دریافت کامل مقاله تحولی نو در صنعت کنترل الکتروموتورهای AC

تحولی نو در صنعت کنترل الکتروموتورهای AC

 

با توجه به نفوذ فنی و کاربردی کنترل کننده های دور متغیر موتورهای AC  یا همان درایو که با نام های گوناگونی همچون کنترل فرکانسی، اینورتر، کانورتر، مبدل فرکانسی و VVVS  و یا FC  شناخته می شود، در مجامع علمی و آموزشی و نیز مراکز صنعتی کشور نیاز به نگاهی دقیق و کاوشگرانه به افق های باز شده در این خصوص در دنیا را امری اجتناب ناپذیر می دانم. لذا در این سری مقالات سعی شده است با شناخت درایوهای موجود در بازار که همگی از فن آوری PWM یا همان مدولاسیون پهنای پالس بهره می برند و یا با بهره گیری از فن آوری سوئیچینگ DTC همچنان خروجی غیر سینوسی را ارایه می دهند، نیز بررسی شوند و موارد قوت و ضعف این تکنولوژی، راه را برای درک اهمیت کاربردی فن آوری منحصر بفرد تنها داریو دنیا که در این خصوص تحولی نو در فن آوری و کاربری درایو بشمار می آید را هموار کنیم. این درایو را با نام تجاری و انحصاری  NFO Sinus  ساخت کشور سوئد می شناسیم.

• بخش یک – نیم نگاهی به داریو

امروزه بیش از ۱۰۰ شرکت در دنیا چنین کنترل کننده هایی را می سازند و حدود ۶۰% کارخانجات و مراکز صنعتی تازه تاسیس از کنترل کننده های دور متغیر موتورهای AC فس سنجابی استفاده می کنند و الزاما بهره برداری از درایو در طراحی ، ساخت، بکارگیری این تجهیز و آموزش پرسنل کاملاً در نظر گرفته می شود.

منافعی که از این دستگاه های تازه وارد باهوش بدست می آید بسیار چشمگیر می باشند:

• کاهش هزینه برق مصرفی
• تحت کنترل قرار گرفتن موتورهای سخت کوش و فرمان ناپذیر AC
• انطباق نیاز بار با عملکرد موتور
• حفاظت دقیق و کارا از موتور و بار
• برنامه پذیری و کارآمدی در رفتار با بار
• …

همگی فهرستی مختصر از توانایی کنترل کننده های دور متغیر یا درایو می باشند که شما نیز با کمی توجه حتماً می توانید این فهرست را کامل تر کنید.

درایوهای قدیمی با توجه به محدودیت در کارایی که ناشی از فن آوری استفاده شده در آنها بوده است، نتوانستند نظر صاحبین صنایع را جلب کنند. در این مورد می توان به داریوهایی بر مبنای ولتاژ و یا جریان اشاره کرد که هرکدام از آنها به نوعی از انواع بار جوابگو بودند و این یعنی محدودیت در استفاده و کاربری داریو در صنعت.

البته با حضور IGBT هایی با توان و طول مدت کاربری بالاتر و نیز افزایش کارایی و سرعت سوئیچینگ آنها که      بر اساس پیشرفت های حاصل شده در علم االکترونیک قدرت بدست آمده بودند، چنین محدودیت هایی بطور گسترده ای برچیده شد و درایوها توانایی پاسخ گویی به نیازهای کاربران را پیدا کردند، نیازهایی که ناشی از پاسخگویی یك درایو به بارهای مختلف موجود در یك مجموعه صنعتی و نیز عدم نیاز به انبار نمودن درایوهای گوناگون برای هر نوع بار را در پی داشت.

در واقع IGBT ها امکان تحقق مدولاسیون پالس را فراهم نمودند. در این فن آوری درایو در خروجی خود یک نوع ولتاژ AC  شبیه سازی شده را تولید می کند که در اصل موتور را با آن گول زده و با ایجاد میدان گردان در استاتور، چرخش را در روتور آن ایجاد می کند.

روشی بسیار هوشمندانه که کار را راه می اندازد و بدین ترتیب چرخش و کنترل سرعت این چرخش در اختیار و تحت فرمان کاربر قرار می گیرد. با این روش استقبالی بی نظیر از آن در صنعت به وقوع پیوست و رشد اتوماسیون موتورهای AC و دقت حاصل از نرم افزارهای تکمیل کننده کنترل موتور، جایگزینی موتورهای AC و درایو را با بسیاری از موارد کاربردی موتورهای DC و حتی Servo تسهیل و امکان پذیر ساخت.

بدین طریق جایگاه موتورهای AC را از کارکننده هایی بدون دردسر ولی حرف گوش نکن به کارکننده های هوشمند و انعطاف پذیر ارتقاء داد.

اما …

اما با بررسی این فن آوری به اشکالات آن نیز بر می خوریم؛ اشکالاتی که کارایی آنها را یا محدود به صنعت کرده و یا برای رفع آن نیاز به تجهیزاتی دیگر دیده شده است که باید به درایو و یا موتور افزوده گردد.

