الکتروموتورها نقش بسیار مهمی در زندگی ما دارند و با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، گشتاور و سرعت مورد نیاز برای حرکت اجسام را تامین می‌کنند. امروزه با توجه به هزینه‌های بالا، کارفرماها ترجیح می‌دهند از تجهیزاتی برای کنترل موتور استفاده کنند که در مصرف انرژی صرفه‌جویی شود.
علاوه‌‌بر این، هزینه‌های تعمیر و نگهداری موتور هم کاهش پیدا می‌کند. اینجاست که استفاده از درایو در صنعت پررنگ میشود. درایو تجهیزی است که برای موتور، ولتاژ و فرکانس متغیر تامین می‌کند. اما چگونه؟ برای جواب به این سوال باید با مدار داخلی درایو و نحوه عملکرد آن آشنا باشیم. با ماهر همراه باشید.
طرح یک سوال
قبل از هر چیز بگذارید بگویم که ایده نوشتن این مقاله از کجا آغاز شد. چند روز پیش در تالار گفتمان اپلیکیشن ماهر، این سوال مطرح شده بود:
اینجا بود که جرقه نوشتن این مقاله به سرم زده شد، تا شاید به سوال خیلی از دوستان پاسخ داده شود.
حتماً می‌دانید که درایو بین تابلو برق اصلی و موتور الکتریکی نصب میشود. نیروی برق به درایو منتقل میشود و از درایو یک نیروی برق قابل تنظیم، موتور را تغذیه می‌کند. (شکل ۱)
اجزای داخلی یک درایو
برای این که با نحوه عملکرد مدار داخلی درایو آشنا شوید، ابتدا باید بدانید که درایو از چه قسمت‌هایی تشکیل شده است.
مطابق شکل ۲، درایو از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
- برد قدرت: این بُرد وظیفه تامین سه‌فازِ قدرت را برعهده دارد.
- برد فرمان: این برد رابط بین کاربر و برد قدرت است. یک کنترلر (CPU) دارد، که بر اساس تنظیم پارامترها، ولتاژ و فرکانس خروجی درایو را تغییر می‌دهد.
- برد ارتباط با کاربر: شامل کی‌پد، نمایشگر و ترمینال‌های فرمان است و وظیفه ارتباط با محیط بیرون را برعهده دارد.
در این مقاله، برد قدرت درایو بررسی میشود و در پایان متوجه خواهید شد چگونه درایو، یک سیگنال تک یا سه‌فاز را با ولتاژ و فرکانس ثابت شبکه برق، به یک سیگنال ولتاژ و فرکانس متغیر تک یا سه‌فاز تبدیل می‌کند.
برای آشنایی بیشتر با بخش‌های دیگر درایو و مزایای آن مقاله «اینورتر یا درایو چیست و چه مزایایی برای ما ایجاد می‌کند؟» را بخوانید.
ساختار برد قدرت درایو
در شکل ۳ می‌بینید، برد قدرت درایو از بخش‌های زیر تشکیل شده است:
- یکسوسازها (Rectifiers)
- خازن‌ها (DC Bus)
- سوئیچینگ‌ها (Inverters)
اصول عملکرد یک درایو با فرکانس متغیر (VFD)
اصول عملکرد یک درایو با فرکانس متغیر (VFD) به این صورت است:
سه‌فاز ورودی ابتدا از مدار یکسوکننده‌ها (Rectifiers) عبور می‌کند. یکسوکننده چندین دیود است که به‌صورت موازی به‌هم متصل شده‌اند. دیودها به سیگنال متناوب اجازه می‌دهند که فقط در نیم سیکل مثبت جریان داشته باشد و در نیم سیکل منفی مسیر را مسدود می‌کنند. در نتیجه، خروجی یکسوکننده‌ها، یک سیگنال مستقیم و ناهموارِ DC است (شکل۴).
در مرحله بعد، خروجی یکسوکننده‌ها وارد مدار خازن‌ها (DC Bus) میشود. مدار خازن‌ها مانند فیلتری است که سیگنال DC یکسوشده را توسط خازن‌ها صاف می‌کند.
هدف این مدار تولید یک ولتاژ DC ثابت، تمیز و صاف است. این کار با آزاد کردن الکترون‌ها در خلال شکاف‌ها به‌منظور صاف کردن ریپل‌های موج انجام میشود. سپس یک خروجی DC صاف و هموار به بخش نهایی (اینورترها) جریان پیدا می‌کند (شکل ۵).
اینورترها از تعدادی سوئیچ الکترونیکی به نام IGBT تشکیل شده‌اند. کنترلر، این سوئیچ‌ها را به‌صورت جفت، باز و بسته می‌کند، تا با کنترلِ مسیری که سیگنال طی می‌کند و مدت زمانی که در مسیرهای مختلف جریان دارد، جریان برق را کنترل کند.
