درایو

درایو چیست؟

درایو وسیله ای الکتریکی یا الکترونیکی است که از قطعاتی مانند ترانزیستور و IGBT ساخته شده است که توانایی تغییر دور الکتروموتور از صفر تا چند برابر جریان نامی را دارد. این محصول موجب کاهش مصرف انرژی و جریان در هنگام استارت می گردد و در ماشین های الکتریکی مانند ربات ها و موتورهای AC و DC استفاده می شود.

فیلم معرفی درایو DC

مشخصات فنی درایو

درایوها از جمله تجهیزات برق صنعتی هستند که در انواع مختلفی طراحی می شوند، اما بارز ترین نوع دسته بندی آنها به دو صورت AC و DC می باشد. این انواع دارای مشخصات و ویژگی های خاصی هستند که باعث متمایز شدن آنها از یکدیگر شده و محدوده عملکردهایشان را نشان می دهد.

انواع درایو

درایوها در هر نوعی که باشند تفاوت ها و ویژگی هایی دارند که در ادامه به شرح آنها می پردازیم.

درایو AC

روند درایو AC (درایو جریان متناوب) به این صورت است که منبع تغذیه AC را با استفاده از مدارهای مبدل متشکل از یکسو کننده به DC تبدیل می کند و با استفاده از اینورتر آن را از DC به AC بر می گرداند تا سرعت موتورهای الکتریکی به ویژه موتورهای سه فاز را کنترل کند. درایو AC همچنین به عنوان VFD (درایو فرکانس متغیر)، VSD (درایو سرعت متغیر) یا ASD (درایو سرعت قابل تنظیم) شناخته می شود.

بلوک دیاگرام درایو الکتریکی AC

بلوک دیاگرام کلی VFD (درایو AC)

اجزای درایو AC

• یکسو کننده
• DC
• اینورتر

کاربرد درایو AC

• گرمکن های القایی
• صنعت جوشکاری
• منبع تغذیه
• برق اضطراری

مزایای درایو AC

• کاهش جریان هنگام راه اندازی
• کاهش بار در سیستم
• کاهش تنش حرارتی و شوک مکانیکی
• افزایش ضریب قدرت

درایو DC

روند کار درایو DC (جریان مستقیم) به این صورت است که منبع AC ورودی را با استفاده از مدار مبدل مبتنی بر یکسو کننده (دیودها و تریستورها) به DC تبدیل می کند. وظیفه اصلی درایوهای DC کنترل ولتاژ و کنترل دور موتورهای DC صنعتی است و در شرایطی که نیاز به گشتاور بالا و سرعت متغیر در بازه وسیع وجود داشته باشد، از درایو DC استفاده می شود. تکنولوژی درایو DC، کارآمد، قابل اعتماد، مقرون به صرفه، راحت و نسبتا آسان برای پیاده سازی است و مزایای زیادی نسبت به درایو AC دارد، به ویژه برای کاربردهایی که نیازمند ترمز، احیا (ریجنریتیو) و توان های بالا هستند، مناسب می باشند.

کاربرد درایو DC

• کشش الکتریکی
• آسیاب های فلزی
• کارخانه چاپ
• کارخانه های نساجی
• کارخانه های تولید کاغذ
• ماشین آلات
• ماشین های سیم کشی
• ماشین ابزار
• کشش
• جابجایی مواد
• بیل مکانیکی
• جرثقیل
• آسانسور
• بالابرها
• درایو اسپیندل
• وایندرها
• سنگ شکن ها

مزایای درایو DC

مزایای درایوهای dc عبارت اند از:

• گشتاور راه اندازی بالا
• نصب آسان
• کنترل سرعت در یک رنج گسترده (زیر و بالای سرعت نامی)
• استپ استارت سریع
• شتاب دهی سریع
• معکوس پذیری سریع
• سرعت دهی دقیق با پله های کمتر با گشتاور ثابت
• کنترل موتور با استفاده از درایو DC راحت تر می شود.
• ولتاژ تغذیه DC مورد نیاز موتور بدون استفاده از ژنراتورهای DC پر هزینه فراهم می شود.
• ولتاژ ورودی به آرمیچر در لحظه راه اندازی کنترل می شود و از آسیب زدن به آرمیچر جلوگیری می شود.
• امکان کنترل سرعت و گشتاور در موتور DC توسط درایو DC فراهم می شود، در نتیجه فرآیند تولید در صنعت قابل کنترل است.
• دارای تکنولوژی کارآمد، قابل اعتماد، مقرون به صرفه، کاربر پسند
• دارای نویز کمتر در مقایسه با درایوهای AC
• درایوهای DC به دلیل تبدیل واحد یعنی تبدیل AC به DC ارزان تر و پیچیده تر هستند.

