اینورتر یکی از تجهیزات حیاتی و اساسی صنایع و کارخانه‌ها می‌باشد که عملکرد این مراکز بدون وجود اینورتر کاملا دچار اختلال می‌گردد. اینورتر یک مدار الکتریکی است که وظیفه‌ی آن تبدیل برق DC به برق AC یا سینوسی خالص (و همچنین تا حد امکان عاری از هارمونیک‌های فرد مرتبه پایین) می‌باشد. از عناصر اساسی تجهیزات درایو میتوان به ادوات سوییچینگ آن (مانند IGBT یا MOSFET) اشاره نمود، که با استفاده از ترتیب سوییچ‌زنی آن‌ها موج سینوسی در خروجی اینورتر ظاهر می‌شود.
درایو از طرفی دیگر یکی از تجهیزات اساسی برای کنترل الکتروموتورهای موجود در کارخانه‌ها می‌باشد و اینورتر یکی از عناصر تشکیل‌دهنده‌ی آن است. از وظایف اساسی درایو، کنترل سرعت موتور القایی می‌باشد که کاربر می‌تواند با استفاده از کیپد درایو سرعت موتور را در یک بازه‌ی محدود کاهش و یا افزایش دهد. همچنین میتوان جهت چرخش موتور القایی (راست‌گرد یا چپ‌گرد) را نیز با استفاده از درایو کنترل نمود. از اجزا تشکیل دهنده‌ی درایو میتوان به یکسوساز، خازن لینک DC، اینورتر و سیستم کنترلی اشاره نمود.
درایو و اینورتر علاوه بر اجزای اصلی از تجهیزات جانبی دیگری نیز تشکیل شده‌اند که علاوه بر افزایش راندمان کلی سیستم، باعث افزایش کیفیت توان فراهم شده برای مصرف‌کننده، افزایش کیفیت ارتباطات و هماهنگی بین تجهیزات صنعتی و کاهش احتمال خسارت به وسایل مکانیکی می‌شود. تجهیزات جانبی درایو را میتوان به چند دسته‌ی اصلی تقسیم نمود که هر دسته شامل تجهیزات متفاوتی می‌باشد.
اجزا ترمزی و مدیریت انرژی
یکی از اجزا اصلی تشکیل دهنده‌ی درایوها سیستم ترمز و مدیریت انرژی است. هنگامی که موتور در حالت ترمز قرار می‌گیرد، انرژی جنبشی آن به صورت انرژی الکتریکی تبدیل شده و باید تخلیه شود. بنابر کاربرد درایو در صنعت، درایو می‌تواند این انرژی را بصورت گرما در مقاومت تخلیه کرده و یا به شبکه برگرداند. این موارد در زیر بطور مفصل توضیح داده شده است.
مقاومت ترمزی (Braking Resistor)
زمانی که اینورتر به موتور سه فاز القایی متصل می‌گردد، موتور با یک جریان راه اندازی کنترل شده شروع به کار کرده و در نهایت به یک سرعت و گشناور نامی می‌رسد. اما یکی از اهداف اصلی درایو، کنترل سرعت موتور است؛ بنابراین در هر لحظه ممکن است سرعت موتور تغییر کند. در هنگام افزایش سرعت موتور، توان بیشتری از سمت شبکه به سمت مصرف کننده هدایت می‌شود که با توجه به ماهیت درایو، افزایش سرعت مشکلی برای این دستگاه ایجاد نمی‌کند. اما در برخی مواقع نیاز است تا سرعت موتور القایی توسط درایو کاهش یابد. به دلیل اینکه موتور القایی در هنگام بهره‌برداری انرژی جنبشی گردان در خود ذخیره دارد، در هنگام ترمز، موتور القایی به ژنراتور تبدیل شده و این انرژی جنبشی به صورت انرژی الکتریکی وارد درایو می‌گردد.
سوییچ‌ها یا کلیدهای موجود در برخی درایوها تنها توان را بصورت یکطرفه (از سمت شبکه به مصرف کننده) انتقال می‌دهند. بنابراین، این درایوها در بخش DC به مقاومت ترمزی مجهز هستند تا هنگام ترمز موتور، توان برگشتی را به مقاومت منتقل کرده و آن را به گرما تبدیل کنند. این فرآیند موجب کاهش استرس مکانیکی موتور و افزایش طول عمر سیستم می‌شود.
درایوهای دارای قابلیت Regenerative
این درایوها توان تولید شده در هنگام ترمز موتور به شبکه‌ی قدرت را برمی‌گرداند. در این درایوها از IGBTها برای انتقال توان در هر دو طرف استفاده می‌شود. در زمان ترمز، موتور به‌عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی تولیدشده در سمت موتور را از طریق IGBTها به برق AC هم‌فرکانس و هم‌فاز با شبکه تبدیل میکند. این فرآیند باعث افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش تلفات در سیستم درایو می‌شود. از مزایای قابلیت Regenerative میتوان به کاهش مصرف برق و افزایش پایداری ولتاژ اشاره کرد.
