درایو چیست و چرا به آن نیاز داریم؟

موتور سه فاز کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد تا آنجا که افزایش بهره وری و کنترل دقیق عملکرد موتورها، یک از چالش های مهم صنایع است. تنها راهکار عملیاتی غلبه بر این چالش، استفاده از درایو فرکانس متغیر است.

درایو یا VFD یک دستگاه الکترونیکی است که قادر است سرعت موتور را با دقت بالا کنترل کند. این دستگاه با کنترل مشخصات ولتاژ تغذیه، عملکرد موتور را کنترل می کند. کنترل عملکرد پمپ، فن، نوار نقاله و سایر ماشین آلاتی که از موتور استفاده می کنند به کمک آن امکانپذیر است.

VFD چالش های شروع و توقف ناگهانی موتور را نیز برطرف می کند. چنانچه موتور پس از راه اندازی با سرعت ثابت به کار ادامه می دهد، سافت استارتر انتخاب بهتری است. درایوها علاوه بر کنترل و رفع چالش های راه اندازی، در برابر برخی خطاها نیز از موتور محافظت می کنند. با بررسی بیشتر این دستگاه و ضرورت استفاده از آن همراه من باشید.

مقدمه ای بر کنترل و راه اندازی موتور الکتریکی

موتور القایی سه فاز، کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد. راه اندازی و هدایت بارهای مکانیکی به وسیله موتور انجام می شود. موتور انرژی الکتریکی را به مکانیکی تبدیل می کند. در کنار کاربرد گسترده و کلیدی، موتورها یک چالش بزرگ نیز دارند! راه اندازی موتور سه فاز با کشیده شدن جریانی بزرگ از شبکه همراه است که جریان هجومی نام دارد.

جریان راه اندازی بالا مشکلات جدی از جمله کاهش ولتاژ خط را ایجاد می کند. افت ولتاژ عملکرد همه وسایل متصل به خط را تحت تاثیر قرار می دهد. علاوه بر این شروع به کار ناگهانی موتور تنش های مکانیکی شدیدی ایجاد می کند. این تنش روی بخش های متحرک سیستم تاثیرات نامطلوبی دارد.

به منظور رفع چالش های راه اندازی موتور سه فاز، روش های مختلفی پیشنهاد شده است. این روش ها با تکنیک های مختلف جریان راه ‌اندازی موتور را محدود و تنش های مکانیکی را کاهش می دهند. موتور القایی سه فاز را به روش های زیر می توان راه اندازی کرد:

راه اندازی مستقیم (D.O.L)
راه اندازی به روش ستاره – مثلث (Star-Delta)
راه اندازی موتور با سافت استارتر
راه اندازی موتور با درایو فرکانس متغیر (VFD)

روش های راه اندازی مستقیم و ستاره مثلث در توان های پایین استفاده می شوند. کنتاکتور و تجهیزات حفاظتی از جمله بیمتال و کلید حرارتی در این روش ها مورد استفاده قرار می گیرند.

درایو چیست؟

VFD یک دستگاه الکترونیکی است که با تکنیک تغییر فرکانس ولتاژ تغذیه، عملکرد موتور الکتریکی را کنترل می کند. اساس کار این تجهیزات تبدیل ولتاژ AC ورودی به ولتاژ DC و تولید یک ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم جهت اعمال به موتور است. این دستگاه با عناوین مختلفی در بازار شناخته می شوند. از جمله اسامی دیگر VFD می توان به موارد زیر اشاره کرد:

درایو AC
درایو فرکانس قابل تنظیم (AFD)
درایو سرعت متغیر (VSD)
درایو سرعت قابل تنظیم (ASD)
اینورتر AC

VFD چگونه کار می کند؟

این دستگاه از تکنیک تغییر فرکانس و ولتاژ برای کنترل عملکرد موتور استفاده می کنند. با تنظیم صحیح پارامترهای عملیاتی، VFD قادر است سرعت و گشتاور موتور را با دقت بالا کنترل کند. کنترل دقیق عملکرد سبب صرفه جویی در مصرف انرژی، بهبود کنترل فرآیند و کاهش سایش و پارگی قطعات مکانیکی می شود.

عملکرد درایو فرکانس متغیر را می توان به دو مرحله تقسیم کرد. در گام اول با استفاده از مدار یکسوساز، ولتاژ AC ورودی به برق DC تبدیل می شود. در گام دوم برق DC تولید شده وارد اینورتر شده و یک ولتاژ AC ثانویه تولید و به موتور متصل می شود.

