درایوهای الکتریکی

درایو الکتریکی

در این مقاله قصد داریم مرور مختصری بر چرایی پیدایش درایوهای الکتریکی و کمک‌های درایوهای الکتریکی به صنعت بپردازیم. ابتدا انواع موتورهای الکتریکی را بررسی می‌کنیم و مزایا و معایب آن‌ها را برمی‌شماریم. موتورهای DC اولین نسل موتور­های الکتریکی بودند و با هدف تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی طراحی شدند. این کار با کمک یک آهنربا با میدان ثابت انجام می‌شود. دلیل نام‌گذاری این موتور‌ها استفاده از جریان برق مستقیم (Direct Current) است. موتور DC از بخش‌های استاتور، سیم‌پیچ روتور، میله‌های هادی جریان، جاروبک و کموتاتور تشکیل شده است و در کاربردهای گوناگونی از قبیل ساخت اسباب‌بازی‌ها و همچنین صنایع رباتیک، خودروسازی و غیره استفاده می‌شود. یکی از مزایای موتورهای دی‌سی این است که گشتاور آن‌ها به سادگی قابل کنترل است. همچنین پاسخ دینامیکی سریع برای تغییرات سرعت یکی دیگر از ویژگی‌های مثبت این نوع موتورهاست. اما موتورهای DC در کنار همه ویژگی‌های مثبت خود معایبی هم دارند که از میان آن‌ها می‌توان به هزینه ساخت بالا و نیاز زیاد به تعمیر و نگهداری اشاره کرد.

موتورهای AC نوع دیگری از موتور‌های الکتریکی هستند که شامل دو بخش ثابت (استاتور) و متحرک (روتور) می‌شوند. استاتور و روتور موتورهای ای‌سی در فاصله معین و با فاصله هوایی حساب‌شده‌ای نسبت به هم قرار می‌گیرند. برای به چرخش درآمدنِ موتورهای AC، باید روتور درون یک میدان مغناطیسی دوار قرار بگیرد. این میدان توسط سیم­پیچ استاتور و با اعمال جریان­های متناوب هم‌اندازه با اختلاف فاز 120 درجه به هر فاز استاتور تولید می­شود. موتورهای AC در پمپ‌ها، دمنده‌ها، کمپرسورها، وسایل برقی خانگی و غیره مورد استفاده قرار می­گیرد.

با پیشرفت تکنولوژی، موتورهای الکتریکی AC برتری‌هایی نسبت به موتورهای DC پیدا کردند که به چند مورد از آن‌ها اشاره می‌شود:

1– ابعاد کوچک‌تر
2- توان بیشتر
3- طراحی ساده‌تر و قیمت مناسب‌تر
4– مقاومت بیشتر در برابر ضربه

تا قبل از پیدایش درایوهای الکتریکی، در صنعت استقبال چندانی از ماشین‌­های AC نمی‌شد. یکی از دلایل این امر بالا بودنِ جریان راه‌اندازی ماشین‌های AC است (گاهاً تا 8 برابر سرعت نامی) و دلیل دیگر این است که موتورهای DC قابلیت کنترلی بیشتری نسبت به موتورهای  ACدارند. در آن زمان، از موتورهای AC دوسرعته استفاده می‌شد. در ساختار موتورهای AC دو سرعته، یک سیم‌بندی با ضخامت کمتر برای سرعت کم و یک سیم‌بندی با ضخامت بیشتر برای سرعت بالاتر وجود دارد. جابجایی بین این دو سرعت در یک لحظه شوک زیادی را به سیستم وارد می‌کند و میزان استهلاک سیستم را افزایش می‌دهد. همچنین این موتورها در لحظه‌ی راه‌اندازی جریان بالایی را مصرف می­کنند که این موجب افزایش دمای سیستم و افزایش تلفات می­شود. در چنین شرایطی، درایو‌ یک تجهیز راهگشاست، زیرا می­تواند سرعت الکتروموتور را در محدوده مجاز از صفر تا چند برابر سرعت نامی موتور به طور پیوسته و بدون شوک تغییر دهد. سیستم‌های درایودار به واسطه قابلیت تغییر ولتاژ و فرکانس (VVVF)، به مزایایی از جمله تغییر سرعت تدریجی و حرکت نرم دست پیدا می‌کنند که در سیستم دو سرعته نمی‌توان به آن‌ها دست یافت. در واقع، وجود درایو در سیستم به دو دلیل حائز اهمیت است:

- کاهش تلفات: در اثر کاهش جریان راه‌اندازی و تغییر سرعت به صورت پیوسته

- بهینه‌سازی سیستم: فرض کنید یک موتور الکتریکی 6 کیلووات باید در ساعات خاصی با توان نامی 3 کیلووات کار کند. در صورت استفاده از درایو، می‌توان این موتور را در ساعات مورد نظر با توان 3 کیلووات به کار گرفت، اما اگر از درایو استفاده نشود، صرفاً برای چند ساعت فوق می‌­بایست یک موتور الکتریکی مجزا با توان 3 کیلووات تهیه شود. این یعنی می‌توان یک موتور AC را بسته به شرایط، با سرعت یا نیروی گشتاور مورد نیاز به کار انداخت. به همین دلیل است که می‌توان با استفاده از درایوها تا حد زیادی از اتلاف انرژی جلوگیری کرد.

