درایو چیست و چرا به آن نیاز داریم؟

VFD (درایو فرکانس متغیر) یک وسیله الکتریکی است که سرعت موتور الکتریکی را با تغییر ولتاژ و فرکانس ورودی آن کنترل می کند. VFD ها برای کنترل پمپ ها، فن ها، تسمه نقاله و سایر انواع ماشین آلات در کارخانه های صنعتی استفاده می شوند. VFD ها کنترل شروع و توقف را در کنار شتاب و کاهش سرعت موتور امکانپذیر می کنند.

علاوه بر این حفاظت از موتور در برابر اضافه بار و برخی خطاهای دیگر از جمله قابلیت های کاربردی درایوها است. در ادامه این مقاله جزئیات بیشتری در مورد این تجهیزات بیان می کنیم. درایو چیست و چه کاربردهایی دارد از جمله سوالاتی است که به آن پاسخ داده ایم.

درایو چیست؟

درایو  ( VFD ) نوعی کنترل کننده موتور 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 در ادامه تولید یک ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم جهت اعمال به موتور است. درایوها 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 با سرعت متغیر (VSD)
• درایو سرعت قابل تنظیم (ASD)
• اینورتر AC

دلیل برخی از این نامگذاری ها، تفاوت جزئی در مکانیزم عملکرد است.

درایو چگونه کار می کند؟

عملکرد درایو را می توان در سه مرحله کلی بررسی کرد. در واقع ساختار درایو از سه بخش مختلف تشکیل شده که هر کدام وظیفه مشخصی را دنبال می کنند. ساختار کلی درایوها مطابق شکل زیر است.

VFD ها از یک مبدل AC به DC، یک باس DC (فیلتر) و یک اینورتر DC به AC برای تولید ولتاژ و فرکانس متغیر AC خروجی استفاده می کنند.

مبدل AC به DC

در مرحله اول، ولتاژ ورودی AC از یک سو کننده دیودی عبور داده می شود. نتیجه این کار تولید یک ولتاژ DC در خروجی این بخش است.

فیلتر DC

ولتاژ خروجی یکسوساز دارای ریپل است. ولتاژ AC پس از عبور از دیود به موج AC تبدیل می شود که همه سیکل های آن در نیم سیکل مثبت قرار دارند. به منظور صاف شدن ولتاژ و از بین بردن این ریپل های ناخواسته، از یک خازن الکترولیتی به صورت موازی با خروجی یکسوساز استفاده می شود.

اینورتر DC به AC

در بخش درایو چیست اشاره کردیم که درایوها را با نام اینورتر نیز می شناسند. اینورتر بخشی از درایو است که ولتاژ DC را به ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ متغیر تبدیل می کند. در این بخش به کمک سوئیچ زنی ترانزیستورهای قدرت، یک ولتاژ سه فاز AC تولید می شود.

امروزه اغلب از ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) در این بخش درایو استفاده می شود. IGBT ها سرعت سوئیچینگ بالایی دارند و می توانند موج PWM با فرکانس متغیر تولید کنند. شکل زیر نمونه ای از خروجی های این مدار را نشان می دهد.

امواج مربعی PWM که در فرکانس یکسان اما با چرخه های کاری متفاوت تولید می شوند، یک شکل موج AC را با فرکانس مورد نظر اما با ولتاژی بالاتر ولتاژ AC ورودی تولید می کنند.

حالت های کنترل

تاکنون به سوالات درایو چیست و چگونه کار می کند پاسخ دادیم. اکنون به سوال مهم دیگری در مورد درایوها خواهیم پرداخت. VFD ها از حالت‌های کنترل (یا الگوریتم‌های) متفاوتی برای تعدیل ولتاژ موتور استفاده می کند. هر الگوریتم برای نوع خاصی از کاربردها مناسب است. در اینجا چند الگوریتم رایج را بررسی و در یک جدول با هم مقایسه می کنیم. لازم به ذکر است ممکن است تولیدکنندگان مختلف، عناوین دیگری روی این الگوریتم ها گذاشته باشند.