مشخصات عملیاتی ولتاژ اعمال شده به موتور از جمله ولتاژ، فرکانس و جریان توسط مدار کنترل VFD تنظیم می شود. نیارهای پروژه و تنظیمات انجام شده توسط کاربر تعیین کننده مقادیر پارامترهای عملیاتی ولتاژ اعمال شده به موتور است. کنترل پارامترهای عملیاتی امکان کنترل دقیق عملکرد موتور را فراهم می کند.

سافت استارترها نیز قادر به رفع چالش های راه اندازی و توقف موتور هستند. با این وجود مهمترین تفاوت در مقایسه سافت استارتر و درایو، عدم امکان کنترل عملکرد موتور توسط سافت استارتر است.

چرا به درایو نیاز داریم؟

اگر مزایای استفاده از VFD در صنایع مختلف را بیان کنیم، ضرورت استفاده از آن نمایان می شود. اصلی ترین دلیل استفاده از این دستگاه، مزایای ویژه و متفاوت آن است. بسته به صنعت و نوع کاربرد مزایای متفاوتی را می توان برای درایو فرکانس متغیر بیان کرد. مهمترین مزایای استفاده از VFD را می توان در موارد زیر خلاصه کرد:

کاهش هزینه و افزایش بهره وری

موتورها در لحظه شروع به کار جریان زیادی از شبکه می کشند. این شرایط به ویژه در کاربردهایی که به راه اندازی های مداوم موتور الکتریکی نیاز دارند، سبب افزایش مصرف انرژی می شود. تنظیم سرعت موتور متناسب با کاربرد مورد نظر با استفاده از ساختارهای مکانیکی (جعبه دنده) انجام می شود. این ساختارها علاوه بر هزینه اولیه تولید، هزینه تعمیر و نگهداری بالایی دارند.

VFD بدون نیاز به تجهیزات مکانیکی جانبی، سرعت موتور را با دقت بالا تنظیم می کند. علاوه بر این تضمین می کند که موتور با سرعت بهینه و متناسب با بار به فعالیت خود ادامه دهد. در نتیجه صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی انجام می شود.

این دستگاه با کاهش جریان هجومی ناشی از راه اندازی موتور نیز مصرف انرژی را کاهش می دهد. کاهش مصرف انرژی منجر به کاهش هزینه انرژی می شود. از سوی دیگر عملکرد موتور در حالت بهینه، افزایش طول عمر تجهیزات و کاهش آسیب به قطعات مکانیکی را به همراه دارد.

افزایش کیفیت محصول

کنترل دقیق سرعت موتور توسط VFD، امکان تنظیم دقیق فرآیندها و عملکرد بخش های مختلف سیستم را فراهم می کند. افزایش دقت اجرای فرآیندها، کیفیت محصول نهایی را افزایش می دهد. توجه کنید که درایوها قابلیت های کنترلی متفاوتی دارند. انتخاب گزینه درست نقش موثری در بهبود اجرای فرآیندها و در نتیجه کیفیت محصول دارد.

افزایش طول عمر تجهیزات

جریان هجومی موتورها در زمان راه اندازی سبب کاهش ولتاژ خط و آسیب دیدن سایر تجهیزات متصل به شبکه می شود. علاوه بر این تنش های مکانیکی شدید ناشی از شروع به کار و توقف موتور بخش های مکانیکی سیستم را در معرض آسیب قرار می دهد.

آسیب دیدن تجهیزات طول عمر آن ها را کاهش می دهد. با استفاده از VFD و در نتیجه راه اندازی نرم موتور، جریان هجومی و تنش های مکانیکی کاهش و طول عمر تجهیزات افزایش می یابد. کاهش سایش و پارگی تسمه ها و افزایش طول عمر مفید آن ها از دیگر مزایای استفاده از این دستگاه است.