استاتور موتور AC برای راه‌اندازی نیازمند ولتاژ و جریان سه‌فاز سینوسی است. همچنین پس از راه‌اندازی، برای تنظیم سرعت موتور AC باید ولتاژ و جریان آن را تغییر دهیم. تأمین و تنظیم این مقادیر ولتاژ و جریان یکی از کارهای درایو الکتریکی است. روش‌های گوناگونی برای کنترل سرعت موتور وجود دارد و در هر روش، تعداد هارمونیک‌های ولتاژ و جریان خروجی درایو تغییر می­کند. به هر میزان که از این هارمونیک‌ها کاسته شود و خروجی به حالت سینوسی کامل نزدیک­تر شود، عملکرد موتور بهتر می‌شود. مبدل AC-DC-AC در ساختار درایو از سه بخش تشکیل شده است. مبدل نخست، یک پل دیودی است و کار یکسوسازی را انجام می­دهد و ولتاژ AC شبکه را به ولتاژ DC تبدیل می‌کند. خروجی این یکسوساز به یک بانک خازنی متصل می‌شود. حساسیت بالای خازن‌ها در برابر تغییرات ولتاژ باعث می‌شود میزان ریپل خروجی یکسوساز کاهش یابد و به ولتاژ DC شبیه شود. در آخر،نهایت مبدل دوم (اینورتر) قرار می‌گیرد که از شش کلید IGBT تشکیل می‌شود. بخش کنترل­کننده‌ی درایو کلیدها را طوری قطع و وصل می­کند که ولتاژ سینوسی تولید شود. در واقع درایو، مقدار فرکانس و ولتاژ موتور را بر اساس گشتاور مورد نیاز موتور تنظیم می‌کند.

زیما به عنوان اولین تولیدکننده درایو الکتریکی در ایران محصولات خود را در سری‌های لیفت، پمپی و صنعتی به بازار عرضه می‌کند. سری لیفت درایوهای زیما برای موتورهای گیربکس طراحی شده است و بر اساس توان خروجی، روش کنترلی حلقه باز و بسته و همچنین نوع توقف به دو محصول L100 و L200 دسته‌بندی می‌شود. تابلو فرمان‌های لایت (Light) داتیس با درایو زیما L100 برای ساختار کنترلی حلقه باز و با درایو زیما L200 برای ساختار کنترلی حلقه بسته تولید می‌شوند. درسال 1399 نیز تابلو فرمان لایت داتیس با درایو اکستریم برای کنترل موتورهای گیرلس به بازار عرضه شد. در ادامه، ویژگی‌ها و قابلیت‌های درایوهای اکستریم، زیما L100 و زیما L200 معرفی می‌شوند.

Xima L100

- حداکثر سرعت 1 متر بر ثانیه

- روش کنترلی V/f ثابت به صورت حلقه باز

- توان خروجی درایو تا 7.5 کیلو وات

- جریان خروجی درایو (جریان ورودی موتور) 16 آمپر

- قابل استفاده برای موتور گیربکس (موتور القایی)

- Auto Learning: که در هر استارت مقادیر پارامترهای موتور را اندازه گیری کرده و به مدل الکتریکی موتور نزدیک‌تر می‌شود که این کار امکان داشتن حرکتی نرم و توقفی با حداقل لرزش و شوک را در حالت حلقه باز فراهم می­سازد.

- پیاده ­روی یکسان در مسافت‌های بلند و کوتاه

Xima L200

این محصول جهت کنترل حلقه بسته در سرعت بالاتر طراحی شده است و علاوه بر برخورداری از همه قابلیت‌های درایو زیما L100، ویژگی‌های دیگری نیز دارد، از قبیل:

- حداکثر سرعت 2.5 متر بر ثانیه

- روش کنترلی V/f ثابت به صورت حلقه باز و کنترل برداری (Vector Control) به صورت حلقه بسته

- توان خروجی درایو 7.5 ، 11 و 15 کیلو وات و جریان هایی با ترتیب 18 ، 24 و 32 آمپر

- بدون نیاز به تنظیمات کنترل کننده PID

- استفاده کردن کارت انکودر خارجی با هدف کاهش نویزپذیری

- اصلاح هوشمند و خودکار توالی پالس های A و B در انکودر

- تشخیص هوشمند جهت انکودر

Extreme

با فراگیر شدن آسانسورهای گیرلس در بازار آسانسور، داتیس تابلو فرمان لایت خود را با درایو اکستریم با هدف کنترل موتورهای گیربکس (القایی) و گیرلس (سنکرون) به بازار عرضه کرد. قابلیت‌های این درایو عبارتند از:

- حداکثر سرعت 2.5 متر بر ثانیه

- روش کنترلی V/f ثابت به صورت حلقه باز و کنترل برداری (Vector Control) به صورت حلقه بسته

- حرکتی نرم تنها با تنظیم یک پارامتر با استفاده از تکنولوژی HPC

- توان خروجی درایو 7.5 ، 11 و 15 کیلو وات و جریان هایی با ترتیب 18 ، 24 و 32 آمپر

- تیون هوشمند جهت حذف Roll Back در آسانسورهای گیرلس

- تجربه توقف فوق العاده نرم و سریع با استفاده از Direct Approach

- اصلاح هوشمند و خودکار توالی پالس های A و B در انکودر

- تشخیص هوشمند جهت انکودر