معرفی قابلیت‌های پیشرفته در درایو های یاسکاوا

اینورترهای AC مدرن علاوه بر کنترل ساده V/f، قابلیت‌هایی را برای بهبود عملکرد در هنگام تغییرات بار و راه‌اندازی موتور ارائه می‌کنند. جبران لغزش (Slip Compensation) که گاهی Slip Boost یا Slip Feed-Forward نیز نامیده می‌شود، و جبران گشتاور (Torque Compensation) با افزایش ولتاژ خروجی، افت سرعت ناشی از لغزش موتور را جبران کرده یا گشتاور بیشتری در اختیار موتور قرار می‌دهند.

تنظیم‌کننده خودکار لغزش (ASR) یک سیستم کنترل سرعت حلقه‌بسته (Closed-Loop) است که با استفاده از بازخورد سرعت، فرکانس خروجی را به‌صورت پیوسته تنظیم می‌کند. جستجوی سرعت (Speed Search یا Fly-Start) نیز برای شرایطی به‌کار می‌رود که موتور پیش از دریافت فرمان راه‌اندازی در حال چرخش باشد؛ در این حالت، اینورتر با استفاده از الگوریتم‌های ویژه و از طریق اندازه‌گیری جریان یا نیروی محرکه معکوس (Back-EMF)، سرعت و موقعیت روتور را تشخیص داده و بدون ایجاد ضربه، با آن همگام می‌شود.

این قابلیت‌ها در درایوهای یاسکاوا مانند V1000، A1000، GA700 و سری CIMR وجود دارند و بسته به حالت کنترلی مورد استفاده (مانند Open-Loop Vector، V/f همراه با PG و سایر حالت‌ها)، از بازخوردهای داخلی شامل جریان، انکودر (PG) و Back-EMF و همچنین پارامترهایی مانند بهره‌ها (Gains) و فیلترها (Filters) برای تنظیم و بهینه‌سازی پاسخ سیستم استفاده می‌کنند.

قابلیت‌های پیشرفته درایو یاسکاوا

 شرکت یاسکاوا توابع پیشرفته درایو مانند Slip Compensation، Torque Compensation و Speed Search جهت ارتقا عملکرد دستگاه در درایو خود جای داده است.Slip Compensation  و  Torque Compensation  اساساً تنظیمات پیش‌خور (Feed-Forward) یا حلقه‌باز  (Open-Loop)  هستند که در حالت‌های V/f یا کنترل بدون سنسور برای افزایش گشتاور و جلوگیری از افت سرعت تحت بار به کار می‌روند.

در مقابل، قابلیت Automatic Speed Regulator (یا به اختصار ASR) یک کنترل‌کننده سرعت حلقه‌بسته است که با استفاده از بازخورد انکودر، سرعت موتور را حتی در شرایط تغییر بار با دقت بالا در مقدار تنظیم‌شده حفظ می‌کند.

Speed Search به درایو این اجازه را می‌دهد که موتوری که بدون کنترل درایو و به دلیل اینرسی بار در حال چرخش هست را با استفاده از تشخیص سرعت موتور و همگام‌سازی درایو با آن را کنترل کند.

هر کدام از این قابلیت‌ها دارای پارامترهای مخصوص به خود بوده که این پارامترها بسته به سری درایو ممکن است تفاوت‌ داشته باشد. به عنوان مثال در سری درایوهای V1000، GA700 و A1000 جبرانگر گشتاور و لغزش در دسته پارامترهای C3 و C4 جای داشته و دسته پارامترهای C5 به قابلیت ASR اختصاص دارند.

محدوده‌های معمول برای پارامترهای بهره (Gain) بین 0 تا 2.5 و برای تأخیر فیلتر (Filter Delay) بین 0 تا 10000 میلی‌ثانیه است. از جبران لغزش (Slip Compensation) معمولاً در فن‌ها و پمپ‌ها، از تنظیم‌کننده سرعت ASR در نوار نقاله‌ها و جرثقیل‌ها، و از جستجوی سرعت (Speed Search) در آسانسورها و سیستم‌های مجهز به ژنراتور برای راه‌اندازی نرم و بدون ضربه موتور در حال چرخش استفاده می‌شود.

در عمل این پارامترها باید در درایو تنظیم گردند. به عنوان مثال، اگر سرعت تغییر جبرانگر لغزش پایین باشد باید ضریب یا gain آن را با اسفاده از پارامتر مربوطه افزایش داد و یا اگر تغییرات لغزش بالا و نوسانی بود باید مقدار پارامتر را کاهش داد. همچنین در قابلیت ASR باید پارامتر مربوط به زمان انتگرال (ASR integral time) را جهت پاسخ آرامتر و نرم‌تر کاهش داد. تنظیمات متداول می‌توانند به این صورت باشند: بهره جبران لغزش (Slip Gain) حدود 1.0، بهره تقویت گشتاور (Torque Boost Gain) حدود 1.0، و بهره تناسبی (P Gain) در تنظیم‌کننده سرعت ASR حدود 20.

