روش های کنترلی محرکه های فرکانس متغیر

استفاده از VFD ها با روش کنترلی درست، میتواند باعث عملکرد صحیح در یک کاربرد شود.

• روش­های کنترلی و PWM

یک محرکه فرکانس متغیر[۱] (VFD) معمولی می­تواند تعداد پارامتر­های عملکردی مختلف و متفاوتی، از چند صد تا چند هزار، داشته باشد. دانستن این موضوع که کدام پارامتر و به چه نحوی باید تنظیم شود، می­تواند امری چالش­برانگیز باشد. کدام پارامتر­ها مهم بوده و کدام­یک اهمیت چندانی ندارند؟ مسلما، یکی از مهم­ترین پارامتر­های VFD که گاهی هم به درستی درک نمی­شود، موردی است که (( روش کنترلی )) را تعیین می­نماید. استفاده از یک VFD با روش کنترلی مناسب، می­تواند باعث کارکرد صحیح و یا نامناسب در یک کاربرد مشخص شود. هنگامی که درکی از مزایا، معایب و مشخصات ویژه هر روش کنترلی به دست آید، انتخاب گزینه مناسب برای کاربرد شما ساده خواهد بود.

در ابتدا، (( روش کنترلی )) چیست؟ بسیاری ار افراد در صنعت تصور می­کنند که روش کنترلی یک روش ترتیبی (sequencing method) است که برای کنترل یک VFD در سیستم­های ۲ سیمه یا ۳ سیمه مورد استفاده قرار می­گیرد. یک سیستم ۲ سیمه یا ۳ سیمه، پایانه­های کنترلی ورودی یک VFD را برای اتصال به کانتکت­های ثابت یا کلید­های قطع و وصل لحظه­ای VFD مورد استفاده قرار می­دهد. روش کنترلی که این مقاله بر روی آن تمرکز دارد، در واقع تعیین می­نماید که VFD چگونه عملکرد موتور را کنترل می­نماید. برای تمایز بهتر، می­توانید آن را روش کنترل موتور بنامید. با این حد اندک از معلومات، باید اکنون واضح باشد که چرا این امر دارای اهمیت بالایی در تمامی کاربرد­هاست.

۴ نوع روش کنترل موتور اساسی وجود دارد که برای کنترل موتور­های القایی متصل به VFD مورد استفاده قرار می­گیرد. این روش­ها عبارتند از: V/F (ولت بر هرتز)، V/F با انکدر، کنترل برداری حلقه باز، کنترل برداری حلقه بسته.

قبل از تعریف این روش­های کنترلی و رمزگشایی از این امر که چه نکته­ای هر کدام را متمایز می­نماید، یک امر مشترک بین هر ۴ نوع آن­ها وجود دارد. این امر مشترک، مدولاسیون عرض پالس (PWM) است. PWM روشی است که عرض یک سیگنال ثابت را با مدوله کردن مدت زمان پالس تغییر داده تا بدین صورت، نشان دهنده یک سیگنال آنالوگ متغیر باشد. PWM با استفاده از ولتاژ DC ثابت حاصل از خازن­های لینک DC موجود در VFD، به VFD اعمال می­شود. مجموعه­ای از ترانزیستور­های دوقطبی با گیت ایزوله (IGBT) موجود در خروجی، با قطع و وصل سریع خود، پالس­ها را تولید می­نمایند. با تغییر عرض پالس­های خروجی در شکل­موج ولتاژ خروجی، یک شکل­ موج AC شبه-سینوسی ساخته می­شود. (شکل ۱ را مشاهده کنید.) گرچه شکل­موج ولتاژ خروجی محرکه­ها به علت پالس­های DC، شامل موج­های مربعی است، به­علت ماهیت سلفی موتور، شکل­ موج جریان سینوسی خواهد بود. تمامی روش­های کنترل موتور از یک شکل­ موج ولتاژ PWM برای کنترل موتور استفاده می­کنند. اختلاف بین روش­های کنترل موتور در فرآیند مورد استفاده برای تعیین ولتاژی که در هر لحظه معین، برای اعمال به موتور مورد نیاز است؛ می­باشد.