الگوریتم ولتاژ/فرکانس (V/Hz یا V/f)

این الگوریتم ساده‌ترین و رایج‌ترین روش کنترلی است که در داریوها دیده می‌شود. تنظیم درایو با این الگوریتم به پارامترهای کمتری نیاز دارد. در بسیاری از موارد  برنامه‌های اصلی به کمک تنظیمات پیش‌فرض درایو اجرا می شوند. تنظیمات مختلفی در حالت V/Hz قابل دسترس است مانند:

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

حالت V/f می تواند به کمک انکودر از موتور فیدبک بگیرد. این فیدبک به VFD کمک می کند محاسبات اضافی انجام دهد و کنترل سرعت دقیق تری را ارائه دهد. گشتاور شروع برای کنترل V/Hz معمولاً 150 درصد با فرکانس 3 هرتز است.

کنترل برداری

این حالت با استفاده از ویژگی‌های اندازه‌گیری شده موتور مانند راندمان، لغزش و ضریب قدرت، کنترلی با عملکرد بسیار بالاتر را به همراه دارد. محاسبات لازم برای ارائه گشتاور بیشتر در سرعت های پایین تر و کنترل دقیق تر با استفاده از پارامترهای زیادی انجام می شود که افزایش دقت عملکرد را به همراه دارد.

در کاربردهای زیادی کنترل گشتاور مهمتر از کنترل سرعت است. در این کاربردها استفاده از درایوی با الگوریتم کنترل برداری ضروری است. این نوع کنترل در کاربردهایی که موتور نیاز به نگه داشتن بار دارد، مانند جرثقیل ها و آسانسورها مورد نیاز است.

جدول زیر مقایسه پارامترهای کلیدی الگوریتم کنترل برداری و v/f را نشان می دهد.

چرا به درایو نیاز داریم؟

استفاده از درایو برای کنترل سرعت موتور نه تنها عملکرد ایمن، دقیق و قابل تنظیم موتور را فراهم می کند، بلکه می تواند نقش پررنگی در کاهش مصرف انرژی نیز داشته باشد. در ادامه برخی از مزایای خاص درایو را بررسی می کنیم تا ضرورت استفاده از آن بیشتر مشخص شود.

کنترل سرعت موتور

سرعت بهینه موتور برای کاربردهای مختلف مانند انتقال، فن، پمپاژ و ماشین کاری متفاوت است. از اینرو وجود دستگاهی که بتواند سرعت بهینه متناسب با هر کاربرد را تنظیم کند ضروری است. درایوها تنها تجهیزاتی هستند که قادرند سرعت موتور AC را تنظیم کنند.

شروع/توقف کنترل شده

شروع و توقف ناگهانی موتورهای الکتریکی علاوه بر جریان هجومی بالا که می تواند سبب افت ولتاژ خط شود، به دلیل ایجاد تنش های مکانیکی زیاد سبب آسیب دیدگی و کاهش طول عمر مفید تجهیزات می شود. درایوها امکان شروع و توقف کنترل شده موتور را فراهم می کنند و از این چالش ها پیشگیری به عمل می آورند.

کاهش مصرف انرژی

برای صرفه جویی در مصرف انرژی، می توان موتورها را با سرعت بهینه به کار گرفت. عملکرد موتورها با سرعت بهینه و کاهش جریان هجومی راه اندازی موتور می تواند نقش موثری در کاهش مصرف انرژی داشته باشد.

ایمنی بهبود یافته

درایوهای جدید به الگوریتم های حفاظتی ویژه ای مجهز شده اند. این الگوریتم های ایمنی کلی سیتم را بهبود می بخشند. به عنوان مثال حفاظت STO تضمین می کند که VFD هیچ گشتاوری برای موتور ایجاد نکند و در صورت وجود شرایط ناایمن از راه اندازی موتور جلوگیری شود.

قابلیت های پیشرفته

برخی از VFD ها دارای ویژگی های منطقی و قابلیت های کنترل سیگنال ورودی/خروجی برای افزایش ایمنی و عملکرد هستند. در این نمونه ها پروفایل ها و مراحل چندگانه سرعت را می توان برای تجهیزات خاص بهینه کرد.

جمع بندی

همزمان با تولید اولین موتورهای الکتریکی، چالش کنترل عملکرد موتورها خودنمایی کرد. بزرگتر شدن موتورها و رواج بیشتر آن ها در صنایع مختلف بر این چالش اضافه کرد. راهکار مهندسان برای غلبه بر این چالش ها معرفی درایو بود. درایو فرکانس متغیر با تغییر فرکانس و ولتاژ تحویل شده به موتور، عملکرد موتور را تحت کنترل می گیرد. تنظیم سرعت، افزایش بهره وری و راه اندازی و توقف نرم از جمله دلایلی است که ما را به سمت استفاده از درایو سوق می دهد