قابلیت تنظیم خودکار سرعت (ASR)

ASR یک سیستم کنترل سرعت حلقه‌ بسته است که بر پایه کنترل V/f عمل می‌کند. این سیستم به‌طور مداوم سرعت واقعی موتور را (از طریق انکودر یا کارت PG) با مرجع فرکانس مقایسه کرده و برای حذف خطای سرعت، فرکانس خروجی اینورتر را تنظیم می‌کند. در نتیجه، لغزش موتور تحت بار به‌طور مؤثر جبران می‌شود. هدف ASR حفظ سرعت موتور در مقدار تنظیم‌شده، حتی در صورت بروز تغییرات گشتاور یا اغتشاشات بار است. برای مثال، اگر بار کابین آسانسور افزایش یابد، ASR با افزایش فرکانس خروجی، سرعت موتور را در مقدار تعیین‌شده ثابت نگه می‌دارد.

این قابلیت با استفاده از سیستم کنترلی PI کار می‌کند. این سیستم ابتدا خطا در سرعت را می‌سنجد (خطای سرعت = فرکانس مرجع – سرعت اندازه گیری شده) و با استفاده از ضرایب P و I (که توسط پارامترهای C5-01 و C5-04 تعیین می‌شود) سعی می‌کند تا خطا را برطرف نماید.

Slip Compensation

جبران لغزش (Slip Compensation) یک روش پیش‌خور (Feed-Forward) است که با افزایش فرکانس خروجی اینورتر، لغزش موتور در شرایط بار را جبران می‌کند. در این روش، فرکانس (یا در برخی موارد ولتاژ) خروجی به‌گونه‌ای افزایش می‌یابد که موتور حتی در حالت بارگذاری نیز بتواند گشتاور و سرعت موردنظر را حفظ کند. این قابلیت یک عملکرد حلقه‌باز (Open-Loop) است و به سنسور سرعت نیازی ندارد؛ بنابراین در حالت‌های V/f و کنترل برداری حلقه‌باز (Open-Loop Vector) فعال است. برای مثال، اگر سرعت یک فن در اثر افزایش جریان هوا و سنگین‌تر شدن بار کاهش یابد، جبران لغزش با افزایش جزئی فرکانس خروجی، سرعت موتور را به مقدار مطلوب نزدیک نگه می‌دارد.

در حالت کنترل V/f، اینورتر لغزش موتور را (یعنی اختلاف بین سرعت سنکرون و سرعت واقعی موتور که برای تولید گشتاور موردنیاز لازم است) بر اساس مقدار لغزش موتور در شرایط نامی تخمین می‌زند. حلقه جبران لغزش (Slip Compensation) اختلاف بین فرکانس خروجی مرجع و سرعت تخمینی موتور را پایش کرده و یک مقدار اصلاحی به فرکانس خروجی اضافه می‌کند.

در اینورترهای یاسکاوا، پارامتر بهره جبران لغزش (C3-01) عملاً فرکانس لغزش نامی موتور را در ضریب تنظیم‌شده ضرب کرده و نتیجه را به فرکانس مرجع اضافه می‌کند. به این ترتیب، جبران لغزش رفتاری مشابه یک حلقه کنترل سرعت ساده و بدون فیدبک دارد و بدون نیاز به سنسور سرعت، افت سرعت ناشی از افزایش بار را تا حدی جبران می‌کند.

Torque Compensation

جبران گشتاور (Torque Compensation) که اغلب با نام تقویت گشتاور (Torque Boost) نیز شناخته می‌شود، یک روش پیش‌خور (Feed-Forward) برای افزایش ولتاژ خروجی درایو متناسب با نیاز گشتاوری موتور است. هنگامی که موتور در اثر بار زیاد، به‌ویژه در سرعت‌های پایین، جریان بیشتری می‌کشد، افت ولتاژ در سیم‌پیچ‌های استاتور می‌تواند باعث کاهش گشتاور تولیدی شود. عملکرد جبران گشتاور با افزایش ولتاژ خروجی اینورتر متناسب با جریان موتور و مقاومت استاتور، این افت ولتاژ را جبران کرده و گشتاور موردنیاز را حفظ می‌کند.

یاسکاوا این قابلیت را با عنوان «تقویت خودکار گشتاور (Automatic Torque Boost) برای تطبیق ولتاژ خروجی با بار موتور» معرفی می‌کند. این عملکرد به‌ویژه در راه‌اندازی موتور و کار در سرعت‌های پایین بسیار مؤثر است، زیرا در این شرایط افت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم‌پیچ استاتور می‌تواند گشتاور قابل دسترس موتور را محدود کند.