همانطور که می‌بینید (شکل ۶)، برق AC (سیگنال متناوب) از یک منبع DC (خروجی خازن‌ها) تولید میشود. اکنون اجازه دهید نگاهی دقیق‌تر به مدار داخلی درایو بیندازیم.
یکسوسازها (Rectifiers)
یکسوکننده شش دیود دارد که به‌صورت موازی به هم متصل شده‌اند. در شکل ۷ دیودها از شماره یک تا شش (D1-D6) برچسب‌گذاری شده‌اند.
هر یک از ۳ فاز به یک جفت دیودِ متفاوت متصل است. همانطور که می‌دانید، الکتریسیته برای این‌که در یک مدار جریان یابد، باید به منبع خود برگردد. بنابراین، در این پیکربندی، جریان از بار عبور می‌کند و از طریق فاز دیگری به منبع باز می‌گردد. یک لامپ، یک موتور یا یک مدار الکترونیکی می‌توانند نقش بار را در این مدار داشته باشند.
البته در درایو، بار (Load)، بقیه مدار درایو (vfd) است. برق سه‌فاز به‌طور متناوب وارد دیودها میشود، دیودها فقط اجازه می‌دهند تا فاز پیک مثبت عبور کند و بقیه را مسدود می‌کنند.
برای درک بهتر، فرض کنید سه فاز با رنگ‌های قرمز، زرد و آبی وارد مدار می‌شوند. فاز ۱ (موج قرمز رنگ) در پیک مثبت خود قرار دارد (کادر مستطیلِ سفید رنگ شماره ۱). پس جریان می‌تواند از دیود D1 بگذرد و سپس از بار عبور می‌کند. هنگامی که به منبع باز می‌گردد، چون فاز ۲ (موج زرد رنگ) در پیک منفی سیکل خود قرار دارد، جریان از دیود D6 به فاز ۲ برمی‌گردد. (شکل ۸)
در بخش بعدی، جریان متناوب هنوز از فاز ۱ و دیود D1 عبور می‌کند. زیرا هنوز فاز ۱ در پیک مثبت است. سپس از بار عبور می‌کند و به منبع باز می‌گردد (کادر مستطیل سفید رنگ شماره ۲). اما اکنون فاز ۳ (موج آبی رنگ) در پیک منفی سیکل خود قرار دارد، بنابراین جریان از طریق دیود D2 به فاز ۳ برمی‌گردد. (شکل ۹)
در ادامه فاز ۲ (موج زرد رنگ) به اوج خود نزدیک میشود. بنابراین اکنون جریان از فاز ۲ و از دیود D3 عبور می‌کند (کادر مستطیل سفید رنگ شماره ۳). سپس جریان از طریق بار و دیود D2 از فاز ۳ (موج آبی رنگ) به منبع باز می‌گردد. (شکل ۱۰)
در بخش بعدی، جریان هنوز از فاز ۲ (موج زرد رنگ) و دیود D3 عبور می‌کند (کادر مستطیل سفید رنگ شماره ۴). سپس از طریق بار و دیود D4 از فاز ۱ (موج قرمز رنگ) به منبع باز می‌گردد. (شکل ۱۱)
در قسمت بعدی، فاز ۳ (موج آبی رنگ) اکنون به پیک مثبت خود نزدیک میشود. بنابراین جریان از طریق دیود D5 می گذرد (کادر مستطیل سفید رنگ شماره ۵). سپس از طریق بار و دیود D4 از فاز ۱ (موج قرمز رنگ) به منبع باز می‌گردد. (شکل ۱۲)
در نهایت، جریان از فاز ۳ (موج آبی رنگ) از طریق دیود D5، از بار عبور می‌کند (کادر مستطیل سفید رنگ شماره ۶). سپس از طریق بار و دیود D6 از فاز ۲ (موج زرد رنگ) به منبع باز می‌گردد. این چرخه مدام به این صورت تکرار میشود. (شکل ۱۳)
اگر یک اسیلوسکوپ را به منبع تغذیه سه‌فاز ورودی وصل کنید، سه موج سینوسی AC خواهید دید؛ اما اگر اسیلوسکوپ روی بار (بعد از دیودها) نصب شود، یک سیگنال dc ناهموار مشاهده می‌کنید. (شکل ۱۴)
خازن‌ها (DC Link)
اکنون باید این امواج را صاف کنید تا برق DC صاف داشته باشید، برای این کار یک خازن بین قسمت مثبت و منفی مدار وصل میشود. این خازن مانند یک مخزن ذخیره‌سازی عمل می‌کند.
