انتخاب روش کنترل در درایو : V/Hz یا SVC

در
دسته بندی ها: بررسی

 انتخاب روش کنترل در درایو : V/Hz یا SVC

درایوهای فرکانس متغیر (VFD : Variable Frequency Drive)  مدرن شباهت های اساسی با همتایان خود از سال­‌های گذشته دارند. آنها هنوز هم باید با تنظیماتی که برای ولتاژ، جریان و سایر پارامترها اعمال می شود برای کاربری موردنظر پیکربندی شوند تا عملکرد مناسب برای موتور و بار حاصل شود. آنچه تغییر کرده است، افزایش تنوع حالت های کاری و گزینه­های در دسترس است. در واقع، تعداد پارامترها و انتخاب­ها به قدری زیاد است که ممکن است روش پیکربندی برای کاربری­های مختلف روشن نباشد.

دو روش کنترل اصلی در درایوها (1)ولت بر هرتز (V/Hz) و (2) کنترل برداری بدون سنسور (SVC: Sensor-less Vector Control) هستند. به طور کلی­، SVC روش کنترل تواناتر است. با این حال­، موارد و کاربردهایی وجود دارد که در آنها V/Hz انتخاب درستی است. این مقاله جزئیات مربوط به هر دو روش و موارد کلی که هر یک به کار می رود را شرح می­دهد.

مرور اصول اولیه

به طور کلی، VFD ها با استفاده از دو عملیات اصلی با ادوات الکترونیک قدرت موتورهای سه فاز AC را کنترل می­کنند (شکل 1). در اولین قدم بخش یکسوساز VFD ولتاژ خط AC را به ولتاژ باس DC تبدیل می­کند. در مرحله دوم بخش اینورتر VFD از ولتاژ باس DC برای تولید ولتاژ و فرکانس خروجی AC متغیر برای هدایت موتور یا موتورهای هدف استفاده می­‌کند.

vdf
شکل 1

با استفاده از این ابزارهای تغییر توان الکتریکی، VFD می تواند سرعت موتور را تغییر دهد. ملاحظات بسیاری در رابطه با سرویس پذیری این روش کنترل سرعت برای یک کاربرد خاص وجود دارد ، از جمله:

  • حداقل سرعت قابل کنترل
  • دقت کنترل سرعت
  • امکان تغییر گشتاور در محدوده سرعت
  • پاسخ به بارهای متغیر

همچنین مهم است که موتورهای مورد استفاده، با عنوان ”VFD rated” مشخص شده و به طور خاص برای استفاده با VFD طراحی شده باشند. اگرچه می­‌توان از موتورهای ارزان قیمت معمولی نیز استفاده کرد، اما معمولاً به چند دلیل توصیه نمی­‌شود:

 موتور معمولی دارای فن خنک کننده برای خنک کردن در سرعت نامی طراحی شده است و در سرعت­های پایین به مقدار کافی خنک نمی­‌شود. راه­اندازی چنین موتوری با سرعت کم جریان هوای کافی را برای خنک سازی لازم فراهم نمی­‌کند و منجر به گرم شدن بیش از حد و در نتیجه کاهش طول عمر یا خرابی موتور می­‌شود. موتورهای مناسب VFD دارای عایق­های قویتر و ویژگی­های حرارتی بالاتر هستند که باعث می­شود در برابر گرمای بیشترحفاظت شوند. یک موتور استاندارد ممکن است دارای کلاس عایقی F باشد، در حالی که یک موتور مناسب VFD معمولا دارای کلاس عایقی H و بالاتر است که درجه حرارت مجاز کارکرد موتور را 25 درجه افزایش می­دهد.
از نظر الکتریکی، روتور در یک موتور مناسب VFD به طور خاصی طراحی شده است تا بهره وری را برای هر روش کنترل به حداکثر برساند و همچنین توانایی VFD را برای نظارت بر جریان القا شده بهبود بخشد. همانطور که خواهیم دید، این نکته اخیر برای کنترل به روش SVC حائز اهمیت است.

