یکی از وظایف اینورتر در صنعت، راهاندازی و کنترل سرعت موتورهای صنعتی از طریق کنترل فرکانس خروجی درایو است. با استفاده از سیستمهای کنترلی پیشرفته، تولید فرکانس خروجی از نزدیک به صفر هرتز تا حدود 100 هرتز امکانپذیر است. برای کاربردهایی با نیاز به سرعت بالا، برخی از درایوهای مدرن حتی توانایی تولید خروجی تا 590 هرتز را دارند. اینورترهای نسل جدید یاسکاوا مانند سریهای GA500 و GA700 علاوه بر عملکرد دقیق در محدودهی وسیع فرکانسی، به سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا نیز مجهز هستند که پایداری، ایمنی و قابلیت اطمینان بالایی را در فرآیندهای صنعتی تضمین میکند.
اینورترها در اولین اقدام باید قادر باشند فرکانس مد نظر را تولید و در نهایت بتوانند شفت روتور را متناسب با سرعت مورد نیاز بچرخانند. سپس جهت افزایش ایمنی تجهیزات و افراد، سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا باید دارای یکسری فانکشنها و قابلیتهای ایمنی باشد. این قابلیت با افزایش ایمنی کارکنان در محیطهای صنعتی، از بروز آسیبهای احتمالی ناشی از خطای انسانی یا بیاحتیاطی جلوگیری میکند.
جهت باز کردن موضوع، تصور کنید که برای راهاندازی یک میکسر و کنترل آن نیاز به یک درایو صنعتی داریم. برای این که در هنگام راهاندازی میکسر به گشتاور راهاندازی بالا نیاز داریم، باید از حالت سنگین کار درایو استفاده کنیم. در این حالت، مشخص است که درایو در هنگام راهاندازی، گشتاور بسیار زیادی تولید و این گشتاور نیروی چرخان را بر روی روتور اعمال میکند. اگر در هنگام راهاندازی موتور یکی از کارکنان (به دلیل نظارت بر وضعیت شفت موتور و تعمیرات) در نزدیکی شفت قرار بگیرد، ممکن است آسیب شدیدی را متحمل شود. در طول زمان سازندگان درایو تحقیقات زیادی را جهت افزایش ایمنی درایوها انجام و در نهایت توسعه دادهاند.
انواع توابع در سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا
در سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا، توابع مختلفی مانند STO، SS1، SS2، SLS و سایر عملکردهای حفاظتی نقش فعالی در حفظ ایمنی اپراتور، تجهیزات و فرآیندهای صنعتی دارند و با عملکرد دقیق خود، بالاترین سطح ایمنی را در محیطهای صنعتی فراهم میکنند که در این قسمت توضیح داده شده است.
توقف ایمن گشتاور (Safe Torque Off)
قابلیت Safe Torque Off (یا به اختصار STO) یکی از قابلیتها در سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا است که در تمام درایوهای یاسکاوا وجود دارد. تصور کنید که شما یک سیستم صنعتی با چند درایو دارید و میخواهید درایوها را با سیستم توقف اضطراری (emergency stop) یکپارچه کنید.
راه و روشهای زیادی برای انجام این کار وجود دارد. برخی از این روشها با استفاده از قابلیتهای ایمنی پیشرفته طراحی شده و در عمل باعث افزایش قابلیت اطمینان سیستمهای اتوماسیون شدند. اما از طرف دیگر، تعدادی از روشها چندان قابل اعتماد نبودند و تأثیر محسوسی در افزایش ایمنی تجهیزات نداشتند.
این دسته از روشها حتی با وجود پیادهسازی، نتوانستند بهطور مؤثر از آسیب رسیدن به تجهیزات و افراد جلوگیری کنند. بنابراین سازندگان اینورتر به مرور زمان مجبور به پیادهسازی عملگرهای ایمنی جدید بر روی درایوهای جدید شدند که STO یا توقف ایمن گشتاور یکی از این عملگرهای ایمنی جدید میباشد.
این قابلیت در هنگام فعال شدن، توان خروجی درایو را غیر فعال کرده و باعث جلوگیری تولید گشتاور توسط موتور میگردد. این کار توسط سخت افزار درایو انجام میپذیرد تا درایو در هنگام وقوع خطا پایدار و سالم بماند. بهبیان دیگر، قابلیت STO (Safe Torque Off) نوعی توقف اضطراری ایمن در درایو است که با فعال شدن آن، موتور بهصورت کنترلنشده شروع به توقف میکند. در این حالت، سرعت کاهش دوران موتور دیگر توسط پارامترهای درایو کنترل نمیشود و مدتزمان توقف بستگی مستقیم به بار مکانیکی و اینرسی شفت موتور دارد.