روش های کنترل موتور

تفاوت ساختار و عملکرد موتورها سبب ایجاد تغییر در روش کنترل آن ها می شود. درایو از حالت‌های کنترل (یا الگوریتم‌های) متفاوتی برای تعدیل ولتاژ موتور استفاده می کند. هر الگوریتم برای نوع خاصی از کاربردها مناسب است. الگوریتم کنترل v/f و کنترل برداری بیشترین کاربرد را در بین VFDهای مختلف دارند. در ادامه هر کدام از این الگوریتم ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

الگوریتم V/f یا نسبت ثابت ولتاژ و فرکانس

این الگوریتم ساده‌ترین و رایج‌ترین روش کنترلی است که در VFD استفاده می‌شود. تنظیم عملیات با این الگوریتم به پارامترهای کمتری نیاز دارد. در بسیاری از موارد برنامه‌های اصلی به کمک تنظیمات پیش‌فرض اجرا می شوند. از جمله تنظیمات عملیاتی این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

گشتاور راه اندازی بالا
حالت فن و پمپ
منحنی قدرت 1.5
منحنی مربع

روش کنترلی V/f به کمک انکودر از موتور فیدبک می گیرد. این فیدبک به VFD کمک می کند محاسبات اضافی انجام دهد و کنترل سرعت را با دقت بهتری انجام دهد.

کنترل برداری

در روش کنترل برداری VFD با استفاده از پارامترهای عملیاتی موتور مانند راندمان، لغزش و ضریب قدرت، عملکرد کنترلی بهتری را ارائه می کند. این روش محاسبات لازم برای تعیین گشتاور و کنترل دقیق موتور را با استفاده از پارامترهای زیادی انجام می دهد. استفاده از روش کنترل برداری دقت کنترل موتور را افزایش می دهد.

بسیاری از کاربردها به کنترل گشتاور بیشتر از کنترل سرعت نیاز دارند. در این کاربردها استفاده از الگوریتم کنترل برداری درایو ضروری است. از جمله کاربردهای این روش می توان به زمانی که موتور نیاز به نگه داشتن بار دارد، مانند جرثقیل ها و آسانسور اشاره کرد.

در جدول زیر پارامترهای کلیدی الگوریتم کنترل برداری و v/f مقایسه شده اند:

مورد مقایسه	الگوریتم v/f	کنترل برداری
فیدبک	نیاز به انکودر	–
تنظیم خودکار	–	ضروری (جهت بهبود کارایی)
گشتاور راه اندازی	150 درصد در 3 هرتز	200 درصد در 0.3 هرتز
پیکره بندی	راحت	پیچیده
کارایی	2-3% ± of max. speed	0.03% ±of max. speed
حداکثر فرکانس	400 هرتز	600 هرتز

راهنمای انتخاب درایو

پس از آشنایی با عملکرد، مزایا و کاربردهای VFD به بررسی پارامترهای عملیاتی مهم در انتخاب درایو می پردازیم. استفاده از دستگاه نامناسب چالش های مهمی را برای سیستم به ارمغان می آورد. به بیان دیگر بهره مندی از مزایای VFD در سایه استفاده از گزینه مناسب حاصل می شود.

انتخاب VFD مناسب از بین گزینه های موجود کار سختی نیست. کافی است چند پارامتر کلیدی مهم را مرو د ارزیابی قرار دهید:

نوع و مشخصات بار
جریان بار کامل موتور(FLC)
ولتاژ ورودی و خروجی (سه فاز یا درایو تکفاز به سه فاز)
مدهای کنترلی مورد نیاز
قابلیت برنامه ریزی و اتصال به شبکه
قابلیت های حفاظتی
شرایط محیطی محل استفاده
برند تجهیزات و ملاحظات اقتصادی

برند تجهیزات پارامتر مهمی در زمان انتخاب نیست. با این وجود برخی از پروژه ها الزام به استفاده از تجهیزات برند مشخصی دارند. در ادامه به معرفی چند نمونه از بهترین برندهای درایو موجود در بازار ایران خواهیم پرداخت.

درایو زیمنس

زیمنس یکی از برندهای محبوب تولید کننده تجهیزات اتوماسیون صنعتی است. از جمله محصولات زیمنس در بازار ایران می توان به پی ال سی و کنتاکتور زیمنس در کنار درایو زیمنس اشاره کرد. عملکرد مطمئن، تنوع بالا و قابلیت های کنترلی و عملیاتی این درایوها نیاز همه صنایع را مرتفع می کند.

تغییر نیازهای کنترلی و ارتباطی صنایع در کنار تغییر ابعاد و توان موتورها، سبب عرضه نمونه های جدید درایو به بازار شده است. زیمنس نیز در طول این سال ها و متناسب با نیازهای صنایع، تغییرات گسترده ای را در درایوهای خود ایجاد کرده است.

درایو زیمنس در سری ها و خانواده های مختلف متناسب با کاربردهای متفاوت صنعتی عرضه می شود. برخی از قابلیت ها بین همه درایوهای زیمنس مشترک است اما برخی از آن ها اختصاص به یک خانواده خاص دارد.