فهرستی از این اشکالات را در ذیل مشاهده می کنید:

• ایجاد هارمونی
• محدودیت فاصله مابین موتور و درایو
• افزایش ولتاژ پیک برروی ترمینال های موتور
• محدودیت توان خروجی نسبت به رژیم کاری موتور
• اثرات پالس های لحظه ای بر برینگ ها و ایجاد جریان بیرینگ مخرب
• ایجاد نویزهای الکترومغناطیسی
• ایجاد صدا در موتور و افزایش حرارت موتورها
• استفاده از کابل های ویژه

لذا برای شما که مصرف کننده و یا طراح صنعتی می باشید، شناخت آنها امری مهم می باشد تا از ایجاد خسارت و یا اتلاف سرمایه جلوگیری کنید و برای هر کاربردی نیازهای آن را شناخته و قبل از بروز نقص آن نیازها را برآورده سازید.

در بخش دوم به بررسی این مشکلات و راه حل های احتمالی آنها می پردازیم.

• بخش دوم – بررسی اشکالات

 

• ایجاد هارمونیک:

بر اثر مدولاسیون پهنای پالس PWM و نیز DTC ، هارمونیک های پنجم، هفتم و … در خروجی درایو ایجاد می گردند که عامل اصلی افزایش تلفات حرارتی در موتور می باشند. وجود هارمونیک موثر و خطرناک پنجم تا حدود ۲۰% در ولتاژ خروجی درایوها ، تاثیری بسیار مخرب بر عایق بندی موتورها برجای می گذارد. حرارت ناشی از این استحلاک هارمونیک بر عایق موتورها تاثیر گذاشته و اغلب موتورهای دارای کلاس عایقی B که زمان طولانی تحت این هارمونیک می باشند را با شکست عایقی مواجه می کند و موتور به اصطلاح می سوزد. استفاده از درایو برای موتورهای قدیمی که معمولاً در نوسازی های صنعتی بسیار دیده شده است، توصیه نمی شود و اینگونه موتورها را بسرعت و در زمان کوتاهی پس از نصب درایو با شکست عایقی ناشی مواجه می کنند.

راه حل –

الف: درایوهای هارمونیک پائین؛

بعضی از تولید کننده های معتبر درایو در دنیا با ارایه درایوهایی با هارمونیک پائین ( Low Harmony) تا حدودی دست مصرف کنندگان را در هنگام استفاده از درایوهای PWM باز گذاشته اند که البته در این موارد اثرات حرارتی ناشی از وجود هارمونی ها از بین نرفته بلکه کاهش می یابد زیرا هارمونیک ها همچنان وجود دارند. این کاهش هارمونیک ها تا سطح ۵% بوده که در درایوهای استاندارد بین ۱۵ تا ۲۰% در شرایطی که درایوها سازندگان معتبری داشته باشند می باشد که بسیار زیاد است.

ب: فیلترهای سینوسی؛

اینگونه فیلترها با تاثیر بر ولتاژ خروجی درایو، مابین موتور و درایو قرار گرفته و موج پالسی را به موج سینوسی نزدیک می کند. بدین طریق هارمونی ها کاهش شدید داشته و موتور بسیار کمتر چنین تلفات حرارتی را خواهد داشت. البته این فیلترها گران بوده و نیز با توجه به نیروگیری از درایو، کاهش انرژی دریافتی موتور را در پی خواهند داشت، لذا در هنگام استفاده از آنها باید این کاهش را با افزایش قدرت درایو جبران ساخت، استفاده از این فیلتر عموماَ جهت کاربری درتوان های بالا می باشد.

ج: استفاده از موتوری با کلاس حرارتی F؛

می دانیم که موتورهای الکتریکی معمولاً با کلاس حرارتی B و کلاس عایقی F تولید می شوند، این بدین معنا  می باشد که درصورت گرم شدن موتور بیش از کلاس حرارتی و با وجود افت در توان تولیدی، موتور همچنان به کار خود ادامه می دهد و دچار سوختگی یا همان شکست عایقی نمی گردد. اما این گونه موتورها بعلت وجود هارمونی های درایوهای PWM ، بسته به دمای محیط، ممکن است بصورت متناوبی به شرایط منفی یعنی  افزایش بیش از اندازه دمای داخلی موتور سوق داده شوند؛ لذا استفاده از موتورهایی با کلاس حرارتی بالاتر(F) می تواند به پایداری توان تولیدی و افزایش طول عمر موتور کمک شایانی کند لذا در صورت سفارش موتور به تولیدکنندگان، طراحان موتور را با کلاس دمایی F و کلاس عایقی H جهت کاربری با درایو پیشنهاد می دهند.