STO چگونه کار میکند؟
مدار STO که به گیت درایو متصل است. در زمان فعال شدن STO مدار آن را قطع کرده و IGBTهای درون درایو را غیر فعال میکند. سپس در نهایت جریان خروجی درایو قطع میگردد. در این حالت، جریانی به موتور نمیرسد و گشتاوری در موتور ایجاد نخواهد شد.
توجه داشته باشید که مدار خروجی درایو VFD از المانهای حالت جامد مانند IGBT و ماسفت تشکیل میشود. بنابراین وقتی عملکرد STO فعال است، در خروجی اینورتر هیچ جریانی وجود ندارد؛ اما همچنان ممکن است ولتاژ در ترمینالهای خروجی درایو باقی بماند. از آنجا که قابلیت STO (Safe Torque Off) مستقیماً توسط سختافزار درایو کنترل میشود و وابستگی به نرمافزار ندارد، این سیستم بهصورت ذاتی ایمن (Fail-Safe) عمل میکند. در نتیجه، درایو میتواند بالاترین سطح ایمنی صنعتی را در هنگام بروز خطا یا شرایط اضطراری تضمین کند.
عملکرد STO معمولاً از طریق یک مدار بسته و دوکاناله در درایو فعال میشود. در صورتیکه یکی از این دو کانال باز شود، سیستم STO فعال شده و درایو بلافاصله جریان خروجی به موتور را قطع میکند تا از تولید گشتاور و ادامه حرکت جلوگیری شود. این فرآیند باعث توقف ایمن و بدون کنترل موتور میگردد.
پس از فعال شدن STO، درایو اجازهی ریاستارت ندارد تا زمانی که هر دو کانال مجدداً بسته شوند و سیگنال Reset/Restart به درایو ارسال شود. به این ترتیب، از راهاندازی ناخواسته موتور جلوگیری شده و ایمنی سیستم بهطور کامل تضمین میشود.
برخلاف درایوهای قدیمی که توقف اضطراری موتور با استفاده از تجهیزات جانبی انجام میشد، درایوهای جدید صنعتی به قابلیت STO (Safe Torque Off) مجهز هستند. این قابلیت بهصورت درونی در سیستم ایمنی اینورتر تعبیه شده و امکان توقف ایمن و سریع موتور را بدون نیاز به قطعات خارجی فراهم میکند. به بیانی دیگر مهندسان با استفاده از درایوهای جدید نیازی به وسایل و تجهیزات جانبی جهت توقف اضطراری موتور ندارند.
دیگر عملگرهای ایمنی جانبی در سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا
به دلیل اینکه استانداردهای بینالمللی بر افزایش دقت سیستمهای ایمنی اینورتر تاکید زیادی کردهاند، اکثر سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا از STO به صورت درونی و پیشفرض پشتیبانی میکنند. علاوه بر تابع STO قابلیتهای ایمنی دیگری نیز وجود دارند که به عنوان گزینههای جانبی میتوانند جهت بهبود سیستم ایمنی درایو بکار روند که در این قسمت به آنها اشاره خواهد شد.
Safe Stop 1 (SS1)
زمانی که عملکرد SS1 فعال شود، درایو VFD به صورت هوشمند و کنترلشده، میزان کاهش سرعت موتور را از سرعت نامی تا یک سرعت از پیش تعریفشده مدیریت میکند. این فرآیند قبل از اجرای فرمان قطع توان توسط STO انجام میشود و به افزایش سیستم ایمنی اینورتر و موتور کمک میکند. این کار با تنظیم فرکانس و ولتاژ اعمالشده به موتور بر اساس سرعت لحظهای و گشتاور بهدستآمده از فیدبک انکدر انجام میشود. این قابلیت بهویژه در سیستمهای نوار نقاله (جایی که توقف نرم از آسیب به مواد در حال حمل جلوگیری میکند) کاربرد دارد.
