتور فیدبک دریافت کنند. و در این حالت فیدبک جریان از طریق (CTهای جریان) ترانسفورماتورهای جریان داخل VFD اندازه گیری می شود. اندازه گیری جریان از این طریق تقاضای گشتاور و شار مورد نیاز موتور را برای درایو تعیین می کند و در نتیجه کنترل دقیق و بهینه موتور را در دستور کار درایو قرار می دهد.

 

در کاربری های سنگین و دارای گشتاور راه اندازی بالا که حرکت پیوسته و بدون لرزش موتور مد نظر است و در عین حال بحث موقعیت و کنترل پوزیشن مطرح نیست، SVC می تواند بهترین پیشنهاد باشد.

 

الکتروموتور ها در مد SVC در مقایسه با مد V/F، گشتاور راه اندازی بالاتر، کنترل سرعت دقیق تر را تحت بارهای مختلف و پاسخ سریع به تغییرات ناگهانی بار را دارند. تنظیم سرعت در روش SVC در محدوده +/-0.2% درصد حداکثر فرکانس نامی است و امکان کار با سرعت بسیارکم (0.1هرتز) و بدون کاهش گشتاور را فراهم می کند بنابراین این روش برای برنامه هایی که کنترل دقیق سرعت بسیار مهم است فوق العاده مناسب می باشد. همچنین در مد SVC الکتروموتور امکان تولید 200٪ گشتاور نامی خود را در فرکانس 0.3 هرتز دارا می باشد.

 

نکته حائز اهمیت در استفاده از این روش کنترلی آن است که برای دستیابی به بهینه ترین عملکرد الکتروموتور، درایو حتما باید Auto-Tuning شود تا پارامتر هایی نظیر مقاومت روتور، مقاومت استاتور، جریان بی باری، اندوکتانس مغناطیس شوندگی و… جهت انجام محاسبات و اندازه گیری ها پارامترهای کنترلی به دست آیند.

 

محدودیت SVC در مقایسه با مد V/F آن است که به دلیل کنترل جریان موتور و محاسبات برداری گشتاور و شار فقط یک موتور به VFD در حالت RUN می تواند متصل باشد.

 

 

 

 

     4- مد کنترلی وکتور حلقه بسته – (Closed loop vector control)

 

تمامی توضیحات قسمت قبل یعنی وکتور حلقه باز برای این قسمت نیز صادق است. تفاوت اصلی آن است که در وکتور حلقه بسته از انکودر استفاده شده و فیدبک از شفت موتور نیز در اختیار می باشد.

 

دراین حالت و با استفاده از انکودر، 200٪ گشتاور نامی در سرعت 0 ( صفرRPM) در دسترس خواهد بود. به علاوه اینکه در صورت پشتیبانی درایو از پوزیشن کنترل، میتوان مد پوزیشن کنترل را نیز به اجرا گذاشته و مشابه سروو موتور، کنترل موقعیت نیز داشت. در این حالت و با استفاده از این قابلیت می توان همانند سرو موتور، در سرعت 0، عمل Servo on را به اجرا گذاشته و شفت موتور را قفل نگهداشت. از قابلیت نگهداشتن شفت در فرکانس 0 می توان در چرثقیل ها، بالابرها، آسانسورها و… بهره جست. همچنین میتوان توسط این مد بسیاری از پروژه های سنکرون سازی چند موتور را با نهایت دقت و سرعت به اجرا گذاشت.

 

فیدبک انکودر امکان پاسخگویی به سرعت بیش از 50 هرتز و دامنه کنترل سرعت 1: 1500 (0.033هرتز) را به کاربر می دهد. همچنین در حالت وکتور حلقه بسته امکان کنترل مستقیم گشتاور و انجام کارهایی از قبیل Tension control در صنایع ریسندگی و دستگاه های وایندر ذوب ریسی، در صنایع چاپ و بسته بندی، صنایع تولید کاغذ و وایندرهای کاغذ و… می باشد.

 

 

در پایان امیدواریم از این مقاله بهره کافی را برده باشید.

واحد آموزش –  گروه صنعتی نوین کنترل

ارسال نظر

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

پروژه ها


دستگاه های مولتی دریل
دستگاه های وایندر
خطوط ذوب ریسی
خطوط تولید استرچ متال
دستگاه های پاساژ
سیستم های بوستر پمپ

اطلاعات تماس


ساعات کاری


شنبه
8:00 تا 16:00
یک شنبه
8:00 تا 16:00
دو شنبه
8:00 تا 16:00
سه شنبه
8:00 تا 16:00
چهار شنبه
8:00 تا 16:00
پنج شنبه
8:00 تا 14:00
جمعه
تعطیل

درباره ما


گروه صنعتی نوین کنترل با بهرمندی از هسته مهندسی در زمینه مشاوره، طراحی، ساخت و اجرای سیستم های برق قدرت،اتوماسیون صنعتی و ابزاردقیق فعالیت می کند.

ایمیل:NovinControl.Co@yahoo.com

تلفن: 55239280-9831+

پروژه ها


دستگاه های مولتی دریل
دستگاه های وایندر
خطوط ذوب ریسی
خطوط تولید استرچ متال
دستگاه های پاساژ
سیستم های بوستر پمپ

تمامی حقوق مادی و معنوی این سایت برای گروه صنعتی نوین کنترل محفوظ می باشد.

error: Content is protected !!