کنترل کننده های مدرن دور موتور
کنترل کننده های مدرن دور موتور
كنترل كننده هاي دور موتورهاي الكتريكي هر چند كه ادوات پيچيده اي هستند ولي چون در ساختمان آنها از مدارات الكترونيك قدرت استاتيك استفاده مي شود و فاقد قطعات متحرك مي باشند، از عمر مفيد بالائي برخوردار هستند . مزيت ديگر كنترل كننده هاي دور موتور توانائي آنها در عودت دادن انرژي مصرفي در ترمزهاي مكانيكي و يا مقاومت هاي الكتريكي به شبكه مي باشد . در چنين شرائطي با استفاده از كنترل كننده هاي دور مدرن مي توان از اتلاف اين نوع انرژي جلوگيري نمود . بطوريكه در برخي كاربردها قيمت انرژي بازيافت شده از اين طريق ، در كمتر از يكسال معادل هزينه سرمايه گذاري سيستم بازيافت انرژي مي شود .
کنترل کننده های دور موتور انواع مختلفی دارند. آنها قادرند انواع موتورهای ACو DCرا کنترل کنند. قیمت کنترلرها وابسته به نوع تکنولوژی بکار رفته در ساختمان آنها میباشد.
1- روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس(یا کنترل V/ Fثابت) : ساده ترین روش کنترل موتورهای AC روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس میباشد. اینک این روش، بطور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. این نوع کنترلرها از نوع اسکالر بوده و بصورت حلقه باز با پایداری خوب عمل میکنند. مزیت این روش سادگی سیستمهای کنترلی آن است. در مقابل این نوع کنترلرها برای کاربردهای با پاسخ سریع مناسب نمی باشند.
2- روش کنترل برداری : روبوتها و ماشینهای ابزار نمونه هائی از کاربردهای با دینامیک بالا هستند. در این کاربردها روشهای کنترلی برداری استفاده میشود. در روشهای کنترلی برداری با تفکیک مولفه های جریان استاتور به دو مولفه تورک ساز و فلو ساز، و کنترل آنها با استفاده از رگولاتورهای PIترتیبی داده میشود که موتور AC
نظیر موتور DCکنترل شود. و بدین ترتیب تمام مزایای موتور DCاز جمله پاسخ گشتاور سریع آنها در موتورهای ACنیز در دسترس خواهد بود.
3- روش کنترل مستقیم گشتاور (Direct TorqueControl ) : پاسخ گشتاور در روشهای برداری حدود 10 – 20msو در روشهای کنترل مستقیم گشتاور (Direct TorqueControl )این زمان حدود5ms است
هنگاميكه استفاده از مبدلهاي الكترونيك قدرت در اواخر دهه 1970 معمول گرديد، توجه بسياري از مهندسين شركتهاي برق درمورد توانايي پذيرش اعوجاج هارمونيكي توسط سيستمهاي قدرت را برانگيخت . پيشبينيهاي مأيوسكنندهاي از سرنوشت سيستمهاي قدرت درصورت اجازه استفاده ازاين تجهيزات انجام گرفت. درحاليكه بعضي ازاين نگرانيها احتمالاً بيش از حد قلمداد گرديدند، ولي بررسي مفهوم كيفيت برق مديون اين افراد بهدليل پيگيري آنها درمورد اين مسئله ميباشد.
بروز هارمونيك در سيستمهاي برق اولين پيامد عناصر غيرخطي در شبكه است. بهخاطر گسترش فزاينده استفاده از عناصر غيرخطي در سيستمهاي برق، مانند راهاندازها (درايورهاي تنظيم سرعت) و مبدلهاي الكترونيكي قدرت، مقدار هارمونيك شكل موج جريان و ولتاژ بهطور چشمگيري افزايش يافته است و بنابراين اهميت موضوع كاملاً مشخص است.
