مقایسه درایو یاسکاوا: کدام مدل برای کسب‌وکار شما مناسب است؟

قبل از پیدایش اینورتر یا درایو یاسکاوا، مهندسان معمولا موتورهای الکتریکی را در کاربردهای سرعت ثابت بکار می‌گرفتند. در واقع مهندسان پس از وصل مستقیم موتورها به شبکه‌ی برق، با سرعت ثابت بار خود را به حرکت در می‌آوردند. سرعتی که شفت موتور با آن حرکت می‌کرد تنها به دو عامل بستگی داشت: فرکانس و تعداد قطب موتور. بدیهی است مهندسان قابلیت کنترل گشتاور موتور به صورت نرم و دقیق را در حالت ثابت بودن سرعت ندارند. از کاربردهای الکتروموتورها در آن دوران می‌توان به پمپ‌ها و فنهای صنعتی، کمپرسورها (با عملکرد پیوسته و سرعت ساده) و نوار نقاله اشاره کرد.

پیدایش درایو

برندهای فعال در اتوماسیون صنعتی با ارائه‌ی درایوها در بازار، کنترل سرعت موتورهای الکتریکی را ممکن کرده‌اند. در این حالت موتور به صورت مستقیم به شبکه‌ی برق متصل نشده و درایو بین موتور و شبکه قرار می‌گیرد. با این سیستم، به دلیل اینکه سرعت موتور الکتریکی با فرکانس ورودی آن رابطه‌ی مستقیم دارد بنابراین، فرکانس خروجی درایو سرعت موتور را به طور مستقیم کنترل می‌کند. بنابراین درایو با دارا بودن تجهیزات الکترونیک قدرت و سیستم کنترلی می‌تواند به راحتی فرکانس خروجی خود و در نتیجه سرعت موتور را به راحتی تغییر ‌دهد.

انواع سیستم‌های کنترلی در درایو

مد کنترلی V/f از نوع حلقه باز

یکی از مشکلات موجود، تغییر فرکانس به تنهایی در خروجی درایو و به تبع آن موتور، تشدید و تضعیف شار فاصله‌ی هوایی بین استاتور و روتور می‌باشد. به بیان دیگر، نسبت فرکانس ورودی موتور به ولتاژ ورودی (V/f) با شار فاصله‌ی هوایی رابطه‌ی مستقیم دارد. بنابراین درایو تنها با افزایش فرکانس خروجی‌اش نسبت V/f و در نتیجه شار فاصله هوایی را به شدت کاهش داده و خاصیت مغناطیسی و بازدهی آن کم می‌شود. همچنین معکوس این قضیه (یعنی کاهش فرکانس به تنهایی) نیز نسبت V/f را افزایش داده و ممکن است به دلیل افزایش شار فاصله هوایی موتور به اشباع برود.

طراحان درایو جهت جلوگیری از این اتفاق، مد کنترلی V/f را طراحی و در درایوها تعبیه کردند. این سیستم کنترلی با افزایش فرکانس خروجی، ولتاژ خروجی درایو را متناسبا افزایش داده و در صورت کاهش فرکانس خروجی، درایو ولتاژ خروجی را متناسبا کاهش می‌دهد. با این اتفاق نسبت V/f در همه حالات ثابت بوده و مقدار شار فاصله هوایی موتور پایدار می‌ماند. این سیستم کنترلی که از ساده‌ترین و پرکاربردترین سیستم‌های کنترلی می‌باشد در درایوهای V1000 و A1000 یاسکاوا موجود می‌باشد.

همچنین یاسکاوا این سیستم کنترلی را نیز برای درایوهای نسل جدید خودش یعنی GA500 و GA700 تعبیه کرده است. لازم به ذکر است که چون در این حالت انکدر یا رزالوری (Resolver) جهت ارسال فیدبک به درایو استفاده نمی‌شود، این سیستم کنترلی از نوع حلقه باز بوده و نسبت به سیستم‌های کنترلی حلقه بسته دقت کمتری دارد.