• روش V/F

روش ولت بر هرتز، که عموما V/F نامیده می­شود، می­تواند به عنوان ساده­ترین روش کنترل موتور در نظر گرفته شود. این روش عموما به علت سادگی قابلیت plug-n-play آن، مورد ترجیح واقع می­شود. این روش از آن­جایی به عنوان plug-n-play در نظر گرفته می­شود که اطلاعات بسیار کمی از موتور برای درایو مورد نیاز است. تنظیم VFD برای موتور متصل شده مورد نیاز نیست (ولی هم­چنان توصیه می­شود.) به انکدر موتور نیازی نیست. انکدر موتور یک وسیله الکترومکانیکی ساده بوده که معمولا بر روی بخش عقب محفظه موتور قرار گرفته و به شفت موتور کوپل می­شود. دوران شفت موتور باعث تولید مجموعه­ای از پالس­های الکتریکی در هر دور (PPR) می­شود. این پالس­ها به VFD بازگشته و به عنوان فیدبک سرعت مورد استفاده قرار می­گیرند. روش V/F از انکدر استفاده نمی­کند. این امر منجر به هزینه پایین­تر و سیم­کشی کم­تر خواهد شد. روش V/F عموما هنگامی مورد استفاده قرار می­گیرد که عملکرد در فرکانس بالا مدنظر باشد (فرکانس می­تواند به سادگی از ۱۰۰۰ هرتز بالاتر رود). بیشتر ابزار ماشین­کاری و دوک­های نخ­ریسی از روش کنترلی V/F برای این مزیت آن استفاده می­کنند.

دیگر مزیت روش V/F آن است که تنها روش کنترلی است که امکان چرخاندن چندین موتور را با یک VFD تکی فراهم می­آورد. در زمان گرداندن چندین موتور، تمامی موتور در یک زمان واحد قطع و وصل خواهند شد و نیز یک سرعت مرجع واحد ردیابی می­شود.

برخی محدودیت­های روش V/F آن است که هیچ تضمینی نیست که VFD شفت موتور را واقعا بچرخاند.  به­ علاوه، گشتاور راه­ اندازی موتور به ۱۵۰ درصد در فرکانس ۳ هرتز محدود می­شود. گرچه این مشخصه گشتاور راه ­اندازی می­تواند یک نقصان محسوب شود، برای بیشتر کاربرد­های گشتاور متغیر، این مقدار کافی خواهد بود. در واقع، تقریبا تمامی کاربرد­های فن و پمپ با گشتاور متغیر موجود در صنایع امروزی با روش کنترلی V/f عمل می­کنند.

از آن­جایی که V/f یک روش کنترلی نسبتا ساده است، دارای برخی مشخصه­ های نامناسب[۱] می­باشد. تنظیم سرعت عموما بین مثبت و منفی ۲ الی ۳ درصد فرکانس حداکثر خواهد بود. پاسخ سرعت در حدود ۳ هرتز است. پاسخ سرعت به صورت میزان مناسب پاسخ  VFD به اعمال یک پله در مرجع فرکانس تعریف    می­شود. افزایش در پاسخ سرعت منجر به پاسخ سریع­تر موتور در هنگام تغییر فرکانس مرجع خواهد شد.

به ­علاوه، هر روش کنترلی دارای یک محدوده کنترل سرعت است که به ­صورت یک نسبت بیان می­شود. محدوده کنترل سرعت روش V/F برابر با ۱:۴۰ است. اگر این نسبت را در حداکثر فرکانس ضرب نماییم،      می ­توانیم حداقل سرعتی را که VFD می­تواند تحت آن عمل کرده و هم­چنان عملکرد کنترل سرعت حفظ گردد؛ به دست آوریم. به ­عنوان نمونه، با در نظر گرفتن ۶۰ هرتز به عنوان فرکانس حداکثر و ۱:۴۰ به عنوان محدوده کنترلی، درایوی که از روش کنترلی V/F استفاده می­کند می­تواند موتور را فرکانس ۱٫۵ هرتز کنترل نماید.

آن­چه روش V/F را از دیگر روش کنترلی متمایز می­کند، نحوه تعیین ولتاژ خروجی ارسال شده به موتور است. این روش کنترلی بدین منظور از (( الگوی V/F )) استفاده می­کند. الگوی V/F یک نسبت ولتاژ به فرکانس را تعریف می­نماید که موتور باید آن را دنبال نماید. در مرجع سرعت مشخص، یک ولتاژ مشخص به عنوان خروجی برای موتور تعیین خواهد شد. این نسبت معمولاً برای یک پروفیل مشخص یا برای یک کاربرد و موتور مورد استفاده، بهینه­ سازی خواهد شد. کاربرد­هایی مانند فن­ها و پمپ­ها بار­های گشتاور متغیر هستند. یک الگوی V/f گشتاور متغیر باید به­ منظور جلوگیری از خطا­ها و بهبود عملکرد و بازده مورد استفاده قرار گیرد. موارد مشابهی نیز باید برای کاربرد­های با گشتاور ثابت مانند نوار نقاله­ ها، اکسترودرها (extruders)، بالابر­ها و … مورد استفاده قرار گیرند. برای کابرد­های گشتاور ثابت، یک الگوری V/f گشتاور ثابت باید در نظر گرفته شود.