اینورتر چیست؟ + راهنمای خرید از بهترین برندها
تجهیزات کیفیت توان
به دلیل استفاده درایوها و اینورترها از سوییچ‌هایی مانند IGBT و MOSFET، سیگنال‌های ولتاژ و جریان خروجی از این درایوها دارای هارمونیک بوده که جهت جلوگیری از آسیب به موتورها و عملکرد درست آن‌ها، باید این هارمونیک‌ها توسط فیلترهای هارمونیکی خنثی گردند. همچنین درایوها معمولا نویز و امواج الکترومغناطیسی تولید می‌کنند و این نویزها عملکرد تجهیزات الکترونیکی را دچار اختلال می‌کنند که این نویزها نیز باید توسط فیلترهای EMC فیلتر گردند.
فیلترهای هارمونیک
هارمونیک‌ها مضرب صحیح از فرکانس پایه (50 هرتز) شبکه قدرت می‌باشند که باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج سینوسی ولتاژ و جریان می‌شوند. بر خلاف بسیاری از باورها، درایوها موج سینوسی خالص در خروجی تولید نمی‌کنند و همیشه تا یک مقدار معینی دارای هارمونیک می‌باشند و میزان هارمونیک معمولا توسط کارخانه‌ی سازنده‌ی درایو اعلام می‌شود. یکی از عوامل ایجاد هارمونیک نحوه‌ی سوییچ‌زنی سوییچ های موجود در اینورتر می‌باشد که با توجه به استراتژی‌های کلیدزنی و مدولاسیون (همانند PWM، Subharmonic Elemination و …) ممکن است میزان هارمونیک تولید شده‌ی یک اینورتر از اینورتر دیگر متفاوت باشد.
برای حذف هارمونیک‌ها (خصوصا هارمونیک‌های فرد مرتبه پایین) تا حد ممکن، از فیلترهای هارمونیکی استفاده می‌شود. فیلترهای مورد استفاده به دو دسته‌ی فیلترهای اکتیو و فیلترهای پسیو دسته‌بندی می‌شوند. در فیلترهای پسیو از خازن‌ها، سلف‌ها و مقاومت‌ها جهت ایجاد مسیر امپدانس پایین برای از برطرف کردن هارمونیک‌ها بهره می‌برند. از طرفی دیگر فیلترهای اکتیو فیلترهای نسل جدیدی هستند که از IGBTها، کنترلرهای پردازش سیگنال و سنسورهای جریان بهره می‌برند. این نوع فیلترها، هارمونیک را در لحظه فیلتر می‌کنند ولی نسبت به فیلترهای پسیو گران‌تر هستند.
فیلترهای EMC
برخی از تجهیزات درایو واسبته به فرکانس میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی و یا الکترومغناطیسی ایجاد کنند. اگر این میدان‌ها به اندازه‌ی کافی قدرت‌مند باشند، می‌توانند با تجهیزات دیگر تداخل پیدا کرده و اثرات نامطلوبی بر عملکرد آن‌ها بگذارند. قابلیت الکترومغناطیسی یا EMC (Electromagnetic Compatibility) به توانایی یک دستگاه الکترونیکی برای عملکرد صحیح در محیطی گفته می‌شود که میدان‌ها و نویزهای الکترومغناطیسی وجود دارند، بدون آن‌که عملکرد سایر تجهیزات را مختل کند. همچنین این دستگاه‌ها نباید در آن محیط تحت تاثیر میدان الکترومغناطیسی قرار گیرند و یا اینگونه میدان‌ها را تولید کنند.
درایوهایی که از IGBTها برای تولید موج AC سینوسی استفاده می‌کنند، در حین عملیات نویزهای فرکانس بالا (10 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز) تولید می‌کنند که در نهایت باعث ایجاد EMI می شوند. فیلترهای EMC با استفاده از المان‌های پسیو طراحی شده‌اند که وظیفه‌ی آن‌ها تضعیف تداخل الکترومغناطیسی می‌باشد. فیلترهای EMC با استفاده از اصل عدم تطابق امپدانسی (impedance mismatch) عمل می‌کنند که سیگنال‌های فرکانس بالا فیلتر کرده در حالی که بقیه‌ی سیگنال‌ها از فیلتر عبور می‌کنند.