در صورت وجود الکترون اضافی، آن‌ها را جذب می‌کند و در صورت کاهش الکترون‌ها، الکترون به مدار تزریق می‌کند. بنابراین، خازن موج DC ناهموار را صاف می‌کند. بنابراین یک سیگنال صاف و تمیز روی صفحه اسیلوسکوپ قابل مشاهده است. (شکل ۱۵)
سوئیچینگ‌ها یا اینورتر (Inverter)
اکنون سیگنال DC تمیز و صاف به مدار اینورتر وارد میشود. اینورتر اساساً تعدادی IGBT یا سوئیچ‌هایی الکترونیکی هستند که به‌وسیله یک کنترلر می‌توانند به سرعت روشن و خاموش شوند. (شکل ۱۶)
برای این که تجسم مدار آسان‌تر شود. بهتر است به جای IGBT، در این پروسه از سوئیچ‌های ساده متحرک استفاده کنیم. (شکل۱۷)
برای به‌دست آوردن ۳ فاز، باید کلیدها به‌صورت جفت باز و بسته شوند تا جریان الکتریسیته از منبع خود به مسیرِ برگشت، هدایت شود و موتور یک جریان متناوب دریافت کند.
برای درک بهتر، اگر یک لامپ را به چند کلید و یک منبع تغذیه DC وصل کنیم، می‌توان جهت جریان عبوری از لامپ را با باز و بسته کردن کلیدها مرتباً عوض کرد. در نتیجه برای لامپ یک جریان متناوب ساخته میشود. در تصویرها مشاهده می‌کنید که با عوض کردن کلیدهای باز و بسته، جهت جریان در لامپ عوض میشود. (شکل ۱۷ و ۱۸)
بیشتر بدانید:
باز و بسته شدن سوئیچ‌ها باعث ایجاد هارمونیک‌های اضافی در شبکه برق میشود. به همین دلیل باعث اختلال در عملکرد سایر تجهیزات متصل به همان شبکه برق خواهد شد. برای حل این مشکل از فیلترهای حذف هارمونیک (چوک) استفاده میشود. (شکل۱۹)
حال اگر در یک منبع تغذیه مستقیم DC سه فاز به‌وسیله سوئیچ‌های باز و بسته جهت جریان عوض شود، ۳ فاز متناوب را می‌توان روی اسیلوسکوپ شبیه سازی کرد.
فرض کنید در مدار زیر، ابتدا سوئیچ‌های ۱ و ۶ بسته شده‌اند، و در نتیجه جریان از فاز ۱ به فاز ۲ جاری میشود (شکل ۲۰).
در مرحله بعد سوئیچ‌های ۱ و ۲ بسته می‌شوند، این بار جریان از فاز ۱ به فاز ۳ جاری میشود (شکل ۲۱).
در گام بعدی، سوئیچ‌های ۳ و ۲ بسته شده و جریان از فاز ۲ به فاز ۳ عبور می‌کند (شکل ۲۲).
سپس سوئیچ های ۳ و ۴ بسته میشود و جریان از فاز ۲ به فاز ۱ جاری میشود (شکل ۲۳).
حال سوئیچ‌های ۵ و ۴ بسته میشود و این بار جریان از فاز ۳ به فاز ۱ می‌گذرد (شکل ۲۴).
در نهایت سوئیچ‌های ۵ و ۶ بسته میشود و جریان از فاز ۳ به فاز ۲ جاری میشود (شکل ۲۵).
این چرخه مرتباً تکرار میشود. بنابراین، اگر نمودارها را در اسیلوسکوپ بررسی کنید، الگویی شبیه موج سینوسی AC به نظر می رسد، اگرچه موج کمی مربعی است (شکل ۲۶).
ممکن است بپرسید:
- سوئیچ‌ها بر چه اساسی باز و بسته می‌شوند؟
- برای این که شکل موج مربعی به شکل موج سینوسی نزدیک شود، چه باید کرد؟
همانطور که گفته شد، سوئیچ‌ها را می‌توان با سرعت‌ها و مدت‌های مختلف باز و بسته کرد تا شکل موج تغییر کند. این کار به‌وسیله کنترلر PWM انجام میشود.
کنترلر PWM
PWM مخفف Pulse Width Modulation و به معنای مدولاسیون پهنای پالس است. PWM تكنيكی برای كنترل ولتاژ است. PWM یک کنترلر (IC) است که زمان یک شدن و صفر شدن یک سیکل از موج مربعی را تعیین می‌کند. هر چقدر مقدار زمان یک شدن نسبت به صفر شدن بیشتر باشد، مقدار چرخه زمانی (Duty Cycle) بیشتر و به طبع ولتاژ خروجی نیز بیشتر خواهد شد.
