یک دستگاه اکسترودر را در نظر بگیرید. این دستگاه در صنایع پلیمر و پلاستیک برای تولید محصولاتی مانند لوله استفاده می‌شود. اکسترودر یک سیلندر دارد که توسط المنت‌های کمربندی احاطه شده است. درون سیلندر یک میله مارپیچ بزرگ به نام ماردون، مواد مذاب را از محفظه به خروجی می‌راند. سرعت چرخش ماردون در این دستگاه باید دقت بالایی داشته باشد. به دلیل وزن ماردون و فشار زیادی که روی آن است، برای چرخاندن آن نیروی قابل توجهی نیاز است.
حال فرض کنید، می‌خواهید از یک الکتروموتور AC برای چرخاندن ماردون استفاده کنید.
- از آنجایی که به کنترل دقیق دور و گشتاور بالا نیاز است، برای انجام این کار باید از چه روشی برای کنترل الکتروموتور ماردون استفاده کرد؟
- درایوی که برای کنترل این موتور استفاده می‌شود باید چه قابلیتی داشته باشد؟
درایوهایی که دارای قابلیت کنترل مستقیم گشتاور (DTC) هستند، برای چنین کاربردهایی مناسب‌اند. در این مقاله، روش به‌کارگیری مُد DTC در درایوهای AC را بررسی می‌کنیم.
روش‌های راه‌اندازی الکتروموتور با درایوهای AC
درایو فرکانس متغیر یا VFD، تجهیزی است که با تنظیم فرکانس موتورهای القایی، سرعت چرخش آن‌ها را کنترل می‌کند. این تجهیز برای کنترل دور موتور از مدهای کنترلی (Control Mode) مختلفی استفاده می‌کند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم. برای آشنایی بیشتر با درایو و مزایای آن، مقاله «اینورتر یا درایو چیست؟» را بخوانید.
کنترل اسکالر یا عددی (Scalar Control)
در روش کنترل اسکالر که به آن «کنترل V/F» یا «کنترل ولتاژ به فرکانس» نیز می‌گوییم، ولتاژ و فرکانس به گونه‌ای تغییر می‌کند که نسبت آن‌ها ثابت باشد. این کار باعث می‌شود تا میدان مغناطیسی ثابت بماند و در نتیجه گشتاور ثابتی تولید می‌شود. هنگامی که نیاز به کنترل بسیار دقیق گشتاور یا دور موتور نیست، استفاده از این روش مناسب است. برای مثال، در راه‌اندازی فن یا میکسر (همزن) می‌توان از کنترل اسکالر استفاده کرد.
در این روش از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) جهت تنظیم فرکانس استفاده می‌شود و درایو در این حالت نیاز به فیدبک از سرعت موتور ندارد. کنترل اسکالر یک روش کنترلی ساده و ارزان است؛ اما با این روش نمی‌توان سرعت دقیق را کنترل کرد و کنترل مستقیم هم روی گشتاور وجود ندارد.
کنترل برداری (Vector Control)
کنترل برداری یا وکتور کنترل (Vector Control) که به آن «کنترل میدان‌گرا» (Field-Oriented Control) نیز گفته می‌شود، روشی برای کنترل سرعت و گشتاور است. در این روش، برای تنظیم سرعت و گشتاور، مؤلفه‌های مغناطیسی و گشتاورسازِ جریان استاتور، جداگانه کنترل می‌شوند. روش کنترل برداری به دو دسته زیر تقسیم می‌شود.
۱. کنترل برداری با سنسور (حلقه بسته)
در کنترل برداری حلقه بسته، درایو نیازمند دریافت فیدبک از سرعت الکتروموتور توسط انکودر یا تاکومتر است. به دلیل دریافت فیدبک مستقیم از دور موتور، این روش کنترلی قابلیت اطمینان و پایداری بالایی دارد؛ اما استفاده از سنسورِ دور، باعث بروز مشکلاتی مانند دشواری پیاده‌سازی، بزرگ شدن اندازه موتور، افزایش هزینه و احتمال نویزپذیریِ سیگنالِ فیدبک می‌شود.