بررسي مسائل هارمونيكها منجر به تحقيقاتي گرديد كه نتايج آن نقطهنظرات متعددي درمورد كيفيت برق بود. بهنظر برخي از محققين، اعوجاج هارمونيكي هنوز مهمترين مسئلـه كيفيت برق ميباشد. مسائل هارمونيكي با بسياري از قوانين معمولي طراحي سيستمهاي قدرت و عملكرد آن تحت فركانس اصلي مغاير است. بنابراين مهندس برق با پديدههاي ناآشنايي روبرو ميشود كه نياز به ابزار پيچيده و تجهيزات پيشرفته براي حل مشكلات و تجزيه و تحليل آنها دارد. گرچه تحليل مسائل هارمونيكي ميتواند دشوار باشد، ولي خوشبختانه همة سيستم قدرت داراي مشكل هارمونيكي نيست و فقط
درصد كمي از فيدرهاي مربوط به سيستمهاي توزيع تحتتأثير عوامل ناشي از هارمونيكها قرار ميگيرند. مشتركين برق در صورت وجود هارمونيكها مشكلات زيادتري از شركتهاي برق را تحمل ميكنند. مشتركين صنعتي كه از محركههاي موتور با قابليت تنظيم سرعت، كورههاي قوس الكتريكي، كورههاي القايي، يكسوكنندهها ، اينورترها، دستگاههاي جوش و نظاير آن استفاده ميكنند، نسبت به مسائل ناشي از اعوجاج هارمونيكي ضربهپذيرتر از بقية مشتركين ميباشند.
اعوجاج هارمونيكي يك پديده جديد در سيستمهاي قدرت به شمار نميرود. نگراني ناشي از اعوجاج در بسياري از دورهها درسيستمهاي قدرت الكتريكي جريان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوي منابع و مطالب تكنيكي دهههاي قبل نشان ميدهد كه مقالات مختلفي دررابطه با اين موضوع انتشار يافته است. اولين منابع هارمونيكي شناختهشده، ترانسفورماتورها بودند و اولين مشكل نيز در سيستمهاي تلفن پديد آمد. استفاده گروهي از لامپهاي قوس الكتريك بهدليل مؤلفههاي هارمونيكي توجهات خاصي را برانگيخت ولي اين مسائل به اندازه اهميت مسئله مبدلهاي الكترونيك قدرت در سالهاي اخير نبوده است.
خوشبختانه در طي اين سال ها پژوهشگران متوجه شده اند كه اگر سيستم انتقال به نحو مناسبي طراحي گردد، بهنحوي كه بتواند مقدار توان مورد نياز بارها را به راحتي تأمين نمايد، احتمال ايجاد مشكل ناشي از هارمونيكها براي سيستم قدرت بسيار كم خواهدبود، گرچه اين هارمونيكها ميتوانند موجب مسائلي در سيستمهاي مخابراتي شوند. اغلب در سيستمهاي قدرت مشكلات زماني بروز ميكنند كه خازنهاي موجود در سيستم باعث ايجاد تشديد دريك فركانس هارمونيكي گردند. دراين شرايط اغتشاشات و اعوجاجات، بسيار بيش از مقادير معمول ميگردند. امكان ايجاد اين مشكلات در مورد مراكز كوچك مصرف وجود دارد ولي شرايط بدتر در سيستمهاي صنعتي بهدليل درجه زيادي از تشديد رخ ميدهد
وقتي تجهيزات بتوانند در سرعت كاهشيافته كار كنند چند گزينه قابل انتخاب است.
مثالهاي ذيل نمونههايي براي همه صنايع هستند
AC فركانس متغير (با تنظيم فركانس)
وقتي پمپهاي گريز از مركز، فنها و دمندهها در سرعت ثابت كار ميكنند و خروجي با استفاده از والوها و مسدودكنندهها كنترل ميشود موتور صرفنظر از مقدار خروجي در نزديكي بار كامل كار ميكند كه باعث ميشود انرژي زيادي توسط اين مسدودكنندهها و والوها تلف شود. اگر اين تجهيزات بتوانند همواره در سرعت مورد نياز كار كنند مقدار زيادي انرژي صرفهجويي ميشود. درايوهاي تنظيم سرعت باعث ميشوند تجهيزات باتوجه به نياز سيستم در حالت بهينه عمل كنند.