بیشتر بدانید:
چرخه زمانی (Duty Cycle) چیست؟
موج مربعی در یک سیکل کاری، در مدت زمان مشخصی عرض پالس مثبت (یک) و در مدت زمان مشخصی عرض پالس منفی یا صفر است. زمان عرض پالس مثبت به‌عنوان چرخه زمانی سیکل شناخته میشود. چرخه زمانی می‌تواند ۲۵٪، ۵۰٪ یا ۷۵٪ باشد (شکل۲۷).
با توجه به مطالب گفته شده، ولتاژ صاف‌شده توسط خازن از صفر تا مقدار ولتاژ مرجع تعیین شده، به‌وسیله PWM تغییر می‌کند. در واقع با استفاده از تکنیک PWM می‌توانیم روی مقدار ولتاژ خروجی کنترل داشته باشیم. تمام این مراحل را می‌توان با استفاده از یک میکروکنترلر یا هر IC دیگری که قابلیت تولید PWM دارد، انجام داد. به‌عنوان مثال، اگر در یک چرخه زمانی (Duty Cycle) یک موج PWM، برابر با ۷۰% باشد، به این معنی است که در هر سیکل کاری ۷۰% ولتاژ برابر VCC و ۳۰% ولتاژ برابر ۰ است.
پس به‌وسیله PWM می‌توان میزان روشن و خاموش بودن IGBTها و در نتیجه دامنه موج خروجی (مقدار ولتاژ یا جریان) را تغییر داد. همچنین مقدار فرکانس خروجی را هم می‌توان بر اساس تعداد تکرار این سیکل مربعی تغییر داد. در نتیجه فرکانس‌های مختلف توسط کنترلر (PWM) تولید میشود. (شکل ۲۸)
بنابراین، با ترکیب یکسوکننده، خازن، اینورتر و کنترلر PWM، ولتاژ و فرکانس متغیر تولید میشود، که برای تغییر سرعت موتورهای الکتریکی و صرفه‌جویی در انرژی بسیار پرکاربرد است.
یک سوال:
تجربه‌ای با کنترلرهای PWM دارید؟
تجربیات خود را در بخش کامنت‌ها با ما در میان بگذارید.
جمع‌بندی
درایو از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
- برد قدرت
- برد فرمان
- برد ارتباط با کاربر
برد قدرت درایو از بخش‌های زیر تشکیل شده است:
- یکسوسازها (Rectifiers)
- خازن‌ها (DC Bus)
- سوئیچینگ‌ها (Inverters)
در برد قدرت درایو، برق ورودی AC از طریق یکسوسازها به برق DC ناهموار تبدیل میشود. برق DC ناهموار به‌وسیله خازن‌های داخل درایو صاف میشود و برق DC بدون ریپل به مدار اینورتر ارسال میشود. اینورتر برق DC را به برق AC با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل می‌کند، این برق همان برق ورودی الکتروموتور است .
درایو این امکان را به ما می‌دهد که فرکانس و ولتاژ موتور را بر اساس نیازهای اپلیکیشن مورد نظر تنظیم کنیم. یعنی موتورهای AC با سرعت و گشتاور مورد نیاز کار می‌کنند. اگر می‌خواهید با درایو به‌طور کامل آشنا شوید، پیشنهاد می‌کنم در دوره آموزش درایومن ماهر شرکت کنید.
سوالات متداول
درایو از سه بخش تشکیل شده است:
- برد قدرت: این برد وظیفه تامین سه فاز قدرت را برعهده دارد.
- برد ارتباط با کاربر: که شامل کی‌پد، نمایشگر و ترمینال‌های فرمان است وظیفه ارتباط با محیط بیرون را برعهده دارد.
- برد فرمان: این برد رابط بین کاربر و برد قدرت است و داری یک کنترلر (CPU) است که بر اساس تنظیم پارامترها در این برد، ولتاژ و فرکانس خروجی درایو تغییر می‌کند.
باید از فیلترهای حذف هارمونیک که به چوک معروف هستند، استفاده کنید. این فیلترها در قسمت ورودی و خروجی درایو نصب میشود.
لینک DC در واقع همان خازن‌ها هستند که رابط بین دو بخش یکسوساز و اینورتر است. وظیفه آن ایجاد یک سیگنال DC صاف و بدون ریپل است.
یکسوساز مداری است که در آن، چندین دیود به گونه‌ای وصل شده‌اند که فقط نیم‌سیکل مثبتِ سیگنال متناوب را عبور می‌دهد و اجازه عبور نیم‌سیکل منفی را نمی‌دهد. در نتیجه، جریان متناوب را به یک جریان مستقیم ناهموار تبدیل می‌کند.