۲. کنترل برداری بدون سنسور (حلقه باز)
در کنترل برداری حلقه باز به‌جای دریافت مستقیم فیدبک از سنسور، دور موتور با استفاده از پارامترهای ولتاژ، جریان و فرکانس توسط یک مدل محاسباتی تخمین زده می‌شود. با حذف سنسورِ دور، هزینه پیاده‌سازی کمتر است و نیازی به حفاظت سیگنال فیدبک در برابر نویز وجود ندارد. کوچکتر بودن اندازه موتور و کاهش حجم کابل‌کشی نیز نصب موتور را ساده‌تر می‌کند.
هرچند خطای تخمین احتمالی توسط مدل محاسباتی، ممکن است تاثیر اندکی بر دقت کنترل بگذارد، ولی در مجموع دور موتور و گشتاور آن با کیفیت مناسبی کنترل می‌شود. با توجه به توانایی مناسب مد کنترل برداری در تنظیم دور و گشتاور، در کاربردهایی مانند کنترل جرثقیل‌های بزرگ، آسانسور و پمپ‌هایی که نیاز به دقت زیاد دارند، هر دو روش کنترل برداری انتخاب‌های مناسبی هستند.
کنترل مستقیم گشتاور (Direct Torque Control)
در روش کنترل مستقیم گشتاور یا DTC، شار مغناطیسی و گشتاور از یکدیگر جدا شده و به‌صورت مستقل کنترل می‌شوند. در کنترل DTC به مدولاتور و فیدبک از سرعت نیاز نیست و پاسخ کنترلر به گشتاور، بسیار سریع‌تر از کنترل برداری است. در ادامه مد DTC و نحوه پیاده‌سازی آن در درایو را بررسی می‌کنیم.
نحوه عملکرد کنترلِ مستقیم گشتاور (DTC)
در جاهایی که به کنترل دقیق گشتاور و سرعت نیاز است، به جز روش کنترل برداریِ موتورهای AC، می‌توان از موتور DC نیز استفاده کرد که گشتاور بسیار زیاد و کیفیت تنظیمِ دورِ دقیقی دارد؛ اما استفاده از دو راهکار کنترل برداری و موتور DC برای دستیابی به گشتاور و دقت مناسب، مشکلاتی نیز به همراه دارد.
کنترل برداری با سنسور و کنترل موتور DC بر مبنای سیستم حلقه بسته عمل می‌کنند؛ به این معنی که نیازمند فیدبک از دور موتور هستند که باعث افزایش هزینه و پیچیدگی‌های فنی برای کاربران می‌شود. علاوه بر این، موتورهای DC با‌وجود دقت و گشتاور بالا، پرهزینه، حجیم و نیازمند نگهداری و سرویس مداوم هستند.
کنترل برداری بدون سنسور (حلقه باز) نیز با‌وجود کیفیت قابل قبول در کنترل دور و گشتاور و عدم نیاز به فیدبک، در کاربردهایی که به دقت بالا نیاز دارند، از سرعت پاسخ به گشتاورِ مناسب و دقت ایده‌ال برخوردار نیست.
روش کنترل مستقیم گشتاور (DTC) نیازی به فیدبک دور موتور ندارد و در ساختار کنترلی آن نیازی به مدولاسیون نیست؛ بنابراین ضمن دستیابی به کنترل دقیقِ سرعت (دور) و گشتاورِ نزدیک به موتورهای DC، بسیار ارزان‌تر از روش‌های دیگر قابل پیاده‌سازی است.
تئوری عملکرد DTC
نحوه کار DTC به این شکل است که با استفاده از یک مدل محاسباتی پیچیده و دقیق و با پردازش لحظه‌ای مقدار جریان موتور، ولتاژِ باسِ DC و وضعیت سوئیچ‌های قدرت (IGBT)، مقادیر سرعت، فرکانس و گشتاور را در هر سیکل کنترل محاسبه کرده و گشتاور مطلوب را بر مبنای این مدلِ مرجع، تولید می‌کند.