Safe Stop 2 (SS2)
همانند SS1، SS2 کاهش سرعت موتور را تا لحظهی توقف کنترل میکند. اگرچه، بر خلاف SS1، بعد از اینکه موتور بطور کامل متوقف شد، درایو هنوز توان را برای موتور فراهم میکند. به بیان دیگر در هنگام کاهش سرعت موتور، در حالی که درایو توان به موتور میدهد، با این قابلیت سیستم ایمنی اینورتر میتوان بر روی سرعت موتور نظارت نمود تا از توقف کامل موتور اطمینان حاصل کرد.
این عمل معادل دستهی 2 توقف ایمن میباشد. تابع SS2 با استفاده از اطلاعات سرعت و موقعیت دریافتی از انکدر موتور، میزان فرکانس و ولتاژ اعمالی به موتور را به صورت دقیق کنترل میکند. در این روش حتی بدون حرکت روتور، موتور همیشه در حالت آمادهبهکار قرار دارد و میتواند بلافاصله به ادامه کار پاسخ دهد. این کنترل دقیق و نظارت مداوم باعث میشود تابع SS2 به یک گزینه ایدهآل برای کاربردهای حساس مانند رباتیک، سیستمهای اتوماسیون و موقعیتیابی دقیق موتور تبدیل شود.
ترمز ایمن (safe braking)
با این قابلیت سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا مقدار کاهش سرعت موتور جهت توقف ایمن قابل کنترل است. این تابع فرکانس و ولتاژ اعمالی بر موتور را برای کاهش سرعت کنترل میکند؛ اما علاوه بر این موارد، safe braking مقاومت ترمزی و مدار یونیتهای regenerative را نیز برای توقف سریعتر و انتقال بهتر توان مدیریت میکند. جهت عملکرد بهینهتر، قابلیت ترمز ایمن همیشه همراه با STO بکار میرود. به عنوان مثال، ترمز ایمن برای سیستم آسانسور و لیفت مورد استفاده قرار میگیرد. در این حالت، ترمز در حالت درگیر باقی میماند تا موتور به گشتاور مورد نیاز برسد و سپس ترمز آزاد میشود.
Safe-limited speed (SLS)
این تابع از سیستم ایمنی اینورتر یاسکاوا، حداکثر سرعت موتور را به مقدار از پیش تعیینشدهای محدود میکند. این کنترل سرعت باز هم از طریق فیدبک انکدر میسر است. این ویژگی برای برخی از کاربردهای صنعتی (مانند نوار نقاله و میکسر) که سرعت زیاد موتور ممکن است برای کارکنان و یا تجهیزات اطراف مشکل ایمنی ایجاد کند کاربرد بسیار دارد.
Safe direction
Safe direction از عملکرد موتور در سرعت ناخواسته جلوگیری میکند. درایو جهت نظارت و کنترل جهت چرخش موتور از فیدبک انکدر استفاده میکند. با استفاده از فیدبک، درایو از جهت چرخش روتور اطمینان حاصل کرده و از تغییر جهت آن جلوگیری میکند. از این ویژگی زمانی که احتمال جهت چرخش موتور (به عنوان مثال هنگام باز و بست سیمیچی) وجود دارد استفاده میشود.
Safe-limited torque (SLT)
جهت عدم اعمال فشار بیش از حد بر روی روتور، STL فیدبکی را از جانب موتور و احتمالا از جانب سنسور جانبی گشتاور برای کنترل توان خروجی موتور دریافت کرده و تغییرات لازم را میکند. در یک محیط صنعتی که ارتباط افراد و کارکنان با موتور و تجهیزات برقی بسیار زیاد است، وجود این تابع برای تامین ایمنی کارکنان و تجهیزات و همچنین برای رعایت اصول ایمنی بسیار حیاتی میباشد. با پیادهسازی سیستم STL در نوار نقاله، میتوان گشتاور موتور را تا مقدار مشخصی محدود کرد. این ویژگی باعث میشود موتور در شرایط ایمن کار کند و خطرات احتمالی برای کارکنان کاهش یابد.
Safe-limited position (SLP)
این ویژگی سیستم ایمنی اینورتر موتور را ملزم میکند که فقط در محدودههای مکانی از پیش تعیینشده کار کند و از عبور بیشازحد یا توقف زودتر از موقعیتهای مشخص جلوگیری مینماید. SLP در کاربردهای صنعتی مانند رباتیک که دقت موقعیت مکانی روتور اهمیت بسیار زیادی دارد، مورد استفاده قرار میگیرد. از لحاظ ایمنی، SLP از ورود موتور به ناحیه عملکردی خطرناک جلوگیری میکند.