د: استفاده از موتورهایی با فن جداگانه مستقل؛

اینگونه استاندارد را در کلاس معرفی انواع سیستم های خنک شوندگی موتور با IC416 می شناسند. کلیه موتورها بصورت استاندارد با فن کوپل شده با شافت روتور تولید  می گردند که استاندارد IC411  می باشند. موتورهایی که با درایوهای PWM کار می کنند بعلت تولید گرمای بیشتر در آنها می بایستی که دارای استاندارد IC416 باشند، چرا که در موتورهای دارای استاندارد IC411 ، فن استاندار موتور قادر به خنک کردن موثر نیست و از طرفی با کم و زیاد شدن سرعت چرخش موتور که بوسیله درایو فرماندهی می گردد، حتی این فن استاندارد نیز کارایی عادی خود را در مقایسه با کارکرد خود در هنگام چرخش موتور در سرعت نامی از دست خواهد داد. خاطر نشان می سازد که کلیه فن های موتورهای تولیدی با استاندارد IC411 با احتساب چرخش موتور در سرعت نامی محاسبه، طراحی و ساخته شده اند و برای موارد کاهش سرعت موتور، دارای کارایی موثر نمی باشند و اصولاً نیز برای چنین مواردی طراحی نشده اند.

• محدودیت فاصله درایو تا موتور و افزایش ولتاژ پیک بر روی ترمینال موتور

بعلت وجود اندوکتانس ناشی از ولتاژ در یک کابل رابط و نیز پیدایش حالت خازنی مابین کابل و زمین امکان استفاده از کابلی به طول زیاد میسر نمی باشد. چرا که ولتاژ انتهایی کابل معادل مجموع ولتاژ خروجی درایو و ولتاژ انعکاسی اندوکتانس کابل می باشد که در چنین مواردی در صورت افزایش طول کابل، این مورد باعث افزایش ولتاژ ورودی موتور می گردد، لذا تمامی تولید کنندگان برای درایوهای خود محدودیت طول کابل را به مصرف کننده یادآوری می کنند که  معمولاً در حدوده ۵۰ متر می باشد. ضمناً در روش PWM در بسیاری از پالس زنی های لحظه ای که در ابتدا و انتهای سیگنال شبیه سازی AC تولید می شوند، افزایش لحظه ای ولتاژ تا ۳ برابر سطح ولتاژ خروجی را مشاهده می کنیم که از عوامل شکست عایقی موتورهای قدیمی می باشد.

راه حل-

الف- استفاده از درایو در نزدیکی موتور

این روش باعث کاهش طول کابل خواهد داشت اما همیشه امکان پذیر نمی باشد چرا که در اکثر مواقع  در نزدیکی موتور جا و فضای کافی برای نصب و راه اندازی درایو موجود نیست.

ب- استفاده از فیلتر du/dt ؛

این فیلتر با پاکسازی کردن پیک های ناشی از سوئیچینگ IGBT ها افزایش ولتاژ پیک را کاهش داده و امکان طویل تر کردن  کابل را تا دو برابر مقدار مجاز حالت بدون فیلتر را فراهم می آورد، البته این فیلتر هارمونیک را حذف نمی کند.

ج- استفاده از فیلتر سینوسی؛

با استفاده از این فیلتر و با توجه به تبدیل ولتاژ پالسی به ولتاژ بسیار نزدیک به منحنی سینوسی، می توان بدون وجود محدودیت طول، از کابل استفاده کرد.

• محدودیت توان خروجی نسبت به رژیم کاری موتور

موتورهای قفس سنجابی در حالت استارت مستقیم ( Direct Online DOL ) با افزایش جریان ۶ تا ۷ برابری جریان کشی نسبت به جریان نامی راه اندازی می گردند که این موضوع در هنگام استفاده از درایوها با کاهش مقدار همراه خواهد بود، افزایش جریان راه اندازی تا دو برابر جریان نامی برای راه اندازی با توجه به نوع بار، عموماَ عادی ایست و کاهش جریان کشی اولیه که برای مغناطیس شوندگی روتور می باشد با درایو که قبل از استارت، استاتور را در حالت میدان غیر گردنده، پیش مغناطیس کرده و روتور نیز به همچنین، لذا پس از دستور استارت میدان گردنده ایجاد شده و روتور باردار با افزایش جریان کشی کمی که در استاتور نمایان می گردد به چرخش در می آید.

در روش PWM چه در حالت وکتور و چه اسکالر تامین انرژی کامل موتور برای گشتاور مورد نیاز موتور در لحظه استارت با مشکلاتی روبروست لذا معمولا درایوها با راه اندازی زیر بار کامل و یا با اینرسی بالا مشکل داشته و به سرعت به این نوع بار در حرکت از سکون پاسخ نمی دهند.

موتورهایی که با رژیم کاری ( چرخه کاری ) S1 کار می کنند و با تغییرات بار ، افزایش و کاهش شدید دوره ای و یا غیر منظم بار و نیز روشن و خاموش شدن های پیاپی و یا تغییر جهت روبرو نمی باشند برای درایوها موتورهایی ساده محسوب می شوند و درایوهای ساده با فن آوری PWM برای پاسخ گویی به موتورهایی با

راه حل –

تنها راه برای جلوگیری از کاهش گشتاور موتور و یا سوختن درایو به علت جریان کشی بالاتر از توان جریان دهی نیمه های آن، استفاده از درایوی با توان بالاتر برای پاسخکویی به نیاز  جریانی موتور می باشد که این امر افزایش هزینه اولیه در خرید و نیز ثانویه (هزینه برق ، لوازم یدکی ، فضای نصب و …) را در پی خواهد داشت. ضمناً متاسفانه در فن آوری  مدولاسیون پهنای پالس استفاده از درایوی با جریان دهی یکسان با موتور را توصیه نمی کنیم چرا که درایوهای PWM به لحاظ ساختاری با ارایه گشتاور کام از لحظع سکون و در زیر بار کامل با ضعف روبرو می باشند.