به­ منظور افزایش بازده، در الگوی V/f برای گشتاور بار متغیر جریان مغناطیس­ شوندگی در سرعت­های پایین­ تر کاهش می­یابد. برای دست­یابی به این هدف، می­توان به سادگی ولتاژ موتور را در انتهای سرعت پایین پروفیل کاهش داد. در مقابل، یک بار گشتاور ثابت نیاز به جریان مغناطیس ­شوندگی حداکثر در تمامی سرعت­ها دارد. برای این بار­ها، یک شیب ثابت ساخته شده و در تمامی محدوده سرعت دنبال می­شود. (شکل ۲)

روش V/f با انکدر

اگر تنظیم سرعت نسبتا بهتر در کنار قابلیت عملکرد در فرکانس­های مرجع بالاتر مدنظر باشد، روش کنترلی V/F می­تواند برای عملکرد با انکدر اصلاح شود. اضافه کردن فیدبک انکدر به روش کنترلی V/F می­تواند میزان تنظیم سرعت را به مثبت و منفی ۰٫۰۳ درصد فرکانس حداکثر کاهش دهد.

ولتاژ خروجی هم­چنان با استفاده از الگوی V/f انتخابی تعیین می­شود. این امر امکان کنترل سرعت­های بالا بدون پاسخ دینامیکی سریع را فراهم می­آورد؛ زیرا ولتاژ و فرکانس از قبل تعیین شده­اند. این روش کنترلی چندان مرسوم نیست؛ چرا که یک انکدر و کارت فیدبک باید خریداری شده و مزایای حاصله در مقایسه با روش V/f استاندارد بسیار کم هستند. گشتاور راه ­اندازی، پاسخ سرعت، و محدوده کنترل سرعت تماما مشابه با روش V/f ذکر شده در بالا (معمولی) هستند. عملکرد در فرکانس کاری بالاتر به وسیله  PPR   انکدر محدود می­شود.

• روش برداری حلقه باز

روش برداری حلقه باز (OLV)، که گاهی اوقات روش برداری بدون سنسور نامیده می­شود، نسبتا متفاوت از روش کنترلی V/F است. همانگونه که از نام آن پیداست، عنوان حلقه­ باز بدان معناست که از انکدری استفاده نمی­شود. هدف اصلی روش کنترلی OLV دست­یابی به دینامیک بهتر برای کنترل موتور است. کنترل برداری برای دست­یابی به کنترل مستقل سرعت و شار موتور، مشابه با کنترل موتور DC، مورد استفاده قرار می­گیرد.

زمانی که از OLV استفاده می­شود، موتور می­تواند ۲۰۰ درصد گشتاور نامی را در ۰٫۳ هرتز تولید نماید. گشتاور راه­اندازی بالاتر در سرعت­های پایین­تر، امکان استفاده در بازه وسیعی از کاربرد­های گوناگون را فراهم می­آورد. هم­چنین این روش کنترلی امکان عملکرد در محدوده هر چهار ربع گشتاور را فراهم می­آورد. محدوده گشتاور اساسا برای محدود کردن گشتاور موتور به­منظور جلوگیری از صدمه به تجهیزات، ابزارآلات و محصولات است. محدوده­های گشتاور، بر اساس جهت چرخش موتور (مستقیم یا معکوس) و این­که موتور در حالت کاری موتوری یا ژنراتوری عمل می­کند، به چهار ناحیه مختلف تقسیم­بندی می­شوند (شکل ۳) برای یک جازن درب بطری[۱](!) که برای جلوگیری از اعمال گشتاور بیش از حد به درب بطری، نیاز به گشتاور محدود دارد؛ باید یک گشتاور حدی در ناحیه اول در نظر گرفته شود. در مقابل، در کاربرد باز کردن پیچ[۲]، برای چرخش خط (؟) نیاز به جهت چرخش مثبت است ولی برای جلوگیری از ایجاد تنش در اثر حالت ژنراتوری ناشی از کشیده شدن خط، باید یک حد گشتاور منفی در نظر گرفته شود. این کاربرد نیاز به تعیین حد گشتاور در ناحیه چهارم دارد.

علاوه بر محدودیت­های مربوط به گشتاور، روش کنترلی OLV دارای پاسخ سرعت سریع­تر (۱۰ هرتز) می­باشد که امکان پاسخ­های دینامیکی بهتر برای بار­های ضربه­ای[۳] را فراهم می­آورد. نمونه­ای از کاربرد دارای بار­های ضربه­ای، سنگ­شکن­ها هستند. بار در این کاربرد به صورت مداوم و متناسب با ابعاد و مقدار سنگ­هایی که در سنگ­ شکن قرار دارند، تغییر می­کند.