اجزای درایو DC

اجزای اصلی یک درایو DC در شکل زیر نشان داده شده است:

• ورودی درایو DC
• پل یکسو کننده
• واحد تغذیه میدان
• واحد تنظیم سرعت
• مدار آتش

ورودی درایو DC

برق ورودی AC از قسمت Supply Unit که همان باس ورودی تابلو برق است، وارد بخش رکتیفایر یکسو کننده درایو DC می شود. خروجی یکسو کننده یک برق DC، ولتاژ آرمیچر موتور DC را تغذیه می کند. برخی از درایوهای DC مبتنی بر تریستور بر روی یک منبع تغذیه تک فاز کار می کنند و از چهار تریستور برای یکسوسازی موج کامل استفاده می شود. برای موتورهای بزرگتر، منبع تغذیه سه فاز مورد نیاز است، زیرا شکل موج بسیار نرم تر است. در چنین مواردی، شش تریستور که به صورت پل به یکدیگر متصل هستند، برای یکسوسازی کامل موج، ولتاژ AC ورودی را به ولتاژ DC برای آرمیچر موتور یکسو می کنند.

پل یکسو کننده

یکسو کننده پل موج کامل جزء قدرت یک درایو DC کنترل شده است که می تواند توسط منبع تغذیه سه فاز یا تک فاز هدایت شود. همان طور که در بالا ذکر شد، تعداد تریستور ممکن است بسته به ولتاژ تغذیه متفاوت باشد.

واحد تغذیه میدان

واحد تغذیه میدان، یک پل تریستور یا یکسو کننده دیودی جداگانه، جهت تامین برق سیم پیچ میدان موتور است که از دو فاز ورودی برق را می گیرد و خروجی این سیستم جریان میدان استاتور موتور را تغذیه می کند. عملکرد واحد تغذیه میدان این است که یک ولتاژ ثابت در سیم پیچ میدان ایجاد کند تا یک میدان ثابت یا شار در موتور ایجاد شود و همچینن توانی که باید به سیم پیچ میدان اعمال شود بسیار کمتر از توان آرمیچر است، بنابراین، اغلب منبع تغذیه تک فاز ارائه می شود.

واحد تنظیم سرعت

واحد تنظیم سرعت وظیفه کنترل سرعت را بر عهده دارد. در اینجا سرعت واقعی موتور با سرعت مبنای تعریف شده برای درایو با سیگنال های بازخورد مقایسه می شود و فرمان لازم به مدار آتش داده می شود. در درایوهای آنالوگ، این واحد رگولاتور از هر دو تنظیم کننده های ولتاژ و جریان تشکیل شده است. تنظیم کننده ولتاژ خطای سرعت را به عنوان ورودی می پذیرد و خروجی ولتاژ را تولید می کند که سپس به تنظیم کننده جریان اعمال می شود. سپس تنظیم کننده جریان، جریان آتش مورد نیاز را در مدار تولید می کند. در صورت نیاز به سرعت بیشتر، جریان بیشتری از تنظیم کننده ولتاژ فراخوانی می شود و بنابراین تریستورها برای دوره های بیشتری هدایت می شوند. به طور کلی، این تنظیم (ولتاژ و جریان) با کنترل کننده های تناسبی مشتق گیر و انتگرال گیر انجام می شود.

در شماتیک درایو DC که در شکل می بینید از تاکومتر به بخش کنترل سرعت و از جریان آرمیچر به قسمت کنترل جریان فیدبک داریم. با استفاده از این فیدبک ها سرعت خروجی موتور با سرعت مبنایی که اپراتور برای درایو تعریف کرده مقایسه می شود. اگر سرعت واقعی موتور از سرعت مبنای تعریف شده کمتر باشد یک سیگنال سرعت خطا همانطور که در شکل می بینید، در تابع جمع کننده سمت چپ به وجود می آید. بنابراین کنترل کننده جریان داخلی درایو، جریان بیشتری به موتور می فرستد تا گشتاور اضافی تولید کند و سرعت بالا رود تا به مقدار مورد نظر ما برسد. عکس این قضیه به همین ترتیب صادق هست.

بنابراین، سرعت یک موتور DC را می توان به سه روش کنترل کرد:

• با تغییر ولتاژ تغذیه
• با تغییر شار و با تغییر جریان از طریق سیم پیچ میدان
• با تغییر ولتاژ آرمیچر و با تغییر مقاومت آرمیچر

لازم به ذکر است که بخش تنظیم سرعت در درایو DC، می تواند هم به صورت سنسور لس و هم حلقه بسته کار کند.