تفاوت روش DTC با کنترل برداری در این است که در روش برداری (وکتور کنترل)، خودِ شار و گشتاور از طریق اندازه‌گیری با سنسور (در حالت حلقه بسته) و یا تخمین (در حالت حلقه باز) به‌صورت فیدبک به کنترلر اِعمال می‌شوند؛ اما در روش DTC ورودی‌های کنترلی عبارتند از:
- خطای گشتاور
- خطای دامنه شار استاتور
- خطای زاویه شار استاتور
بر مبنای این ورودی‌ها، مقدار شار و گشتاور به‌صورت مستقیم کنترل می‌شوند؛ در حالی که در روش برداری این دو متغیر به صورت غیرمستقیم و با استفاده از کنترل جریان کنترل می‌شوند. پاسخ این روش در مقایسه با روش کنترل برداری سریع‌تر است. شکل ۱ نمودار بلوکی کنترلر DTC را نشان می‌دهد.
همانطور که در شکل ۱ می‌بینیم، سیگنال‌های خروجی مدل تطبیقی موتور که مقادیر شارِ واقعی استاتور و گشتاورِ واقعی موتور هستند، وارد مقایسه‌گرهای شار و گشتاور شده و به‌صورت مستقل با مقادیر مرجع مقایسه می‌شوند. این مقایسه‌گرها درون بلوک «کنترل گشتاور و شار» قرار دارند.
هر مقایسه‌گر می‌کوشد تا دامنه سیگنال شار و گشتاور را در یک باند هیسترزیس باریک حول مقدار مرجع نگه دارد. هیسترزیس مانند یک فیلتر است که نوسان دامنه سیگنال را در محدوده (باند) مشخصی نگه می‌دارد و اجازه تغییرات شدید دامنه را نمی‌دهد. پاسخ سریع و بدون بالازدگی (Overshoot) به گشتاور توسط DTC باعث مینیمم شدن نوسانات بردارهای شار و گشتاور می‌شود. سرعت پاسخ به دلیل سرعت بالای به‌روز رسانی مدل محاسباتی موتور است که توسط الگوریتم پردازش سیگنال انجام می‌شود.
مقادیر خطای شار و گشتاور (که از اختلاف مقادیر تخمینی و مرجع به دست آمده‌اند) و همچنین موقعیت زاویه‌ای بردار شار استاتور برای محاسبه شار و گشتاور در کنترلر هیسترزیس به کار گرفته می‌شوند. سپس این مقادیر، وارد سلکتور پالس بهینه شده و بردار ولتاژ بهینه تعیین می‌شود. به این صورت، مناسب‌ترین پالس‌ها در هر سیکل کنترلی برای سوئیچ‌های قدرت (IGBTها) در اینورتر به‌منظور دستیابی به گشتاور دقیق ارسال می‌شوند.
حلقه کنترلِ دور از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
- کنترلر سرعت
- کنترلر شار مرجع
- کنترلر گشتاور مرجع
کنترلر دور موتور متشکل از یک PID و یک جبران‌ساز شتاب است. ورودی کنترلر دور، خطای به‌دست‌آمده از اختلاف مقادیر دور (سرعت) مرجع و دور واقعی موتور است که توسط مدل تطبیقی موتور محاسبه می‌شود. این سیگنالِ خطا وارد کنترلر PID و جبران‌ساز شتاب شده و ترکیب خروجی آن‌ها، خروجی کنترلر دور را تعیین می‌کند.