كنترلرهاي AC تنظيم فركانس (فركانس متغيير) وسايل پيچيدهاي بوده و گرانقيمت هستند. بااينحال ميتوانند بهراحتي به موتورهاي القايي AC استاندارد اضافه شوند. با هزينه تجهيزات كمتر و هزينههاي الكتريكي بيشتر (با كاهش هزينه تجهيزات و افزايش هزينههاي الكتريكي) كاربرد اين وسايل در اغلب موارد اقتصادي ميشود. بسياري از انواع پمپها، فنها، ميكسچرها، نقالهها، خشككنندهها، خردكنندهها (سنگشكنها) آسيابها، صافيها و برخي انواع كمپرسورها، دمندهها و همزنها در سرعتهاي مختلف با وسايل تنظيم سرعت كار ميكنند.
تجهيزات مجهز به تنظيم سرعت كمنراز نصف تجهيزات مجهز به مسدودكننده انرژي مصرف ميكنند.
در عمل بايد براي محاسبه دقيق صرفهجويي حاصل براساس كيلووات بازده موتور هم درنظر گرفته شود. بازده موتور تا زير50درصد ظرفيت نامي افت ميكند.
DC حالت جامد (نيمههادي)
ميتوان با تنظيم سرعت با استفاده از درايوهاي DC صرفهجوييهاي مشابهي را انجام داد. هزينه اوليه نسبتبه درايوهاي AC تنظيم فركانس بيشتر است بهخصوص وقتي مستقيماً بتوان از كنترلرهاي الكتريكي در موتور AC استفاده كرد. تعمير و نگهداري
كموتاتور و زغال نيز هزينه زيادي در درايوهاي DC دربردارد. همچنين سيستمهاي DC نسبتبه هواي خورنده و كثيف (مملو از ذرات) كه در يك محيط صنعتي معمول است حساسترند.
بنابراين درايوهاي AC معمولاً ترجيح داده ميشوند مگر در مواردي كه شرايط عملياتي برخي از مشخصههاي سيستمهاي DC از قبيل تنظيم سرعت خيلي دقيق، معكوس كردن سريع جهت، يا گشتاور ثابت در رنج سرعت نامي مورد نياز باشد.از اين درايوها در ماشينهاي حديده ((drawing machins، پوششدهندهها (لعابدهندهها coaters) ماشينهاي تورق (laminators)، دستگاههاي سيمپيچي (winders) و ساير تجهيزات استفاده ميشود.
ساير تكنيكهاي تغيير سرعت موتور عبارت است از درايوهاي لغزش (slip) الكترومكانيكي، درايوهاي سيال. و موتورهاي القايي (موتورهاي با روتور سيمپيچيشده). اين درايوها با تغيير درجه لغزش بين درايو و عنصر درحال حركت سرعت را كنترل ميكنند. چون قسمتي از انرژي مكانيكي كه تبديل به بار نميشود به حرارت تبديل ميگردد اين درايوها داراي بازده كمي بوده و معمولاً بهخاطر مشخصههاي خود در كاربردهاي خاصي بهكار برده ميشوند. مثلاً ممكن است از درايوهاي سيال در سنگشكنها (خردكنندهها) استفاده شوند چون داراي ظرفيت توان بالا، انتقال گشتاور آسان، توانايي مقاومت دربرابر بارهاي شوك، قابليت مقاومت در سيكلهاي سكون (ازكارافتادگي)، ماهيت ايمني آن و قابليت تحمل هواي ساينده را دارند.
چون درايوهاي AC و DC سرعت چرخنده اصلي را تغيير ميدهند براي صرفهجويي در انرژي ترجيح داده ميشوند.
درايوهاي تنظيم سرعت مكانيكي سادهترين و ارزانترين وسايل تغيير سرعت هستند. اين نوع چرخهاي قابل تنظيم ميتوانند در امتداد محور باز و بسته شوند و درنتيجه ميزان تماس چرخ را با تسمه تنظيم كنند.