منظور از سنسور لس و حلقه بسته چیست؟

اگر روی شفت موتور DC، یک سنسور مثل تاکومتر برای تشخیص موقعیت و سرعت موتور نصب شده باشد و فیدبک این سنسور به ورودی فیدبک بخش کنترل سرعت درایو ورود کند، در این صورت ما کنترل حلقه بسته داریم و اگر فیدبکی از سنسور تشخیص دور موتور به درایو نرفته باشد، کنترل سرعت به صورت سنسور لس است. در درایوهای مدرن مبتنی بر ریزپردازنده های دیجیتال، کنترل سرعت با یک جدول جستجو برای تعیین جریان مدار آتش با مدارهای دیجیتالی اضافی به دست می آید.

مدار آتش

وظیفه اعمال جریان و یا قطع جریان را برای افزایش و کاهش سرعت دارد. این مدار پالس های گیت را برای تریستورها تامین می کند به طوری که آنها برای دوره های خاصی روشن می شوند تا ولتاژ آرمیچر متغیر تولید شود. ایزولاسیون نیز در این مدار درایو گیت ارائه شده است.

انواع موتورهای DC

• موتور DC سری
• موتور DC شنت/موازی
• موتورهای DC مرکب
• موتور DC آهنربای دائمی

بهترین نوع موتور DC

موتورهای DC برای کاربردهایی که نیاز به گشتاور راه اندازی بالا دارند، بدون نیاز به تنظیم سرعت، بهترین هستند. مانند موتور شنت که با اعمال بار به موتور سری DC، سرعت موتور کاهش و ولتاژ خالص را افزایش می دهد.

نحوه انتخاب درایو DC

1. رنج ولتاژی ورودی درایو DC

باید به پلاک درج شده بر روی درایو DC دقت کنیم و ببینیم که درایو برای کاربرد در چه ولتاژی مناسب است. معمولا ولتاژ کاری درایو به صورت یک بازه ولتاژی روی درایو نوشته می شود، مثلا 500/520 که نشان می دهد این درایو در ولتاژ 500 تا 520 ولت DC قابل استفاده است.

2. جریان نامی و لحظه ایی

یک جریان خروجی نامی برای درایو تعریف می شود. مثلا 110 آمپر که درایو به طور دائم قابلیت تامین این جریان را دارد و یک جریان لحظه ای برای درایو تعریف می شود که درایو در زمان خیلی کوتاهی که دیتا شیت درایو مشخص می کند قابل تامین است. باید دقت شود جریان نامی موتور و جریانی که به طور لحظه ای در اثر اضافه بار ممکنه است بکشد، بیشتر از این جریان اعلام شده نباشد.

3. قابلیت سافت استارتر بودن

در این حالت درایو به عنوان راه انداز نرم مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش وقتی درایو در جریان ماکزیمم قرار می گیرد سرعت موتور را به صورت یک شیب یکنواخت افزایش می دهد و سرعت به صورت آنی بالا نمی رود.

4. قابلیت سنسورلس

مشکلی که در موتورهای DC وجود دارد، این است که اگر سرعت موتور از یک حدی کمتر شود گشتاور به شدت افت می کند و موتور نمی تواند بار را به گردش دربیاورد. حال اگر درایو بر اساس فیدبک جریانی موتور و جریانی که موتور می کشد، کار کنترل گشتاور را انجام دهد این افت تا حد زیادی قابل جبران است و می توانیم در سرعت های پایین هم گشتاور مناسب داشته باشیم. در این بخش دیگر با فیبدک سرعتی که از تاکوژنراتور می آید کاری نداشته و فقط فیدبک جریانی مورد توجه قرار می گیرد. قابلیت کنترل سنسورلس در درایوهای پیشرفته تر وجود دارد.

5. قابلیت خواندن انکودر

بعضی از درایوها قابلیت دریافت سیگنال فیدبک از انکودر را دارند و می توانند کنترل سرعت را به صورت CLOSE LOOP یا حلقه بسته انجام دهند. در درایوها با قابلیت کنترل حلقه بسته امکان کنترل موقعیت و زاویه هم وجود دارد.

6. قابلیت چپگرد راستگرد

درایوهای DC یا به دو صورت تک جهته و دو جهته تولید می شوند. درایوهای تک جهته مثل PMD60A و یا AMD10 قابلیت چرخش موتور در دو جهت را ندارند، بنابراین زمان خرید درایو باید دقت کنید، در صورت نیاز به چرخش موتور به دو صورت چپگرد و راستگرد، باید درایو دوجهته خریداری نمایید.