درایو سری Basic هیمل
درایوهای سری Basic هیمل

شکل 2: VFD های مدرن، مانند این مدل از Himel، دارای بسیاری از تنظیمات و حالت­‌های عملکردی هستند که هر یک از آنها باید برای بهترین کارکرد فرآیند یا تجهیزات به درستی انتخاب شوند. روش کنترل SVC و یا V/Hz در درایو Himel قابل انتخاب است.

روش کنترل کلاسیک: V/Hz

برای موتورهای معمولی، عملکرد سرعت نامی موتور در ولتاژ و فرکانس نامی حاصل می­‌شود. برای موتورهای صنعتی، این مقدار 380 ولت در 50 هرتز است. بسته به تعداد قطب موتور، سرعت سنکرون موتور در دقیقه (RPM) در ولتاژ و فرکانس نامی می­تواند 1500 یا مقدار دیگری باشد.

روش کنترل V/Hz ولتاژ و فرکانس را با نسبت خطی تغییر می­دهد. بنابراین دور نامی موتور را در 380 ولت و 50 هرتز تولید می­کند. کارکردن موتور با 50٪ سرعت نامی 190 ولت و 25 هرتز را می­طلبد. یکی از محدودیت­های این روش، حلقه باز بودن حالت کنترل است. زیرا در حالی که VFD در حال تولید مقادیر مورد نظر ولتاژ و فرکانس است، در مورد عملکرد واقعی موتور یا چرخش آن هیچ بازخوردی ندارد، بنابراین اطمینانی در مورد تولید سرعت مطلوب وجود ندارد. محدودیت دوم دقت پایین این روش در سرعت­های پایین است، به این صورت که تنها میتواند تا حدود 2٪ یا 3٪ سرعت نامی موتور را کنترل کند، که ممکن است برای برخی از کاربری ها کافی نباشد.

از طرفی، بسیاری از VFD های V/Hz به کاربر اجازه می­دهند تا از منحنی­های ولتاژ-فرکانس خروجی غیر خطی یا تعریف شده توسط کاربر استفاده کند. به عنوان مثال، کاربر می تواند نسبت ولتاژ-فرکانس خروجی را برای تجهیزات با اینرسی بالا مانند فن­های سانتریفوژ و پمپ­ها که در آن گشتاور راه اندازی بیشتری مورد نیاز است، برای عملکرد بهتر و دوام بیشتر تنظیم کند. یکی دیگر از مهمترین ویژگی­های مفید حالت V/Hz این است که VFD می­تواند همزمان چندین موتور را کنترل کند، که می­تواند برای تجهیزاتی مانند نوار نقاله که تعدادی موتور باید با سرعت یکسان عمل کنند مفید باشد.

منحنی V/Hz قابل تغییر توسط کاربر در درایو Himel
(شکل 3) منحنی V/Hz قابل تغییر توسط کاربر در درایو Himel

در حالی که استفاده از روش V/Hz دقیق­ترین کنترل سرعت را فراهم نمی­‌کند، بسیاری از کاربردهای پمپ، فن و نوار نقاله به دقت بالایی احتیاج ندارند و تغییر بار قابل توجهی را تجربه نمی­‌کنند.

اگر مقدار بار متغیر باشد، سرعت موتور به مقداری پایینتر از فرکانس فرمان کاهش می یابد، و مقدار “لغزش” افزایش می­یابد. VFD با روش کنترل V/Hz قادر به تشخیص کاهش سرعت موتور نیست.

بسیاری از VFD ها دارای حالت اندازه­‌گیری خودکار پارامترهای موتور هستند، که در آن می­توان خصوصیات موتور را به طور خودکار توسط VFD ارزیابی کرد (این امکان به نام Auto-Tune در درایوهای Himel وجود دارد). برای روش کنترل V/Hz، اندازه گیری خودکار مورد نیاز نیست، اما برای بهترین نتیجه توصیه می­شود. در بسیاری از موارد، VFD جدید به سادگی می تواند با دانستن مقدار کیلووات، جریان و ولتاژ موتور هدف پیکربندی و بلافاصله وارد سرویس شود.

