به دلیل افزایش روز افزون صنایع به موتورهای الکتریکی، کنترل سرعت و گشتاور موتور به یکی از نیازهای اساسی و واجب صنایع و کارخانهها تبدیل شده است. همانطور که میدانیم در صورت وصل مستقیم موتورهای القایی به شبکه، این موتورها با یک دور ثابت و نامی به حرکت درمیآیند. همچنین در این حالت گشتاور نامی به روتور اعمال میشود.
با این شرایط ذکر شده، مهندسان انعطافپذیری و کنترلپذیری لازم را نمیتوانند بر روی کاربردهای صنعتی اعمال کنند. به عنوان مثال، نوار نقالهای را در محیط کارخانه در نظر بگیرید که وظیفهی آن انتقال محصولات از نقطهای به نقطهی دیگر است. در حالت ایدهآل، مهندسان جهت جلوگیری از آسیب به قسمتهای مکانیکی نوار نقاله، ابتدا با استفاده از درایو، سرعت کمی را به روتور موتور القایی اعمال کرده و نوار نقاله با سرعت کم به حرکت در میآید.
سپس درایو گشتاور و سرعت اعمالی به موتور القایی را افزایش داده تا هنگامی که نوار نقاله با سرعت مد نظر حرکت کند. همچنین با استفاده از درایو میتوان کنترل تدریجی توقف و راهاندازی (به دلیل وجود توقفهای مکرر در خطوط بستهبندی) را بر روی نوار نقاله اعمال کرد.
از دیگر کاربردهای صنعتی که نیاز اساسی به درایوهای صنعتی دارند میتوان به جرثقیلها و سیستم بالابر اشاره نمود. وظیفهی پایهای درایو در این کاربردها اعمال تدریجی سرعت و گشتاور به موتور القایی جهت حرکت نرم و آرام به سیستم جرثقیل و بالابر و عدم اعمال حرکت و شوک مکانیکی شدید به اینگونه سیستمها است. واضح است که در صورت عدم وجود درایو در این سیستمها، جرثقیل و بالابر در لحظهی شروع به حرکت، شوک به بالابر و جرثقیل وارد میکند. همچنین در صورت عدم وجود درایو، مهندسان قادر به کنترل سرعت در لحظهی شروع به حرکت و توقف را ندارند.
نقش سیستم کنترل حلقه بسته در کاربردهای صنعتی
در قسمت قبلی مقاله به نقش درایوها در انواع کاربردهای صنعتی (مانند نوار نقاله و سیستم جرثقیل) اشاره کردیم و در قسمت قبلی ذکر شد که سیستم کنترلی درایو با اعمال سرعت و گشتاور متفاوت در طی زمان، حرکت آهسته و آرام در لحظهی شروع به حرکت موتور و همچنین امکان توقف و راهاندازی مکرر و کنترل شده را برای سیستم جرثقیل و نوار نقاله فراهم میآورند.
برای کاربردهایی مانند نوار نقاله و جرثقیل، علاوه بر کنترل ساده گشتاور و سرعت موتور القایی در هر لحظه از زمان (که توسط سیستم کنترلی حلقه باز یا open loop انجام میشود)، به یک سیستم کنترل حلقه بسته (close loop) یا فیدبک نیاز میباشد.
از مزیتهای کنترل حلقه بسته نسبت به کنترل حلقه باز میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
دقت بسیار بالاتر در کنترل سرعت
در کنترل حلقه بسته، درایو با استفاده از فیدبک یا انکدر سرعت واقعی موتور را اندازهگیری و اصلاح میکند. بنابراین در صورت تغییر بار بر روی شفت موتور (و در نتیجه انحراف سرعت واقعی موتور از سرعت مرجع)، درایو با استفاده از انکدر این اختلاف سرعت را تشخیص داده و این اختلاف را به صفر میرساند. این در حالتی است که در کنترل حلقه باز سرعت موتور فقط تابع فرکانس یا ولتاژ بوده و در صورت تغییر بار، سرعت موتور تغییر میکند.
گشتاور بالاتر در سرعت پایین موتور
با استفاده از کنترل حلقه بسته (کنترل برداری)، امکان اعمال گشتاور نامی به موتور حتی در فرکانسهای بسیار پایین (Zero-Speed) امکانپذیر است. این قابلیت در سیستمهای جرثقیل، آسانسور و میکسرهای سنگین که در لحظهی شروع به حرکت نیاز به گشتاور بالا دارند بسیار حیاتی است.
پاسخ دینامیکی سریع در هنگام تغییر بار
هنگامی که درایو با کنترل حلقه بسته مورد بهره برداری قرار میگیرد، در هنگام ایجاد تغییر بار بر روی شفت موتور، حلقههای جریان و سرعت این تغییر بار را سریع تشخیص داده و بلافاصله واکنش نشان میدهند.
امکان کنترل موقعیت
با استفاده از کنترل حلقه بسته میتوان موقعیت روتور را به صورت دقیق جهت همگامسازی چند محور و یا موقعیتگیری دقیق روتور بدست آورد. این قابلیت برای کنترل حلقه باز در دسترس نیست.