آن­چه کنترل برداری را متمایز ساخته و امکان عملکرد مناسب را فراهم می­آورد، نحوه تعیین ولتاژ اعمالی به موتور توسط VFD است. تعداد زیادی کتاب، رساله، دوره­های آموزشی و انواع تحقیقات و اسناد برای شرح کنترل برداری در طی این سالیان تولید شده است. این مقاله تنها به مفاهیم پایه­ای کنترل برداری می­پردازد. به جای یک الگوی V/F ثابت، OLV از یک الگوریتم برداری برای یافتن مناسب­ترین ولتاژ خروجی که برای حرکت موتور لازم است، استفاده می­کند. روش کنترل برداری این امر را با استفاده از فیدبک جریان از موتور تحقق می­بخشد. با استفاده از ریاضیات برداری پایه­ای، جریان­های موتور به مولفه مغناطیس­کنندگی و تولیدکننده گشتاور تقسیم­بندی می­­شود. (شکل ۴) از آن­جایی که این روش کنترلی به شدت به دینامیک موتور وابسته است، باید نوعی فرآیند خود-تنظیمی[۱] انجام شود تا مطمئن باشیم که VFD تا حد ممکن اطلاعات موتور را در اختیار دارد.

بعد از انجام فرآیند خود تنظیمی VFD برای موتور متصل، اکنون کنترل برداری قابل انجام است. با کمک اطلاعات/پارامتر­های قابل اطمینان موتور، VFD می­تواند مقدار جریان مغناطیس­کنندگی (id) و جریان تولید­کننده گشتاور (iq) را محاسبه نماید. این مقادیر بردار هستند. برای دست­یابی به حداکثر بازده و گشتاور، VFD باید این دو مولفه را با ۹۰ درجه اختلاف نسبت به یکدیگر قرار دهد. زاویه ۹۰ درجه از آن­جا انتخاب می­شود که مقدار سینوس آن برابر یا ۱ است. مقدار ۱، حداکثر گشتاور موتور را نشان می­دهد. شکل ۵ را ببینید.

به­ طورکلی، مشخصه ­های کنترلی بهتر توسط روش کنترلی برداری قابل دست­یابی است. رگولاسیون سرعت در محدوده مثبت و منفی ۰٫۲ درصد فرکانس حداکثر می­باشد. محدوده کنترل سرعت تا مقدار ۱:۲۰۰ افزایش یافته که این امر امکان کار در سرعت­های پایین بدون از دست دادن تولید گشتاور را فراهم می­کند.

• روش برداری حلقه بسته

آخرین روش کنترلی که در این­جا بحث می­شود، دارای بهترین عملکرد می­باشد. روش کنترل موتور برداری حلقه بسته (CLV) همانند روش OLV از الگوریتم برداری برای تعیین ولتاژ خروجی استفاده می­کند. تفاوت کلیدی اضافه شدن انکدر است. افزودن فیدبک انکدر به روش برداری، امکان دست­یابی به ۲۰۰ درصد گشتاور راه­اندازی را در سرعت صفر فراهم می­آورد. این ویژگی­ یک نکته کلیدی برای فروش محصول در کاربرد­هایی است که نیاز به نگه داشتن یک بار و عدم حرکت دارند این کاربرد می­تواند شامل آسانسور­ها، جرثقیل­­ها و بالابر­ها باشد.

فیدبک انکدر امکان سریع­ترین پاسخ سرعت (بالاتر از ۵۰ هرتز) و هم­چنین بالاترین محدوده کنترل سرعت ۱:۱۵۰۰ را فراهم می­کند. علاوه بر این ویژگی­های عملکردی مناسب، روش CLV این قابلیت را دارد که موتور را در وضعیت کنترل گشتاور به حرکت در آورد. حالت کنترل گشتاور این امکان را برای VFD فراهم می­کند تا به جای سرعت موتور، گشتاور آن را کنترل نماید. این مورد برای هر گونه کاربردی که در آن گشتاور بر سرعت ارجحیت دارد، ضروری است. دستگاه­های پیچنده[۱]، رولینگ[۲]، جازن درب بطری[۳] و کاربرد­های web (؟)، مثال­های خوبی از کاربرد­هایی هستند که در آن­ها به کنترل گشتاور نیاز است.

• خلاصه

تخمین زده می­شود که موتور­ها مصرف­کننده حداقل ۵۰ درصد از انرژی آمریکا هستند. انتخاب روش کنترلی مناسب برای یک کاربرد این امکان را به موتور می­دهد تا با بازده بالاتر، تولید گشتاور حداکثر و عملکرد حداکثر فعالیت کند. عملکرد مناسب­تر موتور منجر به مصرف انرژی پایین­تر، از کار افتادگی کوتاه­تر و هم­چنین صرفه­ جویی­های کلی بیشتر خواهد شد.

اصطلاحات بکاررفته در متن

[۱] winder

[۲] rewinder

[۳] capping

[۱] Auto-tune

[۱] Bottle capper

[۲] Unwinding application

[۳] Impact load

[۱] looser

[۱]Variable Frequency Drive

منبع:گروه الکترونیک قدرت دانشگاه تهران