مزيت عمده درايوهاي مكانيكي سادگي آنها ، سهولت تعمير و نگهداري و هزينه پايين آنها است. يك سرويس تعمير و نگهداري درحد متوسط و كنترل سرعت با دقت كم (معمولاً 5درصد) از خصوصيات اين درايوها است.
درايوهاي تسمهاي براي گشتاورهاي كم تا متوسط (100اسببخار) در دسترس هستند. بازده درايوهاي تسمهاي 95 درصد است و نسبت كاهش سرعت تا 10به 1 ميرسد.
از درايوهاي زنجيري فلزي در گشتاور زياد استفاده ميشود. اين درايوها مشابه درايوهاي تسمهاي هستند فقط بهجاي تسمههاي لاستيكي از تسمههاي فلزي استفاده شده است.
وقتي فقط با يك كاهش سرعت به نتيجه رضايتبخش برسيم گزينه ارزانتري را ميتوانيم انتخاب كنيم. اگرچه سرعتهاي متغيير اين مزيت را دارند كه در وضعيتهاي مختلف ميتوان سرعت بهينه را بهكار برد، در مواقعي كه رنج تغيير سرعت محدود است و زماني كه موتور بايد در سرعت پايينتري كار كند نسبتبه زمان كل كار موتور كم است احتمالاً يك كاهنده تكسرعته ازنظر هزينه و اثربخشي بهصرفهتر است.
درايوهاي تسمهاي: در اين درايوها يك (يكبار) كاهش سرعت با كمترين هزينه همراه است چون بهراحتي ميتوان چرخها را عوض كرد. ازآنجاكه با نصب دوباره چرخهاي قديمي براحتي ميتوان تغييرات را بازگرداند از اين روش وقتي استفاده ميشود كه كاهش خروجي براي يك دوره معين موردنياز است. مثلاً وقتي سطح توليد براي يك زمان نامشخص كاهش يافته ولي ممكن است در آينده نياز باشد كه به ظرفيت اوليه برگرديم
كاهش دور توسط چرخدنده: حالتهاي مشابهاي را توسط تغيير چرخدنده ميتوان بهكار برد.
تعويض موتور: درمواردي كه يك بار كاهش سرعت موردنياز است يك موتور با سرعت كمتر را نيز ميتوان جايگزيننمود.
موتور دوسرعته يك راهحل اقتصادي ميانه درمقايسه با استفاده از درايوهاي چندسرعته و سرعت ثابت است.
همانطوركه در مثالهاي قبلي بيان شد چون توان مصرفي با مكعب (توان سوم) سرعت متناسب است، صرفهجويي در انرژي اهميت زيادي دارد. درعمل يك افزايش جزئي بهخاطر تلفات اصطكاك رخ ميدهد. از اين روش و استفاده از روشهاي كنترلي ديگر ميتوان خروجي را در يك رنج محدود كنترل كرد.
دوسرعت را ميتوان از يك سيمپيچ بهدست آورد ولي سرعت پاييني بايد نصف سرعت بالايي باشد. مثلاً سرعتهاي موتور به اين شكل است 900/1800 ، 600/1200 ، 1800/3600
وقتي به نسبتهاي ديگري از سرعت نياز است استفاده از يك استاتور دو سيمپيچه ضروري است. از موتورهاي قفسي چندسرعته (multispeed squirrel cage motors) نيز كه داراي سه يا چهار سرعت همزمان هستند ميتوان استفاده نمود.
قيمت موتورهاي دوسرعته تقريباً دو برابر موتورهاي تكسرعته است. اگر يك موتور بتواند در دورههاي زماني محسوسي با سرعت كمتر كار كند صرفهجويي حاصله سرمايهگذاري اضافي را توجيه ميكند. در موتورهاي چندسرعته استارترهاي گرانقيمتي موردنياز است چون اندازه محافظهاي اضافهبار در سرعتهاي مختلف متفاوت است
درایو یا کنورتور فرکانس و یا کنترلکننده دور موتور برای تنظیم دور الکتروموتورهای AC (موتورهای سه فاز ) استفادهمیگردد. درایوها قادرند دور موتور را از صفر تا
چندین برابر دور نامی موتور و بطورپیوسته تغییر دهند.