اگر فیلتر EMC در درایوها و اینورترها تعبیه نشده باشند مشکلات متعددی بوجود می‌آید؛ از جمله:
- تریپ ناخواسته PLCها و سنسورها
- ایجاد اختلال در ارتباطات بین تجهیزات
- گرما بیش از اندازه در موتورها
راکتور خط (Line Reactor)
راکتور خط که از سلف‌ها تشکیل شده است، در ورودی درایوها و اینورترها نصب می‌شود تا مشکلات کیفیت توان و اختلالات الکتریکی را کاهش دهد. این تجهیزات درایو با محدود کردن تغییرات جریان، موجب کاهش هارمونیک‌ها و بهبود پایداری سیستم برق می‌شوند. این راکتورها یک امپدانس اضافه در مسیر ورودی درایوها ایجاد می‌کنند که مزیت‌های زیر را به همراه دارد:
- محدود شدن جهش جریان (di/dt) در هنگام سوییچ زنی اینورتر
- تضعیف شدن میزان هارمونیک خط و کاهش اثرات مخرب آن بوسیله‌ی فیلتر کردن نویزهای فرکانس بالا
- حفاظت در برابر اضافه ولتاژ گذرا
از کاربرد این راکتورها در صنایع نیز میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- نوار نقاله: اضافه کردن راکتور باعث جلوگیری از خاموشی سیستم در هنگام کاهش ولتاژ می‌شود.
- کنترل پمپ: راکتور عمر موتورهای کارخانه را تا 30 درصد افزایش می‌دهد.
- جرثقیل:راکتور خط از جهش‌های ایجاد شده ناشی از تولید انرژی در هنگام ترمز جلوگیری میکند.
همچنین راکتورها دارای معایبی هستند؛ از جمله:
- کاهش ولتاژ در خط (5% تا 10% تلفات)
- نیازمند هزینه‌ی اضافه
- ایجاد نویز در رنج فرکانس شنوایی انسان
اگرچه راکتورها به ظاهر تجهیزات ساده‌ای به نظر می‌رسند، اما با فیلتر نویزهای فرکانس بالا با استفاده از مسیر امپدانسی می‌توانند به ارتقای کیفیت توان کمک نمایند.
ماژولهای ارتباطاتی
ماژولهای ارتباطاتی یکی از تجهیزات درایو می‌باشند که تبادل اطلاعات و دیتا در لحظه و هماهنگ‌سازی سیستم‌های کنترلی را فراهم می‌آورند. این ماژول‌ها اتصالات سیم‌های متعدد را با شبکه‌های دیتا جایگزین می‌کنند که درایو را به یک سخت افزار هوشمند تبدیل می‌نمایند.
از وظایف این سیستم‌های ارتباطاتی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کنترل آنی: چندین درایو را می‌تواند با پروتکل‌های پرسرعت (EtherCAT، PROFINET) همگامسازی کند.
- مانیتورینگ اطلاعات: پارامترها و اطلاعات موتور (گشتاور، سرعت، دما و…) را به PLC ارسال میکند.
- پروتکل ایمنی: از پروتکل‌های ایمنی (مانند PROFIsafe) برای کنترل سرعت و توقف اضطراری پشتیبانی میکند.
- مدیریت از راه دور: درایوها را به کمک اینترنت اشیا به‌روزرسانی، عیب‌یابی و پیکربندی می‌نماید.
از مزیت‌های این ماژول‌ها و پروتکل‌های ارتباطاتی نیز میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کاهش هزینه‌ها: تا 50 درصد هزینه‌ی نصب و سیم‌کشی کاهش می‌یابد.
- انعطاف‌پذیری: منطق و تنظیمات درایو می‌تواند بدون تغییرات فیزیکی پیکربندی شود.
- دارای قابلیت توسعه: میتوان درایوهای جدید را بدون اینکه سیستم‌های کنترلی پیچیده‌تر شوند، به سیستم اضافه کرد.
سیستم‌های کنترلی موجود در تجهیزات درایو
سیستم‌های کنترلی موجود در درایوهای صنعتی، سیستم‌های نرم افزاری و سخت افزاری به هم پیوسته‌ای هستند که وظیفه‌ی اصلی آن‌ها تنظیم دقیق پارامترهای موتور و تبدیل ورودی‌های الکتریکی به خروجی‌های مکانیکی می‌باشد. سیستم کنترلی به عنوان مغز درایو عمل کرده و در نهایت موجب افزایش بازدهی، ایمنی و پاسخ‌دهی می‌گردند. این سیستم از قسمت‌های مختلفی تشکیل شده است که در پایین این قسمت‌ها بطور مفصل توضیح داده شده اند:
کارت کلوز یا کارت PG
کارت Pulse Generator (یا به اختصار PG)، ماژولهای سخت افزاری هستند که در اینورتر یا درایو جهت پردازش سیگنال‌های فیدبک انکودرها تعبیه می‌شوند. این کارت‌ها با فراهم‌کردن اطلاعات لحظه‌ای از موقعیت، سرعت و جهت چرخش روتور، کنترل حلقه بسته را در سیستم کنترلی درایو پیاده‌سازی می‌کنند و دقت و پایداری عملکرد موتور را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند.