مد کنترلی V/f از نوع حلقه بسته (V/f with PG و یا V/f with encoder feedback)

این سیستم کنترلی اساسا به مانند مد کنترلی V/f حلقه باز عمل می‌کند با این تفاوت که انکدر در این مد کنترلی نقش حیاتی دارد. انکدر با تولید پالس، سرعت چرخش شفت را تشخیص داده و سرعت درایو را با سرعت موتور تطابق می‌دهد. وجود فیدبک، درایو را از سرعت لحظه‌ای موتور با خبر کرده و در صورت ایجاد تغییر بار ناگهانی بر روی موتور، درایو تغییرات لازم را جهت تطابق مجدد با سرعت موتور اعمال می‌کند. همچنین این سیستم کنترلی دقت راه‌اندازی و عملکرد را در فرکانس‌های پایین بهبود می‌بخشد.

کنترل برداری حلقه باز (Open-loop Vector Control و یا به اختصار OLV)

در این روش کنترل برداری که sensorless vector control نیز نامیده می‌شود، انکدر و فیدبکی وجود ندارد و الگوریتم‌های تخمینی موقعیت و فاز روتور را تخمین زده و اطلاعات آن را برای درایو می‌فرستد. این سیستم کنترلی، گشتاور و پاسخ دینامیکی بهتری نسبت به کنترل V/f ارائه می‌کند اما به دلیل عدم وجود فیدبک عملکرد ضعیف‌تری نسبت به کنترل برداری حلقه بسته دارد.

کنترل برداری حلقه بسته (Closed-loop Vector Control و یا به اختصار CLV)

این سیستم کنترل برداری برخلاف نوع حلقه‌ باز از انکدر بهره برده و بدین وسیله از گشتاور و پاسخ دینامیکی بهتری نسبت به V/f بدون کارت PG، V/f با کارت PG و کنترل برداری حلقه باز ارائه می‌دهد. در کاربردهایی که نیاز به راه‌اندازی و ترمز بسیار دقیق، گشتاور کنترلی و یا کنترل موقعیت دقیق نیاز باشد، این سیستم کنترلی لازم است.

سیستم کنترلی مخصوص به ماشین‌های مغنطیس دائم (PM / SR / Permanent-Magenet Control)

برای موتورهای مغناطیس دائم، یاسکاوا روش‌های OLV-PM، Advanced OLVPM  و Closed-Loop PM را در برخی درایوها تعبیه کرده که بعضی‌شان بدون انکودر قابل ‌اجرا و بعضی با انکودر عملکرد دقیق‌تری دارند.

معرفی اینورترهای یاسکاوا و کاربرد آن‌ها در صنعت

در این قسمت از مقاله ما ابتدا سعی کرده‌ایم تا توضیح مختصر در مورد سری‌های مهم درایو یاسکاوا ارائه دهیم و سپس بعد از سیستم‌های کنترلی آن‌ها حوزه‌ی کاربرد آن‌ها را در صنایع ایران را بیان کنیم.

سری V1000

درایو V1000 یک درایو کوچک و بسیار جمع و جور است که به واسطه‌ی ابعاد کوچک، فضای بسیار کمی را در تابلو برق اشغال می‌کند. این درایو یاسکاوا به واسطه‌ی تمرکز بر کنترل برداری جریان (current vector control)، علاوه بر سیستم کنترلی V/f،  حالت کنترلی sensorless vector control را کاربردهایی که نیاز به گشتاور راه‌اندازی قوی و سیستم کنترلی بهتر از V/f معمولی نیاز دارند فراهم می‌کند.