خروجی به کنترلر گشتاور مرجع ارسال شده و در آنجا دور موتور با در نظر گرفتن محدوده گشتاور و ولتاژ باس DC تثبیت می‌شود. خروجی کنترلر گشتاور مرجع که اصطلاحاً به آن «مرجع گشتاور داخلی» می‌گویند، وارد مقایسه‌گر گشتاور در حلقه کنترلی شار و گشتاور می‌شود. به طور مشابه، خروجی کنترلر شار مرجع، که اصطلاحاً به آن «مرجع شار داخلی» گفته می‌شود، وارد مقایسه‌گر شار در لوپ کنترلی شار و گشتاور می‌شود. این سیگنال، مقدار قدر مطلق شار استاتور است که DTC به وسیله تثبیت و بهبود آن عملکرد اینورتر را کنترل می‌کند.
ورودی‌های اِعمال‌شده به کنترلر شار مرجع، «بهینه‌ساز انرژی» و «ترمز شار» (Flux Braking) هستند. بهینه‌سازِ انرژی، الگوریتمی است که با تنظیم بهینه پارامترهای موتور تلفات آن را کاهش می‌دهد و صدای موتور را از بین می‌برد. ترمز شار نیز با افزایش موقت جریان موتور از سیم‌پیچ موتور به‌عنوان مقاومت ترمز استفاده می‌کند و با افزایش موقت تلفات موتور در هنگام ترمز، امکان توقف سریع‌تر موتور را فراهم می‌کند. این دو ورودی به وسیله پردازشگر درایو محاسبه و تولید می‌شوند.
مقایسه مدهای کنترل در درایوهای الکتریکی
جدول ۱- مزایا و معایب مدهای کنترل در درایوهای الکتریکی
در جدول زیر، مدهای کنترلی، کنترل اسکالر (V/F)، کنترل برداری (Vector Control) و کنترل مستقیم گشتاور (DTC) با یکدیگر مقایسه شده‌اند.
راه‌اندازی الکتروموتور با مد DTC
پس از سیم‌بندی موتور و پیش از آن که به بار وصل شود، اپراتور باید اطلاعات پلاک موتور را وارد حافظه درایو کند. برای برخی پروژه‌ها این کار کافی است؛ اما برای بعضی کاربردهای دیگر که عملکرد دقیق‌تری مورد نیاز است، مثلاً جایی که یک جرثقیل باید یک بار سنگین را با دقت بالا و سرعت کم جابجا کند، درایو AC باید یک «راه‌اندازی شناسایی» اتوماتیک (Autotune) انجام دهد.
اتوتیون حدود یک دقیقه طول می‌کشد. طی این فرایند، درایو AC با یک ترتیب ولتاژ مشخص، موتور را از حالت ثابت تا دور نامی راه‌اندازی می‌کند تا پارامترهای خاصی که باید در مدل محاسباتی موتور ذخیره شوند را مشخص کند. نکته مهم در راه‌اندازیِ شناسایی این است که هیچ باری (حتی زنجیر، تسمه یا گیربکس) نباید به شفت موتور متصل باشد. اطلاعات محاسبه شده در فرایند شناسایی در یک حافظه ذخیره می‌شوند تا در صورت قطع شدن برقِ کنترلر، این اطلاعات باقی بماند.
کاربردهای مد DTC
در بسیاری از کاربردهای صنعتی می‌توان از مد DTC درایوهای AC استفاده کرد. پیش از در دسترس بودن این تکنولوژی، از درایو و موتور DC برای چنین کاربردهایی استفاده می‌شد. اما به دلیل قیمت بالا، اندازه بزرگ و مشکلات تعمیر و نگهداری، درایوهای AC با قابلیت کنترل گشتاور جایگزین آن‌ها شدند. برای مثال در موارد زیر می‌توان از این قابلیت درایوها استفاده کرد:
- راه‌اندازی اکسترودر
- جرثقیل‌ها و بالابرهای بزرگ
- آسانسورها
- سانتریفیوژها
- صنایع کاغذسازی
- صنایع نساجی
- نورد فلزات
به‌عنوان مثال، در صنایع پلاستیک برای ساختن ورقه‌های پلاستیکی از دستگاهی متشکل از چند غلتک به نام کولینگ رول (Cooling Roll) استفاده می‌شود. در این دستگاه، پلاستیک گرم از میان غلتک‌ها کشیده شده، فرم پیدا می‌کند و به فویل‌های پلاستیکی با ضخامت مختلف تبدیل می‌شود. در این فرایند، تنظیم دقیقِ سرعتِ چرخشِ غلتک‌ها همراه با گشتاور بالا بسیار حیاتی است.