انواع درایو زیمنس

درایوهای زیمنس به صورت کلی در دو خانواده میکرومستر و سینامیکس دسته بندی می شوند. هر خانواده سری های مختلفی دارد و برای کاربردهای خاصی تولید شده است. درایو میکرومستر زیمنس نسل قدیم محصولات این برند است. تولید میکرومسترها متوقف شده اما همچنان برخی از نمونه های آن در بازار موجود است.

سری های مختلف درایو فرکانس متغیر میکرومستر زیمنس عبارتند از:

درایو سینامیکس سری جدید محصولات کنترل موتور زیمنس است. افزایش قابلیت های ارتباطی و بهبود طراخی از جمله اهداف مهم جایگزینی میکرومستر با سینامیکس بوده است. درایو سینامیکس زیمنس نیز در خانواده های مختلف عرضه می شود:

درایو اشنایدر

تجهیزات راه اندازی موتور اشنایدر شامل VFD و سافت استارتر اشنایدر در خانواده آلتیوار عرضه شده اند. مزایای درایو اشنایدر سبب استفاده گسترده از آن ها در صنایع مختلف شده است. این درایوها در کنار عملکرد مطمئن، پایداری بالا و تنوع گسترده قیمت مناسبی دارند. از دیگر دلایل محبوبیت این تجهیزات می توان به پشتیبانی فنی مناسب اشاره کرد.

اشنایدر به منظور تسهیل فرآیند انتخاب، درایوها را در سه گروه کاربردی دسته بندی کرده است. به صورت کلی درایو اشنایدر را می توان در سه گروه کاربردی زیر دسته بندی کرد:

کنترل ماشین
ساختمانی
کنترل فرآیند

در هر کاربرد خانواده های متفاوتی از درایو اشنایدر را می توان استفاده کرد. در حال حاضر خانواده های مختلفی از این درایوها در بازار ایران موجود است. برخی از این درایوها محصولات قدیمی اشنایدر هستند و تولید آن ها متوقف شده است. با این وجود برخی از سری های آن همچنان قابل تامین است:

ATV212
ATV61
ATV71
ATV310
ATV312
ATV320
ATV340
ATV610
ATV630
ATV650
ATV 930
ATV950

هر خانواده ویژه استفاده در کاربرد متفاوتی است.

درایو ABB

درایو ABB یکی از محصولات شناخته شده بازار جهانی است. این تجهیزات با عملکرد مطمئن، پایداری بالا و قابلیت اطمینان خوبی که دارند در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. افزایش بهره‌وری فرآیند، بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری از جمله مزایای استفاده از درایو فرکانس متغیر ABB است.

تنوع نیاز و الزامات پروژه های مختلف عرضه انواع متفاوتی از درایوها را الزامی کرده است. تفاوت اصلی نمونه های مختلف در توابع ویژه عملیاتی آن ها است. ABB به منظور پوشش حداکثری نیازهای صنایع انواع مختلفی از VFD را تولید و به بازار عرضه کرده است.

درایوهای ABB در رنج جریان 0.18 تا 5600 کیلووات عرضه می شوند که در بین تولیدکنندگان مختلف بی نظیر است. محصولات آ ب ب را می توان در گروه های کاربردی زیر دسته بندی کرد:

کاربردهای عمومی (جنرال)
کاربردهای کنترل ماشین ABB
کاربردهای صنعتی ویژه
کاربردهای ویژه صنایع آب و فاضلاب
سروو درایوهای ویژه رباتیک

برای هر کاربرد سری های مختلفی از محصولات ABB قابل استفاده است.

جمع بندی

تجهیزات کنترل موتور کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد. راه اندازی و توقف نرم، تنظیم سرعت و کنترل گشتاور موتور از جمله قابلیت های این دستگاه است. درایوها با تکنیک تنتظیم فرکانس قادرند عملکرد موتور را تحت کنترل درآورند. از جمله مهمترین دلایل استفاده از VFD می توان به موارد زیر اشاره کرد:

افزایش بهره وری و کاهش هزینه
بهبود فرآیند و ارتقای کیفیت محصولات
افزایش عمر مفید سیستم

استفاده از درایو در اغلب صنایع الزامی است. تولید کنندگان مختلفی در سراسر دنیا اقدام به تولید این تجهیزات می کنند. با توجه به نیازهای پروژه و الزامات کاربردی می توانید نسبت به انتخاب گزینه مناسب اقدام کنید.