• اثرات پالس های لحظه ای بر برینگ ها ( جریان بیرینگ مخرب )

روش مدولاسین پهنای پالس همچنانکه از نامش مشخص می باشد به همراه سوئیچینگ بسیار زیاد می باشد که در بعضی داریوها با تنظیم کارخانه بر روی ۶Khz ارایه می گردند. یعنی در هر ثانیه ۶ هزار بار عمل سوئیچینگ یا همان قطع و وصل نیمه هادی انجام می گیرد ( این مطلب را با فرکانس کنترل موتور اشتباه نکنید)؛ لذا چنین پالس های لحظه ای باعث پیدایش مشکلی به نام جریان بیرینگ می گردند.

بعلت ایجاد اختلاف ولتاژ مابین گوی های داخلی برینگ که حاصل تاثیرپذیری از ولتاژ استاتور با غلاف آن     ” racing way ” که حاصل از تاثرپذیری از ولتاژ روتور می باشند، می نامند ، تخلیه ولتاژی و یا جرقه های ریز ولی مخربی زده می شود که پس از مدتی باعث خوردگی بخش داخلی غلاف و در پی آن خرابی و اجبار در تعویض برینگ را سبب می شوند.

 

راه حل –

استفاده از برینگ های ایزوله در موتورها مخصوصاً برینگ طرف NDE(Non Drive End) موتور، اتصال شفت به زمین با استفاده از ذغال مماس بر شفت، حلقه های جاروبک دار متصل بر بدنه بیرینگ ها هم از داخل و هم خارج آن جهت جمع آوری ولتاژ از روی بیرینگ و انتقال به زمین و یا شفت ها ایزوله راه حل هایی در این خصوص می باشند؛ البته این روش در موتورهایی که به کارخانه سفارش شده است، امکان پذیر می باشد تا که برینگ مناسب در کارخانه نصب گردد و موتور برای آن کاربرد خاص آماده شود. باید در نظر داشت که موتورهایی که بصورت استاندارد تولید می گردند و در بازار می توان آنها را مشاهده کرد، فاقد برینگ های ایزوله می باشند.

• ایجاد نویزهای الکترومغناطیسی

همیشه تولید پالس همراه با تولید نویز الکترومغناطیسی می باشد، پالس ها در واقع شوک های الکتریکی هستند که در لحظه شروع، با ایجاد ولتاژ ناگهانی کار خود را آغاز می کند. تمامی داریوهای PWM باید دور از دستگاه های حساس و آلات دقیق نصب گردند و نیز در شبکه ای که این گونه دستگاه ها بکار گرفته می شوند نمی توان از درایوهای موجود در بازار بدون نصب فیلتر استفاده کرد. بعنوان مثال هیچ درایوی با فن آوری PWM به تنهایی . بدون نصب تجهیزات خارجی دارای استاندارد عدم تداخل الکترومغناطیسی جهت کار در مراکز بیمارستانی، مخابراتی و … نمی باشد که البته فیلترهای هارمونیکی بر روی شبکه متصل به درایوها الزامی است.

راه حل-

الف- استفاده از درایو با فیلتر

نصب فیلتر ( سینوسی و یا du/dt) در کاهش نویز تاثیر مثبتی دارد که می توان با کمی اغماض آنها را در مراکز حساس به امواج و تداخلات الکترومغناطیسی بمانند بیمارستان ها، مورد استفاده قرار داد که البته در چنین مواردی فقط فیلتر سینوسی کمک کننده است. ضمناً این گونه فیلترها با مصرف انرژی الکتریکی معادل ۵% توان موتور هزینه مصرف را بالا می برند و در این حال در واقع از سویی شما صرفه جویی می کنید و از سوی دیگر مصرف.

ب- استفاده از کابل ویژه

کابل هایی که برای اتصال الکتریکی موتورها استفاده می شوند برای اتصال درایو به موتور مناسب نیستند و باید از کابل هایی با شیلد کامل استفاده کرد که تا حدودی جلوی انتشار امواج الکترومغناطیسی را سد می کنند. در مواردی که طرح بازسازی و یا نوسازی مراکز صنعتی در حال مطالعه و یا اجرا می باشد، باید توجه نمود که کابل های قدیمی و معمولی موتورهایی که طرح بر روی آنها انجام می شود با کابل های مناسب نو جایگزین شوند.

• ایجاد صدا در هنگام سوئیچینگ

درایوها باید عمل سوئیچینگ را انجام بدهند چه درایوهای PWM  و چه درایوهای DTC و شما در زمان کار یک درایو صدای ناشی از استهلاک هامورنیک های تولیدی توسط درایو  را در  موتور می شنوید. این صدا بطور کلی شاید برای شما اهمیتی نداشته باشد، اما در اصل باعث سنگینی گوش می شود چرا که یک صدای همیشگی فضای کار را می پوشاند و پاسخ طبیعی بدن، کاهش آستانه شنوایی می باشد. این صدا از موتور در حال کنترل خارج می شود که همانند جیغ با بسامد پائین می باشد که بسیار آزار دهنده است.