درایو دارای قابلیت‌های عملیاتی مثل Auto-tuning برای تنظیم خودکار پارامترهای موتور، نسبت کنترل سرعت گسترده (تا حدود 1:100) و امکان پشتیبانی از هر دو نوع موتور القایی (IM) و موتورهای PM است؛ این امکانات باعث می‌شود V1000 در سرعت‌های پایین گشتاور خوبی تولید کند و کنترل پایدار داشته باشد.

لازم بذکر است که قابلیت sensorless vector control گشتاور راه‌اندازی قوی (تا 200% گشتاور نامی در فرکانس پایین) و کنترل بهتر بارهای دینامیکی نسبت به مد کنترلی V/f را ارائه می‌دهد. همچنین این درایو قابلیت استفاده با ماشین‌های مغناطیس دائم را نیز دارند. هر چند که جهت انجام این کار باید کاربر پارامتردهی خاصی را بر روی درایو یاسکاوا V1000 انجام دهد.

از کاربردهای مهم سری V1000 از درایو یاسکاوا در صنعت برق می‌توان به کمپروسورها، پمپ‌ها، ماشین آلات با بار راه‌انداز سنگین، خطوط بسته‌بندی و نقاله‌ها اشاره کرد. باید به این نکته توجه کرد که این سری از درایو یاسکاوا کاربردهای صنعتی تا توان 18.5 کیلووات (در حالتnormal duty یا سبک کار) در کلاس 400 ولت سه ‌فاز و مقادیر پایین‌تر در کلاس‌های 200 تا 240 ولت را ساپورت می‌کند.

سری A1000

سری A1000 درایو یاسکاوا یک درایو برداری با عملکرد بالا (high-performance vector drive) می‌باشد که سیستم‌های کنترلی موجود در این درایو یاسکاوا از کنترل همزمان چند موتور به طور کامل پشتیبانی می‌کند. این درایو از حالت‌های کنترلی مختلف از V/f ساده تا کنترل برداری حلقه بسته (CLV) پشتیبانی‌ می‌کند تا بتواند هم کاربردهای عمومی و هم کاربردهایی که نیازمند دقت و گشتاور لحظه‌ای بالا می‌باشند را پوشش دهد. درایو A1000 بر خلاف سری V1000 که از سیستم کنترلی حلقه بسته پشتیبانی نمی‌کنند، می‌تواند با  انکدر یا رزالور تعبیه شده و فیدبکی مناسبی ارائه دهد.

از نظر عملکرد گشتاور و محدودهی سرعت، A1000 خصوصیات برجسته‌ای ارائه می‌دهد. در حالت‌های برداری، این سری از درایو در حالت OLV می‌تواند تقریباً ۲۰۰٪ گشتاور نامی تا حدود 0.3 هرتز فراهم کند (گشتاور قوی در سرعت‌پایین و بدون نیاز به انکودر)، و در حالت Closed-Loop Vector نیز گشتاور 200% در سرعت نزدیک به صفر دور در دقیقه (0 RPM) امکان‌پذیر است. این خصوصیات A1000 را مناسب راه‌اندازی بارهای سنگین، ماشین‌آلات با نیاز به گشتاور لحظه‌ای بالا و کاربردهایی که پاسخ گذرای سریع نیاز دارند می‌کند. علاوه ‌بر این، A1000 قادر است هم موتورهای القایی (IM) و هم موتورهای سنکرونPM  را با تنظیم مناسب اجرا کند.

در نهایت درایو یاسکاوا A1000 می‌تواند در کلاس 400 ولت برای کاربردهای تا توان 630 کیلووات را براحتی پوشش دهد.

سری GA500

سری GA500 درایو نسل جدید از سری درایو یاسکاوا می‌باشد که جایگزینی برای سری V1000 می‌باشد. GA500 همانند V1000 با طراحی کامپکت و جمع و جور برای کاربردهای کوچک عرضه شده است. این درایو یاسکاوا علاوه بر اینکه در دو سری تک فاز و سه فاز در بازار عرضه شده است، قادر است چند موتور را بطور همزمان راه‌اندازی و کنترل کند تا بین سادگی V/f و کارایی برداری بدون سنسور و حالت‌های ویژه‌ی موتورهای PM انتخاب فراهم شود.