درایو به‌طور پیوسته جریان موتور را پایش می‌کند. سپس با استفاده از پارامترهای موتور، میزان ولتاژ اضافی موردنیاز برای جبران افت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم‌پیچ استاتور را محاسبه کرده و بخشی از آن را به مرجع ولتاژ خروجی اضافه می‌کند. پارامتر C4-01  میزان این افزایش ولتاژ را تنظیم می‌کند. در عمل، جبران گشتاور با افزودن یک مؤلفه پیش‌خور به منحنی V/f، باعث حفظ شار مغناطیسی موتور در شرایطی می‌شود که جریان موتور زیاد است. برخلاف Slip Compensation که بر اساس تغییرات سرعت یا خطای سرعت عمل می‌کند، جبران گشتاور تنها بر مبنای بازخورد جریان موتور انجام می‌شود؛ بنابراین حتی زمانی که موتور در حالت سکون قرار دارد نیز (تا فرکانس پایه موتور) قابل استفاده و مؤثر است.

Speed Search

جستجوی سرعت (Speed Search) که گاهی با نام‌های Fly Start یا Coast Start نیز شناخته می‌شود، قابلیتی است که به درایو امکان می‌دهد موتوری را که از قبل با سرعت و حتی جهت نامشخص در حال چرخش است، بدون توقف مجدد راه‌اندازی و کنترل کند. در این روش، به‌جای متوقف کردن موتور یا شروع از حالت سکون، اینورتر ابتدا سرعت واقعی موتور را تشخیص داده و سپس به‌صورت نرم و تدریجی با سرعت آن همگام شده و فرکانس خروجی را به مقدار موردنظر می‌رساند.

این قابلیت از طولانی شدن زمان توقف آزاد (Coast-Down)، به‌ویژه در بارهای با اینرسی بالا، جلوگیری کرده و همچنین مانع ایجاد ضربه یا شوک گشتاوری هنگام در دست گرفتن کنترل موتور می‌شود. در مستندات یاسکاوا، سه روش برای اجرای Speed Search معرفی شده است: تشخیص جریان (Current Detection)، تخمین سرعت (Speed Estimation) و تشخیص جریان ۲ (Current Detection 2). در حالت‌های کنترل برداری حلقه‌بسته (CLV) و V/f همراه با انکودر (PG)، این عملکرد به‌صورت خودکار انجام می‌شود؛ اما در حالت‌های کنترل حلقه‌باز (Open-Loop) باید به‌طور دستی فعال شود.

تشخیص جریان (Current Detection)

در این روش، اینورتر جستجوی سرعت را با اعمال یک فرکانس کاهشی آغاز می‌کند؛ به‌طوری که فرکانس اولیه از سرعت مورد انتظار موتور بالاتر است. هم‌زمان، جریان موتور نیز به‌طور مداوم پایش می‌شود. در سرعت‌های بالا، به دلیل زیاد بودن نیروی محرکه معکوس (Back-EMF)، جریان موتور کم است. اما هنگامی که فرکانس خروجی اینورتر از سرعت واقعی موتور عبور می‌کند، علامت لغزش (Slip) تغییر کرده و جریان موتور به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد.

زمانی که جریان از مقدار آستانه تعیین‌شده (مانند پارامتر C3-02 یا یکی از پارامترهای B3 که مقدار پیش‌فرض آن حدود  120٪جریان نامی موتور است) بیشتر شود، اینورتر تشخیص می‌دهد که سرعت موتور شناسایی شده است. سپس فرآیند جستجو متوقف شده و اینورتر ادامه راه‌اندازی را با رمپ معمولی انجام می‌دهد. این روش فقط قادر به تشخیص چرخش در جهت مستقیم (Forward) است و باید جستجو را از فرکانسی بالاتر از سرعت واقعی موتور آغاز کند.

تخمین سرعت

در این روش، درایو با اندازه‌گیری ولتاژ و جریان ترمینال‌های موتور، مقدار نیروی محرکه معکوس (Back-EMF) را تخمین می‌زند و از روی آن، سرعت تقریبی و جهت چرخش موتور را محاسبه می‌کند. اگر مقدار Back-EMF به دلیل پایین بودن سرعت موتور (برای مثال در نزدیکی سرعت صفر) بسیار ضعیف باشد، اینورتر می‌تواند با تزریق یک سیگنال DC یا سیگنال AC با فرکانس پایین، پاسخ جریان موتور را اندازه‌گیری کرده و از آن برای تخمین سرعت و جهت چرخش استفاده کند.

برخلاف روش تشخیص جریان (Current Detection)، روش تخمین سرعت قادر به تشخیص هر دو جهت چرخش، یعنی مستقیم (Forward) و معکوس (Reverse) است. به همین دلیل، یاسکاوا این روش را برای کاربردهایی که جهت چرخش موتور از قبل مشخص نیست، به‌عنوان روش ترجیحی معرفی می‌کند.

تشخیص جریان ۲ (Current Detection 2)

این روش یک روش ترکیبی است که در صورت وجود نیروی محرکه معکوس (Back-EMF)، همانند روش تخمین سرعت (Speed Estimation) از آن برای تعیین سرعت و جهت چرخش موتور استفاده می‌کند. اما اگر Back-EMF کافی در دسترس نباشد، به روش Current Sweep روی می‌آورد. در طول فرآیند تشخیص نیز اینورتر جریان خروجی را در محدوده مجاز نگه می‌دارد تا از اعمال جریان بیش از حد به موتور جلوگیری شود.