طرز کار درایو DC

در موتورهای DC، سرعت با ولتاژ آرمیچر متناسب است و با جریان میدان آرمیچر نسبت عکس دارد و همچنین، جریان آرمیچر با گشتاور موتور متناسب است. بنابراین با افزایش یا کاهش ولتاژ اعمالی، سرعت موتور تغییر می کند با این حال ممکن است تا ولتاژ نامی بالا برود. اگر سرعت نسبت به سرعت نامی بزرگتر باشد، جریان میدان موتور باید کاهش یابد.

با کاهش جریان میدان، شار موتور کاهش می یابد. کاهش جریان میدان، میدان مغناطیسی آرمیچر را در جهت مخالف کاهش می دهد. اگر میدان مغناطیسی در جهت مخالف کمتر وجود داشته باشد، جریان آرمیچر بیشتر جاری می شود. این دو مورد، دو اصل اساسی هستند که در موتور های dc برای کنترل سرعت موتور به کار گرفته می شوند. در آرمیچر درایوهای dc کنترل شده، واحد درایو، جریان و گشتاور را در هر سرعتی بین صفر و مقدار نامی موتور فراهم می سازد. با تغییر ولتاژ آرمیچر، به گونه ای که در شکل نشان داده شده است، سرعت تغییر می کند. عموما یک منبع میدان ثابت در این درایوهای dc فراهم می شود. از آنجا که گشتاور ثابت است (که یک نوع بار را توصیف می کند) در محدوده سرعت، توان اسب بخار خروجی موتور، با سرعت متناسب است (HP = T × N / 525).

مشخصات موتور درایو DC در زیر نشان داده شده است.

در مورد آرمیچر و درایوهای کنترل شده میدانی، ولتاژ آرمیچر موتور برای عملکرد متغییر گشتاور ثابت HP تا رسیدن به سرعت نامی موتور کنترل می شود و در بالای سرعت نامی، درایو به کنترل میدان، سوییچ می شود و برای اینکه HP ثابت بماند، همان طور که در شکل فوق نشان داده شده است، در سرعت ماکزیمم گشتاور را کاهش می دهد.

امروزه در تمام زمینه های کنترل صنعتی، پیاده سازی دیجیتالی جایگزین سیستم مدار آنالوگ درایوهای الکتریکی شده است. کنترل کننده های دیجیتالی انعطاف پذیری بیشتر برای کنترل دقیق، خود تنظیمی و ارتباط آسان با کامپیوترهای میزبان و سایر درایوها را فراهم می کند. با این حال درک درایوهای DC در مقایسه با نوع دیجیتال مشابه آن آسان تر است. در ادامه این دو نوع درایو را معرفی می کنیم.

درایو DC آنالوگ

یک درایو DC آنالوگ استاندارد با کنترل جریان و سرعت، در شکل زیر نشان داده شده است. هدف این سیستم کنترل سرعت است که در اینجا ورودی سیستم سرعت مبنا است و خروجی این سیستم توسط سرعت سنج اندازه گیری می شود. طرز کار این درایو به این شکل است که فرض کنید موتور در یک سرعت مشخصی کار می کند. اکنون، سیگنال سرعت مبنا کمی بیشتر از سرعت واقعی افزایش یافته است. بنابراین یک سیگنال سرعت خطا همان طور که در شکل نشان داده شده است، در تابع جمع کننده سمت چپ به وجود می آید. با افزایش جریان مبنا، کنترل کننده جریان داخلی درایوها، جریان بیشتری به موتور می فرستد تا گشتاور اضافی تولید کند.

درایو DC دیجیتال

با پیشرفت در کنترل دیجیتال درایوهای DC، در مقایسه با درایوهای آنالوگ انعطاف پذیرتر و سریع تر هستند. (به علت پاسخ های زمانی سریع تر). یک نمونه درایو DC دیجیتال در شکل زیر نشان داده شده است، این شکل مشابه با طرح آنالوگ است با این تفاوت که مدار آنالوگ با مدار دیجیتال جایگزین شده است.

بلوک دیاگرام داریو دیجیتال DC

در ورودی یک سیگنال مبنا برای سرعت تعریف می شود که با عدد سرعت دریافت شده از فیدبک مقایسه می شود. اگر خروجی مدار جمع کننده، خطای مثبت باشد، نشان می دهد که افزایش سرعت مورد نیاز است و اگر خطای منفی تولید شود، نشان می دهد که کاهش سرعت لازم است. (زیرا موتور با سرعتی بیشتر از سرعت مورد نظر کار می کند).