یاسکاوا انواع سیستم‌های کنترلی را در این درایو گنجانده است که عبارتند از: Open-Loop Vector (sensorless)، V/f،(Easy/Auto-tuned vector) E/Z Open-Loop Vector، PM Open-Loop Vector (Easy Auto-tuned vector). علاوه بر موارد ذکر شده، گزینه‌های نرم افزاری و پارامتردهی برای بهینه‌سازی در هر روش (مانند Auto-tuning در حالت Ez Vector) برای این درایو فراهم شده است.

از دیگر ویژگی‌های کلیدی درایو GA500 می‌توان به پشتیبانی از فرکانس خروجی تا 590 هرتز، پشتیبانی از انواع موتورها شامل  Permanent Magnent (IPM/SPM) یا موتور مغناطیس دائم، Induction (IM) یا موتور القایی، Synchronous Reluctance (SynRM) و قابلیت Auto-Tuning در برخی حالت‌های برداری برای تسهیل راه‌اندازی و تنظیم پارامترها.

از کاربردهای این سری از درایو یاسکاوا در صنعت می‌توان به ماشین آلات بسته‌بندی، نقاله‌های جمع و جور، اتوماسیون خطوط کوچک تا متوسط، پمپ‌ها و فن‌های کوچک و بسیاری از کاربردهای سبک تا متوسط اشاره کرد. همچنین این درایو قادر است تا 30 کیلووات در حالت سبک کار را ساپورت کند.

سری GA700

یاسکاوا سری GA700 را به عنوان جایگزینی برای سری A1000 در بازار ارائه داده است. GA700 به مانند A1000 یک درایو با عملکرد بالا برای کاربردهای صنعتی بزرگ عرضه شده است. این درایو به گونه‌ای طراحی شده است تا بتواند انواع موتورهای الکتریکی از ماشین‌های القایی تا انواع ماشین‌های مغناطیس دائم را پوشش دهد. همچنین این درایو کامل‌ترین مجموعه‌ی کنترلی را نسبت به سه سری قبلی ارائه می‌کند. انواع سیستم‌های کنترلی تحت پوشش این درایو عبارت‌اند از:

• Open-Loop Vector (sensorless)
• Closed-Loop V/f
• Open-Loop V/f
• Closed-Loop Vector
• Advanced Open-Loop Vector
• Ez Open-Loop Vector

همچنین این درایو دارای چند سیستم کنترلی مختص به موتورهای PM می‌باشد؛ که عبارتند از:

• Open-Loop for PM
• Advanced Open-Loop for PM
• Closed-Loop for PM

این سری از درایو یاسکاوا طیف وسیعی از فرکانس‌ها را پشتیبانی می‌کند. در حالت‌ عادی این درایو یاسکاوا تا فرکانس 590 هزتز می‌تواند خروجی دهد که برای بسیاری از کاربردهای معمولی کافی است و برای کاربردهای خاص نیز تا مقادیر بزرگ‌تر قابل تنظیم است. این قابلیت درایو را برای ماشین‌آلاتی که نیاز به سرعت زیاد یا موتورهایی با نسبت سرعت ویژه دارند به گزینه‌ی مناسبی تبدیل می‌کند.

از کاربردهای صنعتی سری GA700 می‌توان به ماشین‌های بسته‌بندی سرعت-بالا، پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها و کاربردهای   HVAC اشاره کرد. همچنین این درایو به راحتی کاربردهای صنعتی تا 630 کیلووات را می‌تواند پوشش دهد.