در کنترل این ماشین‌ها می‌توان از درایوهایی که قابلیت کنترل DTC دارند، استفاده کرد. شکل ۲ تصویر یک دستگاه تولید ورقه‌های پلاستیکی را نشان می‌دهد که می‌تواند برای تولید کفپوش سالن‌های ورزشی یا هر نوع فویل پلاستیکی از آن‌ها استفاده کرد.
معرفی برند درایوهای دارای قابلیت DTC
از جمله درایوهای پرکاربردی که از مد DTC برای راه‌اندازی موتور پشتیبانی می‌کنند، می‌توان به مدل ACS800 و ACS880 کمپانی ABB اشاره کرد. شکل ۳ تصویر درایو ACS800 را نشان می‌دهد.
درایوهای سری ACS800 و سری ACS880 شرکت ABB در توان‌های بسیار متنوعی تولید و ارائه می‌شوند. قیمت درایوها بسته به توان آن‌ها از ۹۵۰ دلار تا بیش از ۳۰ هزار دلار است.
سوال مهم:
آیا شما از مد DTC درایوهای ACS800 یا ACS880 در پروژه‌های خود استفاده کردید؟
اگر تجربه‌ای در این زمینه دارید با ماهر به اشتراک بگذارید.
جمع‌بندی
کنترل DTC در درایوهای AC یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های کنترل دور و گشتاور موتورهای القایی AC است که نخستین بار توسط کمپانی ABB در درایوهای ACS600 ارائه شد و امروزه در نسل‌های ACS800 و ACS880 محصولات این شرکت تعبیه شده است. در این روش به جای دریافت فیدبک از دور موتور از یک روش محاسباتیِ تطبیقی برای تخمین پارامترهای موتور استفاده می‌شود که به‌کارگیری آن را مقرون به صرفه و کاراتر می‌کند. باتوجه به نیاز روزافزون به بهبود دقت ماشین‌های صنعتی، به‌کارگیری تکنولوژی DTC می‌تواند روش سودمندی برای بهبود بهره‌وری و کیفیت تولید در خطوط تولید باشد.
پرسش‌های متداول
این قابلیت در حال حاضر منحصر به برخی مدل‌های شرکت ABB بوده و تکنولوژی DTC کماکان در حال تکامل و بهبود است. دیگر شرکت‌های تولید کننده درایو بیشتر کنترل برداری حلقه باز را به جای DTC ارائه می‌کنند. برای مثال، درایوهای سری S120 شرکت Siemens و سری VFD-VE شرکت Delta این قابلیت را پشتیبانی می‌کنند.
زیرا در این روش، گشتاور و دور موتور، مانند موتورهای DC، به‌صورت مستقیم از روی وضعیت میدان الکترومغناطیس کنترل می‌شود. در روش‌های دیگر متغیرهای بیرونی موتور مانند ولتاژ و فرکانس، سیگنال کنترلی موتور را تعیین می‌کنند، در حالی که در کنترل DTC وضعیت متغیرهای درونی موتور مانند شار و گشتاور برای کنترل به کار گرفته می‌شوند.
از مشکلات گزارش شده توسط کاربران می‌توان به ریپل گشتاور اشاره کرد. ریپل گشتاور باعث نوسان اندک در سرعت موتور و لرزش و صدای موتور می‌شود. این مشکل در نسل‌های جدید این درایوها تا حد زیادی اصلاح شده است.
این درایوها از توان ۰.۵۵KW تا ۵۶۰۰KW تولید می‌شوند.
منابع
library.e.abb.com
www.acdrive.org
cache.industry.siemens.com
servotech.dk
pcmp.springeropen.com
www.idosi.org
library.e.abb.com
www.researchgate.net
link.springer.com