تنظیم دور در الکتروموتورها علاوه بر منعطف نمودن پروسههای صنعتی ، در کاربردهای زیادی منجر به صرفه جوئی انرژی هم میگردد. علاوه بر آندرایوها جریان راه اندازی کشیده شده از شبکه را به میزان زیادی کاهش میدهند. بطوریکه این جریان خیلی کمتر از جریان اسمی موتور است.
درایوها میتوانندموتور را بطور نرم و کاملا کنترل شده استارت و استپ نمایند. زمان استارت و استپ رامیتوان بدقت تنظیم نمود. این زمانها میتوانند کسری از ثانیه و یا صدها دقیقه باشد. توانائی درایو در استارت و استپ نرم موجب کاهش قابل ملاحظه تنشهای مکانیکی درکوپلینگها و سایر ادوات دوار میگرد
درايوهاي مدرن امروزي بر اساس تكنولوژي مدولار ساخته ميشوند. اين امر هم درقسمتهاي سخت افزاري و هم در قسمتهاي نرم افزاري درايو رعايت ميشود. ساختار مدولارقابليت بر آورده سازي بسياري از نيازهاي مشتري را دارد. اغلب اين درايوها ازتكنولوژي كنترل برداري بهره ميگيرند. اين روش كنترل امكان كنترل موتور را با دقت وديناميك زياد فراهم مياورد. بطوريكه اين درايوها اينك قادرند درست نظير درايوهاي DC رفتار نمايند. آنها را ميتوان در كاربردهاي كنترل سرعت و يا كنترل گشتاور بسهولتمورد استفاده قرارداد. بطوريكه سادگي و استحكام موتورهاي القائي دركنار ايندرايوها مجموعه اي مطمئن و كارا از آنها ميسازد . هر چند كه اين درايوها ازتكنولوژي الكترونيك قدرت پيچيده استفاده ميكنند اما بدليل استاتيك بودنشان هزينههاي نگهداشت زيادي به صنعت تحميل نمي كنند.
درایوهای مدرن قادرند بطور اتوماتیک فلو ی مغناطیسی در موتور را در سطح بهینه اننگهدارند. این ویژگی در جاهائی که بار موتور کم است منجر به صرفه جوئی انرژی خواهدشد.
درايوهاي مدرن امروزه در كاربردهاي فيدبك و سرو نيز بسهولت بكار گرفته ميشوند. ساختار مدولار آنها بگونه اي است كه ميتوان متناسب با كاربرد از كارتهاي اختيارياستفاده نمود. اين كارتها امكان تطبيق درايو با كاربرد مشتري را فراهم مي آورند. دركنار اين مقدورات سخت افزاري بايد به برنامه هاي نرم افزاري متعددي نيز اشاره نمود،كه معمولات توسط سازندگان درايو براي نيازهاي مختلف صنعتي ارائه ميشود. استفاده ازاين برنامه هاي كاربردي بسيار ساده بوده و كاربر ميتواند برنامه دلخواه خود راانتخاب و در داخل درايو قراردهد. درايوهاي امروزي ميتوانند بسياري از فيلد باسهايموجود را پشتيباني كنند. امروزه پروفي باس به عنوان يك فيلدباس باز( Open ) ، دربسياري از كاربردهاي صنعتي متداول شده است. سازندگان درايو با استفاده از پروفايل Profi Drive بسهولت سازگاري خود را با پروفي باس برقرار ميسازند.