راه حل-

با بالا بردن فرکانس سوئیچینگ IGBT ها، صدای تولیدی تا حدودی از آستانه شنوایی انسان خارج شده و بصورت آشکار باعث ناراحتی نمی شود اما وجود خواهد داشت. ضمناً می توان درایو را دورتر از کاربر و در تابلوی مناسب نصب و بهره برداری کرد. هرچند افزایش فرکانس سوئیچینگ با بالا رفتن تلفات موتور و کابل همراه خواهد بود که به کارکرد کابل و موتور در دمای بالا واجه می گردید.

• استفاده از کابل های ویژه

در بخش “ب” راه حل مشکل “ایجاد نویز الكترومغناطیسی” مورد بررسی قرار گرفته است.

 

• بخش سوم – بررسی انواع روش های کنترل در درایو

کنترل موتور در درایوها به سه دسته اصلی تقسیم می شود:

الف- کنترل اسکالر

ب- کنترل وکتور یا برداری با لوپ بسته ( بازخورد پس از موتور)

ج- کنترل وکتور یا برداری با لوپ باز ( بازخورد قبل از موتور)

 

الف- کنترل اسکالر :

در این روش درایو فقط با کنترل ولتاژ و فرکانس خروجی، سعی در ثابت نگه داشتن حاصل ولتاژ بر فرکانس  به مقدار عددی ثابت را خواهد داشت (V/f) و در مقابل خواسته های موتور و نیز وضعیت موتور با تاخیر پاسخگو     می باشد. مثلاً در صورتی که درایو بروی ۴۳ hz تنظیم شده باشد و موتور در واقع با فرکانس  ۴۰hz کار کند، درایو از این موضوع بی خبر می باشد و اساساً در این روش، کاری به اینکه موتور در چه وضعیتی است، ندارد، بازخوردی صورت نمی گیرد و می توان از آن برای کنترل تجهیزاتی استفاده کرد که احتیاج به دقت زیاد در چرخش و پاسخگویی سریع به بار را ندارند، ازجمله پمپ ها و فن ها و نیز باید توجه فرمایید که حتی در چنین اموری نیز اگر سرعت شما برابر و یا کمتر از۱۰hz باشد این روش ممکن است نتواند پاسخگو باشد.

ب- کنترل وکتور یا برداری با لوپ بسته ( بازخورد پس از موتور)

در این روش درایو وضعیت موتور را لحظه به لحظه تحت نظر دارد و به تغییرات سریعاً پاسخ می دهد. این ممکن نیست مگر با استفاده از دستگاه های اندازه گیری نصب شده بر روی شافت موتور که  می توان تاکو ژنراتور و پالس انکودر را از رایج ترین این دستگاه ها بشمار آورد. با مشخص شدن مقدار اختلاف مابین فرکانس اعمالی از سوی درایو و چرخش واقعی موتور و اعلام این بازخورد به سیستم تشخیص درایو، درایو خود را تصحیح کرده و با کم و یا زیاد کردن فرکانس خروجی، چرخش موتور را در سرعت صحیح مورد نظر ثابت نگه می دارد. اشکال این روش اینستکه شما احتیاج به تجهیزات مکانیکی دیگری برای سنجش وضعیت موتور خواهید داشت که معمولاً گران قیمت، خطا پذیر و نیازمند نگهداری می باشند.

ج- كنترل وكتور لوپ باز ( بازخورد قبل از موتور)

پیشرفته ترین روش موجود برای شناخت وضعیت موتور استفاده از مدل ریاضی موتور می باشد كه در آن مقدار جریان هر فاز قبل از ورود به موتور بوسیله سنسورهای حساس و پرسرعت هال سنجیده شده و به مدل ریاضی معادل موتور AC برای پردازش در میكروپروسسور و یا DSP ارسال می گردد. این روش بدون نیاز به تجهیزات مکانیکی نصب شده بر روی موتور جهت سنجش دور موتور، قابلیت شناخت وضعیت آن دارد و با پاسخ دهی سریع، نیاز به چنین ادواتی را مرتفع كرده است.

ناگفته نماند كه تئوری های پیشرفته متعددی در خصوص معادله های شبیه ساز موتورهای AC در سطوح علمی و صنعتی بصورت آزمایشگاهی و یا صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند كه دو روش شناخت DTC( Direct Torque Control) و NFO( Natural Field Orientation) را نام برد كه اولی روش مورد استفاده در درایوهای ABB سری ACS800 به بالا ساخت فنلاند ، و دومی روش مورد استفاده در درایو NFO Sinus  ساخت سوئد می باشند.

شناخت وضعیت موتور با پیشرفت های حاصل شده در مدل های ریاضی و نیز افزایش سرعت و ظرفیت پردازش میكروپروسسور ها و DSP ها تا ۱ میلی ثانیه نیز كاهش داشته است كه عملاً قابلیت پاسخگویی به نیازها و تسلط بر كنترل موتور را تا برابری با موتورهای DC و SERVO بالا برده است.