معرفی درایوهای سری A1000 و GA700
شرکت یاسکاوا سری درایوهای A1000 و GA700 را با هدف پشتیبانی از کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق گشتاور و سرعت و همچنین نیاز به توانهای بسیار بالاتر از درایوهای کوچکتر (مانند GA500 و V1000) دارند به بازار عرضه کرده است. سری A1000 و GA700 بر خلاف سری GA500 و V1000 علاوه بر اینکه از کنترل حلقه باز (مانند V/f و کنترل برداری از نوع حلقه باز) پشتیبانی میکنند بطور کامل از انواع روشهای کنترلی حلقه بسته نیز پشتیبانی میکنند. بنابراین این روشهای کنترلی درایوهای A1000 و GA700 را به گزینهای مناسب برای کاربردهای صنعتی سنگین همانند جرثقیل، میکسرهای سنگین و نوار نقالهها تبدیل میکنند.
در ادامهی این قسمت ابتدا سعی میشود روشهای کنترلی حلقه بسته مورد پشتیبانی این دو درایو مورد بحث قرار گیرد و سپس به تفاوتهای درایوها پرداخته شود.
سیستمهای کنترلی حلقه بسته
از سیستمهای کنترلی حلقه بسته که هر دو درایو GA700 و A1000 بطورکامل از آن پشتیبانی میکنند عبارتاند از: کنترل V/f (همراه با کارت PG) و کنترل برداری حلقه بسته (Closed-Loop Vector Control) که هر کدام برای کاربرد و نیاز خاص مناسب میباشند.
کنترل V/f از نوع حلقه بسته
کنترل V/f از نوع حلقه بسته یک نوع سیستم کنترلی است که برای موتورهای القایی (و در برخی موارد، موتورهای مغناطیس دائم) بکار میرود. در این سیستم کنترلی نسبت ولتاژ و فرکانس بوسیلهی فیدبک موتور ثابت نگه داشته میشود. با این روش کنترلی نسبت ولتاژ به جریان همیشه ثابت بوده و بدلیل اینکه این نسبت با شار فاصله هوایی موتور رابطه مستقیم دارد، بنابراین در صورت اعمال این روش کنترلی، شار موتور ثابت میماند.
یکی از مزایا این سیستم کنترلی نسبت به نوع حلقه باز خود، استفاده از انکدر و فیدبک میباشد که در این حالت انکدر قادر است سرعت موتور را بصورت دقیق اندازهگیری کند. همچنین سرعت واکنش درایو و اعمال تغییرات گشتاور و سرعت در صورت وجود انکدر نسبت به حالت بدون انکدر بسیار بیشتر است و در صورت ایجاد اعوجاج بر روی بار، درایو قادر است بسرعت این اعوجاج را خنثی و سرعت موتور را به سرعت مرجع بازگرداند. در این روش کنترلی، دقت سرعت موتور تا 0.2 درصد نیز میرسد.
کنترل برداری از نوع حلقه بسته
در درایو A1000، کنترل برداری حلقه بسته برای هر دو موتور القایی و مغناطیس دائم بهینه شده است. بدین وسیله این درایو گشتاور و عملکرد نرم و روان مناسب در سرعت پایین موتور و همچنین موقعیتیابی دقیق را برای موتور فراهم میآورد. درایو سری GA700 یاسکاوا نیز علیرغم اینکه با این سیستمهای کنترلی حلقه بسته ذکر شده تعبیه شده است، این درایو دارای واحد پردازش (unit platform)، الگوریتم tuning ساده، راهاندازی سریع، قابلیت انطباق با انواع موتورها و افزایش بهرهوری انرژی میباشد.
به طور خلاصه، هر دو درایو از الگوریتمهای کنترلی قدرتمند بهره میبرند، اما درایو GA700 بر روی سادگی در استفاده و انعطافپذیری تاکید دارد. این در حالی است که درایو A1000 به بهینه بودن عملکرد، به خصوص در کاربردهای صنعتی حساس مانند جرثقیل و بالابرها مشهور است.
تفاوتهای سری GA700 و سری A1000
جهت تشریح تفاوتهای موجود بین دو درایو A1000 و GA700 باید این نکته را ذکر کرد که درایو A1000 یک درایو برداری با کارایی بالا است که بر روی دقت حداکثری گشتاور و سرعت و همچنین فیدبک تاکید دارد. این در حالی است که درایو GA700 که درایو جدیدتری نسبت به A1000 میباشد یک درایو همهکاره، کاربرپسند که امکانات ایمنی، سیستم کنترلی پیچیده و هوشمند، پشتیبانی انعطافپذیر از انواع موتورها (از جمله موتورهای القایی و مغناطیس دائم) همراه با راهاندازی و عیبیابی ساده را در قالب یک پکیج به کاربر ارائه میکند.
تاکید A1000 بر کنترل جریان یا برداری پیشرفته است (تنظیمات دقیق، موقعیتیابی بدون سنسور و کارتهای جانبی گسترده برای ارتباطات و فیدبک) و همچنین سابقه طولانی در کاربردهای سخت موقعیت یابی و کنترل گشتاور دارد. در مقابل، GA700 طراحی فشردهتر و از نظر مکانیکی کارآمدتر ارائه میدهد. از جمله قابلیتهای کارآمد درایو GA700 میتوان به حالتهای برداری EZ، Start-up Wizard، نرم افزار DriveWizard Mobile و قلبلیت ثبت داده برای راهاندازی سریعتر و عیبیابی آسانتر اشاره کرد.