از مراحل پردازش و عملکرد کارت PG میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- تبدیل سیگنال: این کارت با پردازش سیگنال‌های ورودی انکدر دیجیتال یا آنالوگ (مانند کانال‌های A، B و Z)، آن‌ها را به سیگنال دیجیتال تبدیل میکند تا درایو بتواند موقعیت و سرعت موتور را به‌دقت تحلیل و کنترل کند.
- فیدبک سرعت و موقعیت روتور: چرخش شفت روتور را برای همگامسازی دقیق ردگیری میکند.
- تشخیص جهت روتور: کارت PG سیگنال‌های شیفت فاز (کانال‌های A و B) را جهت تشخیص جهت حرکت روتور رمزگشایی میکند.
- ویژگی‌های ایمنی: این کارت‌ها از قابلیت‌هایی نظیر Safe Limited Position (SLP) و Safe Speed Monitoring (SSM) پشتیبانی می‌کنند.
سیستم PLC و HMI
PLCها به عنوان سیستم کنترلی مستقل عمل کرده و جز سیستم کنترلی درایو نمی‌باشند. وظیفه‌ی PLCها شامل:
- تعیین setpointها (سرعت هدف) برای درایوها
- هماهنگ‌سازی چندین درایو (همگامسازی نوار نقاله‌ها)
- فراهم‌سازی امکانات ایمنی (به عنوان مثال توقف اضطراری) می‌باشد.
همچنین در کنار PLCها، بنابر کاربرد درایو، ممکن است HMIها نیز تعبیه گردند. HMIها سیستم‌های دارای رابط کاربری هستند که با استفاده از آن مهندسین و بهره‌برداران می‌توانند با ماشین‌ها و درایوها ارتباط داشته باشند. این تجهیزات با استفاده از نمایشگرهای تصویری، اطلاعات دقیقی از فرآیند یا سیستم را به بهره‌برداران ارائه می‌دهند و به آن‌ها امکان می‌دهند تا ماشین‌ها و تجهیزات اتوماسیون صنعتی را به‌صورت کامل نظارت، کنترل و پیکربندی کنند.
از ویژگی‌های منحصر بفرد سیستم HMI میتوان موارد زیر را نام برد:
- تصویرسازی اطلاعات: HMIها اطلاعات فرایند و تجهیزات را در لحظه بر روی صفحه بصورت خوانا و ساده نمایش می‌دهند.
- کنترل و پیکربندی: به کاربران اجازه می‌دهند عملکرد ماشین‌ها و درایوها را نظارت، پارامترهای کلیدی را ردیابی و مشکلات و موانع احتمالی را شناسایی کنند.
- هماهنگی کامل با PLCها: HMIها معمولا در کنار PLCها استفاده می‌شوند تا فرایندهای صنعتی را خودکار و در عین حال مدیریت کنند.
- رابط کاربری ساده: یکی از اهداف مهم این تجهیزات فراهم کردن المان‌های گرافیکی ساده و قابل فهم به همراه صفحه نمایش قابل لمس برای کاربران است.
جمع بندی
در این مقاله سعی شد خواننده با انواع تجهیزات درایو آشنا شود. در ابتدای مقاله به مقاومت ترمزی و سیستم مدیریت انرژی اینورتر اشاره شد. مقاومت ترمزی در مواقعی که IGBTها توان را فقط در یک جهت عبور می‌دهند، انرژی برگشتی موتور را در داخل یونیت خود به گرما تبدیل کرده و از این طریق باعث تخلیه‌ی ایمن توان اضافی می‌شوند. درایوهای دارای قابلیت Regenerative، از طرفی دیگر، در صورتی که سوییچ‌ها بتوانند توان را دو طرفه انتقال دهند کاربرد دارند.
تجهیزات کیفیت توان مانند فیلترهای هارمونیک، فیلترهای EMC و راکتورهای خط، نویز و هارمونیک‌های تولیدشده توسط درایو را فیلتر می‌کنند و باعث بهبود کیفیت توان در سیستم‌های الکتریکی می‌شوند. ماژولهای ارتباطاتی جهت تسهیل تبادل دیتا بین سیستم‌های کنترلی و درایو و همچنین هماهنگ‌سازی این تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. در آخر به سیستم‌های کنترلی اشاره شد که سیستم‌های PLC و HMI در زیر مجموعه‌ی این قسمت قرار می‌گیرند و وظیفه‌ی آن‌ها نظارت و تنظیم پارامترهای موتور و دیگر تجهیزات صنعتی می‌باشد.