 

• بخش چهارم – معرفی درایو جدید NFO Sinus

با پیشرفت های حاصل شده در صنعت كنترل موتورهای AC ، شركتهای زیادی پا در این عرصه گذاشته اند كه تعدادی از آنها با اتكاء بر قابلیت و فن آوری بالای خود و تعدادی با تكیه بر قیمت پائین و فن آوری ساده خود، در بازار فروش، سخت در تلاش هستند که نتیجه آن، پوشش نیاز طیف گسترده ای از مشتریان می باشد. اگر در طول این مقاله با ما همراه بوده باشید با تمامی اشكالات و راه حل های درایوهای PWM آشنا شده اید.

لذا ارایه و معرفی درایو منحصربفردی که دارای خروجی سینوسی خالص می باشد، می تواند جالب توجه باشد چرا که با قابلیت ها و كارایی این درایو که متفاوت با درایوهای PWM  و یا DTC آشنا می گردید.

درایو NFO Sinus  ساخت شركت سوئدی NFO Drives AB می باشد. این درایو دارای دو ویژگی منحصر به فرد می باشد:

الف- ولتاژ و جریان سینوسی خالص در خروجی درایو.

ب- پردازش وضعیت و کنترل موتور با استفاده از پیشرفته ترین نرم افزار و سخت افزار.

 

الف- ولتاژ سینوسی خالص در خروجی

شاید تعداد زیادی از خوانندگان و  آشنایان با درایو با شنیدن این موضوع یا تعجب كرده باشند و یا با موضوع گیری منفی آنرا رد كرده باشند اما این یك حقیقت در فن آوری درایو می باشد. یك اختراع كه در اروپا توسط بنیان گذار شرکت NFO Drives AB آقای Ragnar Jönsson  به ثبت رسیده است و هم اكنون در این درایو به صورت عملی و تجاری بکار گرفته می شود.

اجازه بدهید به بررسی كاركرد، مزایا و معایب این درایو بپردازیم.

مزایای مدار سینوسی ( نسبت به PWM)

• ارایه ولتاژ و جریان سینوسی خالص در خروجی.
• عدم ایجاد تداخل الكترومغناطیسی.
• عدم نیاز به هرگونه فیلتری.
• عدم وجود هارمونیک مخرب.
• عدم احتیاج به نصب فیلتر EMC – راحتی در نصب.
• عدم احتیاج به كابل شیلدار – استفاده از كابل استاندارد (معمولی).
• عدم محدودیت در طول كابل مابین درایو و موتور-  بجزء محدودیت در مقاومت الكتریكی كابل.
• عدم وجود مشكل جریان زمین- قابلیت استفاده كلیدهای تشخیص نشتی جریان یا همان محافظ جان (RCCB).
• عدم ایجاد جریان بیرینگ –  افزایش عمر بیرینگ های موتور.
• عدم وجود صدا درموتور- كاملاً ساكت.
• عدم افزایش حرارت موتور- افزایش عمر عایقی موتور.
• عدم افزایش حرارت موتور – بدون نیاز به IC416.
• عدم ایجاد مشكل در ایزولاسیون موتور – افزایش طول عمر موتور.

بررسی مزایای فوق و مقایسه آن با عملكرد درایوهای PWM، اهمیت حضور چنین درایو را بیشتر نمایان می كند.

• ارایه ولتاژ و جریان سینوسی خالص در خروجی

بطور حتم شما هم با من هم عقیده هستید كه ولتاژ و جریان طبیعی برای كاركرد موتور، ولتاژ و جریان سینوسی می باشد كه البته این خواسته در درایوهای PWM برآورده نمی گردد. با استفاده از مدار Sinus Circuit ، خروجی درایو NFO Sinus سینوسی خلص می باشد.

مزیت:

ولتاژ سینوسی ایجاد پیك ولتاژی بر روی ترمینال موتور نكرده و باعث تخریب تدریجی ایزولاسیون موتور نمی گردد. لذا امكان استفاده از این درایو در بازسازی ها و نوسازیهای صنعتی در جهت اتصال به موتورهای كار كرده قدیمی کاملا ایمن می باشد و این موتورها با وجود تحت كنترل قرار گرفتن توسط یك درایو و بهره مندی از منافع آن، جریان و ولتاژی غیر از آنچه كه در قبل از اتصال به درایو از آن استفاده می كرد  (سینوسی) ، نخواهند داشت.

این یعنی عدم ایجاد تغییر در موتور و كار كرد موتور قدیمی بدون نیاز به اضافه نمودن تجهیزاتی بمانند فیلتر در سر راه درایو PWM كه خود كاهش در هزینه های:

 

• تعویض موتور قدیمی با نو
•  نیاز به فیلتر برای كاهش پیك ولتاژ پالسی در درایو PWM
• نیاز به استفاده از درایوی با توان بالاتر برای پاسخ گویی به موتوری با توان پائین تر

را نیز در پروژه در پی خواهد داشت.