درایوها علاوه بر ماموریتهای اصلی خود قابلیتهای بیشمار دیگری نیز دارند که ازجمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
• حفاظت کامل الکتروموتور در مقابل اضافه جریان و نوسانات ولتاژ
• انعطاف پذیری در کنترل پروسه
• سازگاری با نیازهای کاربردی موتور
سیستم نرم افزاری درایوهای ساخت شرکت Vacon از دو لایه تشکیل شده است. لایه اولنرم افزار سیستم و لایه دوم جهت توسعه نرم افزارهای کاربردی کاربر اختصاص یافتهاست. با کمک این لایه کاربر میتواند با کمک ابزار گرافیکی و با استفاده از زبانهایرایج برنامه نویسی برنامه های کاربردی خود را توسعه دهد. وکن تنها به همین اکتفانکرده و با آماده نمودن صدها برنامه کاربردی به کاربر کمک میکند بسهولت برنامهکاربردی مورد نظر را در درایو نصب نموده و از آنها استفاده نماید. بعنوان نمونهمیتوان به نرم افزارهای کاربردی زیر اشاره نمود:
VACON مصداقي از درايوهاي مدرن
كنترل كننده هاي دور موتور ساخت شركت وكن نمونه كاملي از درايوهاي مدرن امروزياست[3]. درايوهاي وكن داراي ساختاري كاملا مدولار بوده و به كاربر اجازه ميدهد بااستفاده از نرم افزار قدرتمند داخلی، که بر اساس استاندارد IEC 611131-3کار میکند، برنامه هاي خود را توسعه دهد. بدين ترتيب اين درايو قادر است در كاربردهاي زيادينقش يك PLC را نيز بازي كرده و به كاربر اجازه ميدهد بسهولت براي كاربردهاي خود راهحل ارائه دهد. علاوه بر اين قابليت، شركت وكن در اقدامي بي سابقه با طراحي و توسعهصدها برنامه كاربردي مختلف براي كاربردهاي صنعتي، بهره برداری ار درایوهای خود راکاملا منعطف نموده است. اينها بخشي از ويژگيهاي منحصر بفردي است كه درايوهاي وكنرا تبديل به نمادي از درايو حرفه اي براي هزاره جديد نموده است. توصيه ميكنيم براي آشنائي بيشتر با اين درايوهاي قدرتمند با شركت پرتو صنعت تماس بگيريد.
.
هر چند كه درايوها مزاياي زيادي دراند ولي در انتخاب و بكارگيري آنها بايد دقتكافي به عمل آيد. خصوصا اگر درايوهاي مورد بحث توانهاي بالائي داشته و توليدكارخانه به عملكرد آنها كاملا مرتبط باشد. در واقع تحقيقات نشان داده است كه نگرانياز ضريب اطمينان درايو بعنوان يكي از موانع اصلي در عدم رغبت صنايع به استفاده ازآنها در صرفه جوئي انرژي ميباشد[10] .
درايوهاي ولتاژ متوسط (Medium Voltage Drives) از تكنولوژي ساخت پيچيده ايبرخوردارند. اينها معمولا تركيبي از الكترونيك قدرت، كنترل، ميكروكامپيوترها،ترانسفورم اتورها و فيلترها ميباشند. پر واضح است كه ارزيابي اين اجزا و انتخابدرايو نهائي امري دشوار و نيازمند زمان و بسيج كارشناسان متخصص خواهد بود. با اینحال چهارچوب ساده زیر میتواند خریداران درایو را در ارزیابی و انتخاب درایو موردنظرشان یاری دهد. در اين چهارچوب پيچيدگيهاي داخلي درايو مورد توجه قرار نميگيرد. بلكه سعي ميشود از آثار جانبي درايو عملكرد آن مورد ارزيابي قرارگيرد. براین اساس مسائل جانبی درایو را طبقه بندی نموده و ملاکهائی برای ارزیابی آنهاتعیین میکنیم.
ملاك اول تضمين ميكند كه شبكه برق كارخانه تحت تاثير عملكرد درايو قرار نگيرد. اين موضوع وقتي اهميت بيشتر پيدا ميكند كه توان درايوهاي مورد بحث زياد بالا باشد. اعوجاجهاي ناشي از عملكرد درايو روي شبكه ميتواند عملكرد ساير دستگاههاي حساسكنترلي را مختل سازد، تداخل در خطوط مخابراتي كارخانه ايجاد نمايد، و يا توانراكتيو از شبكه كشيده شود. و واكنش سازمانهاي برق منطقه اي را بدنبال داشته باشد.