سری L1000A و LA700

یاسکاوا دو درایو L1000A و LA700 را اختصاصا برای سیستم‌های آسانسور و لیفت طراحی کرده است. هر دو اینورتر قابلیت کنترل دو موتور القایی و مغناطیس دائم را دارند. همچنین هر دو درایو از انواع حالت‌های کنترلی حلقه باز و حلقه بسته شامل V/f، کنترل برداری حلقه باز (sensorless vector control)، کنترل برداری حلقه بسته (CLV) و Closed-Loop for PM پشتیبانی می‌کنند.

لازم بذکر است که تنها تفاوت این دو درایو یاسکاوا در ساپورت کردن حالت‌های خاص آسانسوری می‌باشد. به طور نمونه، درایو L1000A به طور محدود از این قابلیت پشتیبانی می‌کند. اما درایو LA700 که درایو جدیدتری نسبت به L1000A می‌باشد، دارای قابلیت‌های کامل‌تری است. این قابلیت‌ها شامل تنظیمات jerk جداگانه، منحنی‌های شتاب و ترمز، anti-rollback و گزینه‌های ارتباطاتی و بلوتوثی می‌باشد.

نکاتی در مورد حالات سنگین کار و سبک کار درایو یاسکاوا

کاربردهای صنعتی را علاوه بر نوع سیستم کنترلی لازم می‌توان بر اساس حالت کاری به دو گروه کلی تقسیم کرد: سبک‌کار و سنگین‌کار. در حالت سبک‌کار، بار معمولاً تابع سرعت است و گشتاور مورد نیاز در بیشتر مواقع پایین یا متغیر است. در این شرایط میانگین توان و حرارت تولیدی در موتور و درایو کمتر است و به همین دلیل سیستم می‌تواند تحمل بارهای کوتاه ‌مدت اضافی را داشته باشد. مثال بارهای معمول در حالت سبک‌کار عبارت‌اند از فن‌ها و اغلب انواع پمپ‌های گریز از مرکز، جایی که گشتاور با تغییر سرعت به‌وضوح کاهش یا افزایش می‌یابد.

در حالت سنگین‌کار، بیشترین زمان کار، نیازمند گشتاور بالا و نزدیک به مقدار نامی است و بار یا پیوسته سنگین است یا ضربه‌ها و اوج‌های گشتاور مکرر وجود دارد. در این شرایط محدودیت‌های حرارتی موتور و درایو تعیین‌کننده‌اند و معمولاً امکان تحمل اضافه‌بار طولانی‌مدت کمتر است. نمونه‌هایی از کاربردهای سنگین‌کار شامل کمپرسورها، برخی نوارهای نقاله تحت بار دائم، بالابرها و پرس‌ها هستند.

برای تعیین اینکه یک اپلیکیشن جزو سبک‌کار یا سنگین‌کار است باید به الگوی کاری یا duty cycle، مشخصات  overload موجود در دیتاشیت اینورتر، و شرایط محیطی مانند دما و ارتفاع نصب توجه کرد. نکات فنی کلیدی که در انتخاب اینورتر مؤثرند شامل مقدار گشتاور پیوسته تعریف شده برای درایو، میزان اضافه‌ بار قابل تحمل و مدت زمان قابل پذیرش آن، و نیاز به derating بر اساس شرایط محیطی می‌باشند.

نکات پیاده‌سازی و پارامترهای مهم (طبق روش یاسکاوا)

طبق Technical manual آپلود شده در سایت رسمی یاسکاوا، روش‌های کنترلی و حالت کاری درایو یاسکاوا قابل تنظیم است. به عنوان مثال با استفاده از پارامتر A1-02 کاربر می‌تواند حالت‌های کنترلی تعریف شده در درایو را تعیین کند. با پارامتر C1-06، از طرفی دیگر، کاربر می‌تواند بین حالات سنگین کار و سبک کار در درایو بسته به کاربرد صنعتی سوییچ کند. اطلاعات بیشتر در مورد پارامترهای درایو یاسکاوا باید به منوال فنی درایو موجود در سایت یاسکاوا مراجعه کرد.