 

از طرفی می دانیم كه استفاده از درایو بخوبی باعث كاهش مصرف انرژی الكتریكی می گردد بدون آنكه كارایی موتور كاهش یابد. این بدان معناست كه موتور همیشه با آن سرعت و قدرتی می چرخد كه نیاز بار و یا برنامه تنظیمی از سوی كاربر می باشد و این یعنی عدم هرز گردی موتور که حاصل برآورده سازی نیاز گشتاوری موتور در هر سرعتی و در هر باری دقیقا مطابق با گشتاور بار می باشد.

 

درایو NFO Sinus ، جریان خروجی درایو به جریان نامی موتور بسیار نزدیك می باشد. كه این موجب كاهش مصرف انرژی الكتریكی  و یا كاهش هزینه برق مصرفی نسبت به دیگر درایوها را در پی خواهد داشت. بعنوان مثال خواهشمند است به مقایسه ذیل مابین درایو ۱۱ كیلو وات ABB و NFO Sinus توجه فرمایید:

Diff.	In(Motor)-1500 rpm ABB	In(Drive)	Power	Manufacture	Item
۳٫۱۳	۲۰٫۸۷	۲۴	۱۱	ABB(acs800)	۱
۰٫۶۳	۲۰٫۸۷	۲۱٫۵	۱۱	NFO Sinus	۲

بعلاوه درایو NFO Sinus از MOSFET در سوئچینگ استفاده می کند که از سرعت بسیار بالاتری از IGBT  در سوئیچینگ دارد:

MOSFET (30 KHz – 220 KHz)

IGBT       (۸۰۰ Hz – 15 KHz)

• عدم ایجاد تداخل الكترومغناطیسی

این درایو سوئدی هیچگونه نویز الكترومغناطیسی را ایجاد نمی كند و در این زمینه بعنوان تنها درایو دارنده استاندارد EMC 2004/108/EG در دنیا بدون نیاز به فیلتر شناخته می شود. لذا افقی جدید از كاربری درایو را گشوده است:

• دارای استاندارد EN 61000-6-3 مربوط به مجتمع های مسكونی، تجاری و مراكز صنعتی كوچك
• دارای استاندارد EN61000-6-2 مربوط به مراكز صنعتی بزرگ
• دارای استاندارد EN60601-1-2 مربوط به مراكز پزشكی، بیمارستانی و نظامی

ضمناً درایو NFO Sinus تنها درایو تجاری است كه دارای مجوز نصب در مراكز بیمارستانی بدون نیاز به فیلتر می باشد. علاوه براین درایو NFO Sinus بعنوان اولین و تنها درایو مجاز در ناوها و زیردریایی های پنهان کار مورد بهره برداری قرار گرفته است.

• بدون نیاز به هیچگونه فیلتر

با نگاه به موضوع قبل می دانید كه درایوهای PWM از فیلترهای du/dt و یا سینوسی استفاده می كنند كه علت آن قبلاً بررسی شده است، اما این درایو بدون نیاز به چنین فیلترهایی  و با تولید ولتاژ سینوسی خالص  كه علت وجودی فیلترهای du/dt و سینوسی را كاملاً منتفی می کند. ضمناً نمودار ولتاژ خروجی از درایو NFO Sinus  از نمودار ولتاژ پس از فیلتر سینوسی خالص تر و دقیق تر می باشد. فیلترهای سینوسی برای کارکرد خود انرژی مصرف می کنند که حدود ۵% از توان موتور را شامل می شود.

• بدون احتیاج به نصب فیلتر EMC – راحتی در نصب

تابلوبرق مربوط به فیلتر؟ این مورد دیگر در خصوص این درایو صادق نیست. در واقع فیلتری وجود ندارد كه احتیاج به تابلو یا كابینت آن باشد. صرفه جویی در زمان و هزینه نصب درایو.

• بدون احتیاج به كابل شیلددار – استفاده از كابل استاندارد (معمولی)

چون نویزی نیست پس كابل شیلدداری هم جهت كاهش نیوز الكترومغناطیسی نیز لازم نیست. لذا در نوسازی های صنعتی كابل موتورهای قدیمی بدون تغییر و تعویض استفاده می گردند. ضمناً در طراحی ها و نوسازی ها در صنایع نیز احتیاجی به خرید کابل های جدید نیست و از کابل های موجود می توان استفاده نمود که این خود كاهش در هزینه خرید كابل را خواهیم داشت.

• بدون محدودیت در طول كابل مابین درایو و موتور-  به جزء محدودیت در مقاومت الكتریكی كابل

این یعنی درایو NFO Sinus  را هر كجا می خواهید، نصب كنید مثلاًبسیار دورتر از موتور و در اتاق فرمان.

در نوسازی های صنعتی می توانید سیستم راه اندازی قبل را برداشته و در همانجا درایو را نصب كنید بدون آنكه نگران طول كابل باشید در واقع اگر سیستم قبلی بخوبی ولتاژ‍ و جریان را به موتور می رسانده پس این درایو نیز می تواند. در طراحی های بازسازی صنایع نیز دست طراحان برای قرار دادن درایو در مكان های مناسب باز می باشد. درایوهای NFO را بدون مشکل در جایی قرار دهید که دیگر تجهیزات نیز قرار می دهید.