کنترل حلقه بسته با روش کنترل برداری بدون حسگر

VFD هایی که به روش SVC کار می کنند واقعاً بدون سنسور نیستند، آنها صرفا فاقد سنسور خارجی جهت دریافت بازخورد موتور هستند. در صورت استفاده از سنسور سرعت خارجی، متداول ترین نوع آن انکودر است که با سیم کشی اضافی از موتور به VFD نصب می شود. برای کنترل دقیق برخی از تجهیزات ممکن است به سنسورهای خارجی نیاز باشد. با این حال، VFDهایی که به روش SVC عمل می­کنند ولتاژ و جریان موتور را از طریق کابل­های متصل شده به موتور پایش می­کنند و سپس با دقت خوبی سرعت موتور را تشخیص می­دهند. این روش راه حل ساده و کم هزینه­‌تر نسبت به نصب و اتصال انکودر است. با اینکه روش SVC به اندازه سنسور انکودر دقیق نیست، اما در اکثر کاربردها بازخورد کافی برای ایجاد کردن عملکرد شبه حلقه بسته فراهم می­کند.

از آنجا که VFD اکنون اطلاعاتی در مورد سرعت فرمان و سرعت واقعی موتور دارد، می تواند با تغییر ولتاژ و جریان خروجی گشتاور لازم را برای رسیدن موتور به سرعت مطلوب ایجاد کند. این شکل از عملکرد حلقه بسته به طور مداوم در حال محاسبه سرعت واقعی موتور و تغییر ولتاژ و جریان خروجی است و به سیستم کنترل اجازه می دهد تا به سرعت با شرایط متغیر بار سازگار شود. در مقایسه با حالت V/Hz ، حالت SVC گشتاور شروع بالاتر، کنترل سرعت دقیق­تر تحت بارهای مختلف، توانایی کار در سرعت کم تا 1٪ سرعت نامی و امکان تولید  موقت تا 200٪ گشتاور نامی را فراهم می­‌کند. به عنوان مثال درایو Himel توانایی تولید 150% گشتاور نامی در فرکانس 0.5Hz را دارد.

 برای کنترل موتور در حالت SVC، درایو باید مطابق پارامترهای موتور مورد نظر تنظیم شود. این فرایند سریع و ساده معمولاً در زمان راه­اندازی تجهیزات برای اولین بار انجام می­شود. یک محدودیت SVC در مقایسه با V/Hz این است که به دلیل نحوه پایش سیم پیچ موتور فقط یک موتور می­تواند به درایو با روش SVC متصل شود.
از روش SVC می­توان برای کنترل هر نوع کاربردی استفاده کرد و به طور کلی به روش V/Hz برتری دارد. کاربرد SVC بیشتر برای بارهای  حساس به سرعت مانند خطوط چاپ، تولید منسوجات، ماشین آلات CNC، بالابرها و … است.

بهترین روش کنترل به نوع کاربری بستگی دارد

VFD های مدرن دارای حالت‌­های کاری متفاوت و صدها پارامتر جهت پیکربندی هستند. درایوهای پیشرفته­‌تر حتی شامل کنترل کننده­‌های منطقی و حلقه­‌های PID هستند. با این حال، به تناسب هر کاربرد، کاربر باید روش کنترل مناسب را تعیین کند.
روش SVC جدیدترین تکنولوژی کنترل موتور القایی بوده و بهترین عملکرد را برای اکثر کاربردهایی که هر موتور به وسیله یک درایو کنترل می­‌شود فراهم می­‌سازد. با این حال برای کنترل موتور در مواردی که به بالاترین دقت نیاز نیست، V/Hz انتخابی سریع و آسان است.