 

• بدون مشكل جریان زمین- قابلیت استفاده از كلیدهای نشتی (RSD)

تمامی درایوهای PWM می بایستی كه زمین شوند در حالی كه NFO Sinus را بدون احتیاج به زمین نمودن آن      می توان استفاده  نمود و حتی در صورت لزوم با استفاده از كلیدهای محافظ جان (نشتی یا تفاضلی) بدنه را در مقابل وجود جریان محافظت نمود. نوعی از درایو NFO Sinus برای استفاده در مراكز مخابراتی و IT ساخته شده است كه هیچگونه احتیاجی به زمین نمودن ندارد.

• بدون ایجاد جریان بیرینگ –  افزایش عمر بیرینگ های موتور

در كلیه درایوهای PWM موضوعی به نام جریان بیرینگ وجود دارد كه قبلاً با آن آشنا شده ایم اما درایو NFO Sinus   چنین اشكالی برای بیرینگ های موتور را ایجاد نمی كند كه این باعث افزایش طول عمر بیرینگ موتور می گردد و هزینه های قطعات یدكی برای تعویض های زود هنگام بیرینگ و نیروی انسانی و خروج موتور از چرخه كار را از بین خواهد برد.

شركت NFO Drive AB با اعتماد به عملكرد درایو خود بیرینگ ها را تا ۵ سال وارانتی می كند. به شرط آنكه موتورها نیز نو بوده و هم قبلاً با درایوهای PWM کار نکرده باشند.

•     بدون وجود صدا- كاملاً ساكت

صدای تولیدی توسط موتورهای متصل به درایوهای PWM ، از موارد ایجاد صدای همیشگی و پایدار در مراكز صنعتی می باشد كه البته این درایو هیچگونه صدایی را در موتور ایجاد نمی كند و برای استفاده در مراكزی كه سكوت از اهمیت بالایی برخوردار است می تواند استفاده گردد بمانند زیردریایی های و كشتی های جنگی و و بیمارستانها و حتی مراكز صنعتی.

• بدون افزایش حرارت در موتور- قابلیت استفاده از موتورهای كوچك تر

با توجه به اینكه موتورها بر اثر كار با درایوهای PWM گرم شده و توان كاری آنها كاهش می یابد، لذا در بسیاری از موارد اجبار به استفاده از موتوری با توان بالاتر می باشد تا در صورت كاهش توان خروجی، موتور همچنان قدرت پاسخگویی به بار را  داشته باشد، اما با حضور درایو NFO Sinus این مشكل برطرف شده و موتور بر اثر كار با درایو داغ نمی شود لذا امكان كاربری موتوری با توان كمتر امكان پذیر می باشد.

• بدون ایجاد مشكل در ایزولاسیون موتور – افزایش طول عمر موتور

عدم وجود هارمونیک، ‌عدم وجود پیك ولتاژی در پالس، عدم تولید حرارت در موتور از مزایای این درایو می باشد كه كاملاً با ایزولاسیون موتور مهربان بوده و هیچگونه اثر سویی را بر آن بجا نمی گذارد.  لذا طول عمر موتور افزایش می یابد.

 

ب – روش شناخت وضعیت موتور

درایو  NFO Sinus از جدیدترین و کاراترین معادله ریاضی شبیه ساز موتور استفاده می کند، NFO(Natural Field Orientation) .این موتور شبیه ساز با بازخوردی که از جریان ورودی به موتور بدست   می آورد وضعیت موتور را بررسی و پاسخ می دهد.

این روش شناخت موتور که زیر مجموعه ای از روش کلی وکتور بدون سنسور می باشد بسیار کارا و پرسرعت است و سرعت پاسخ آن، ۱ میلی ثانیه می باشد که این ۱۰ الی ۲۰ برابر سریع تر از روش های معمول وکتور بدون سنسور و دوبرابر سریع تر از DTC (Direct Torque Control)  می باشد که بین ۱ الی ۲ میلی ثانیه است. سرعت پاسخ دهی بسیار شگفت انگیز که کاملاً روش وکتور با سنسور را به چالش می کشاند.

درایو NFO Sinus برای پردازش این داده ها در مدل ریاضی موتور AC از بهترین پردازش گر DSP در جهان بهره می برد یعنی پردازشگر DSP TI- که پردازشگر ساخت تگزاس اینسترومنت (Texas Instrument) آمریکا است. برای کلیه اهل فن بخصوص آنانی که در سیستم های مخابراتی فعالیت می کنند این نام معنایی جزء شگفتی در کارایی را ندارد و بدون ترید، هیچ رقیبی در این خصوص در نزدیکی خودش احساس نمی کند.

اگر از ابتدای این مقاله با من همراه بوده باشید به خوبی با تفاوت شگرف مابین درایو NFO Sinus و دیگر درایوها آشنا شده اید. کارایی منحصر بفرد این درایو که بسادگی یک کنتاکتور بدون نیاز به تجهیزات جانبی نصب می گردد و با توانایی بالا در کنترل موتور بهره وری را افرایش می دهد، بهره مندی مصرف کنندگان را افزون می گرداند.

 

با تشکر

هانی ادیب آزاد

مدیرفنی شرکت ویستا جم صنعت

۲۴ دیماه ۱۳۹۶