درایو های VVVF چگونه کار می‌کنند؟

کنترل سرعت موتورهاي آسنکرون (القايي) 

سرعت سنکرون يک موتور القايي توسط تعداد قطبها در موتور و فرکانس جريان ورودي کنترل مي شود.
گشتاور خروجي با حاصلضرب لغزش روتور (سرعت rpm الکتريکي- سرعتrpm واقعي) در جريان تحريک استاتور، رابطه مستقيم دارد. نيروي موتور با اصلاح نسبت "ولت بر هرتز" سيم پيچ موتور، تغيير    مي کند. عملکرد هم در شرايط کار موتوري و هم بازيابي(regenerative) يکسان است. سرعت سنکرون تابعي از فرکانس اعمالي بوده و در واقع ممکن است صفر شود.  گشتاور در حالت بار نامي و اضافه بار در هر سرعتي با اعمال مقدار صحيح فرکانس، جريان و لغزش ايجاد مي شود. انحناي نمودار مشخصه ي گشتاور- لغزش در شکل 1 با تغييرطراحي موتور تغير خواهد کرد.

شکل1-مشخصه موتور القايي آسنکرون

جهت کنترل يک موتور القايي يا بايد قادر به پيش بيني، محاسبه يا اندازه گيري دقيق لغزش روتور توسط اينکدر نصب شده روي محور بود و يا اجازه داد که موتور خود اين کار را انجام دهد. اينورتور الکترونيکي به منظور تغيير فرکانس استفاده مي شود. روشهاي کنترل برداري (vector-control) بسياري مانند  "ولت بر هرتز" (V/F)، مدار بستهclose loop) ) ،مدار باز (open loop) يا بدون اينکودر، جهت کنترل جريان و گشتاور موتور وجود دارند. کنترل برداري(vector control) به مفهوم محاسبه الگوريتم ها در اينورتر براساس موقعيتهاي نسبي ولتاژ روتور و استاتور و جريان و نيروي محرکه مغناطيسي به منظور کنترل دقيق تر موتور مي باشد. کنترل مکرر موتور، نيازمند آگاهي از  ويژگي هاي کليدي موتور است که بايد پايدار بمانند. موتورهاي "vector rated" جديد در طيف گسترده اي از درجه حرارتهاي مختلف و لغزش موتور داراي عملکرد خطي خوبي هستند اما موتورهاي با طراحي قديمي تر  چندان با کنترل برداري دقيق سازگار نيستند.

تئوري مقدماتي کنترل اينورتري ماشينهاي AC

نمونه ي کم هزينه اي از اينورتر که، از يک يکسو ساز ساده اوليه و يک باسDC  مياني با ولتاژ ثابت، براي کمک به ايزوله نمودن جريان شبکه از موتور استفاده مي کند در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2- کنترل اينورتر پايه

هر فاز موتور متناوباً به ترمينالهاي مثبت و منفي باسDC  به روش مدولاسيون عرض پالس(PWM) متصل مي شود به طوريکه متوسط ولتاژهاي سه فاز در ترمينال هاي موتور در هر دامنه و فرکانسي سينوسي است.
از آنجايي که انرژي الکتريکي از يک يکسو کننده ساده نميتواند دوباره به شبکه اصلي برق برگردد، يک سوئيچ قطع-وصل جدا  (شکل 3)، که عموماً "Breaking chopper" ناميده مي شود، نياز است تا به هنگام ترمز کردن موتور انرژي بازيابي بصورت گرما در  يک مقاومت ترمز ديناميکي خارجي تلف شود.

شکل3- نمونه اي از بخش قدرت اينورتر

کنترلرهاي اينورتر اوليه داراي ويژگيهاي اساسي زير هستند:

• درايو ها بايد با انواع منابع برق شبکه تک فاز يا سه فاز، 50/60 hz سازگار باشند. 
• کنترل هاي سرعت و گشتاور موتور توسط تغيير ولتاژ و فرکانس تغذيه صورت مي گيرد.
• باسDC ذخيره کننده انرژي، شبکه برق ورودي را از مدار کنترل موتور در خروجي ايزوله مي کند.
• توان نامي KVA مدار کنترل موتور مي تواند نسبت به توان شبکه متفاوت باشد.

• انتقال توان واقعي، يعني“kW in = kW out”
• مجموعه موتور و اينورتر مي توانند توان مکانيکي بازيابي را به باسDC  برگرداند.
• جريان انرژي الکتريکي در يکسو ساز ساده ورودي به صورت يک طرفه مي باشد.

مزايا و معايب کنترل اينورتر

مزايا 

• تعمير و نگهداري آسان
• کنترل سرعت متغير موتور
• ترکيب ولتاژ و جريان سينوسي در موتور منجر به کنترل نرم تر موتور مي شود.
• توانايي بازيابي(regenerate) انرژي در مجموعه موتور و اينورتر.
• باس DC وابسته به نوع منبع تغذيه 
• ايزوله بودن توان باس DC از نوسانات شبکه برق ورودي

معايب
• عملکرد داخلي پيچيده تر
• هزينه کلي اجزاء قدرت
• نياز به ترمز ديناميک مجزا
• افزايش تداخل فرکانس راديويي(RFI)  با سوئيچينگ مدولاسيون پهناي پالس (PWM) 
• توجه بيشتر به عايق سازي موتور بدليل مقادير بالاي ضربه ولتاژ ( dv/dt )

معادلات بنيادي براي يک موتور القايي AC آسنکرون 

torque ~ rpmSlip * excitation
voltagemotor ~ rpmspeed  * excitation + current * stator - impedance
rpmSlip = rpmStator-electrical – rpmrotor
rpmstator-electrical = 60 * frequencyinverter/number of pairs of poles
excitation ~ currentstator - torque * power-factor

به سادگي مشاهده مي شود که عملکرد يک موتور القايي وابستگي زيادي به شرايط اعمالي دارد. با تصحيح مقدار ولتاژ و فرکانس اعمالي، موتور به طور خودکار ويژگي هاي داخلي خود (گشتاور،جريان و سرعت) را با آن تطبيق مي دهد تا به نقطه پايداري بر طبق معادلات اساسي بالا برسد. 
با اين وجود ساده ترين اينورتر هاي 3VF  تنها ولتاژ و فرکانس اعمال شده به ترمينال هاي موتور را تغيير مي دهد. جهت کنترل دقيق گشتاور و پيرو آن  سرعت موتور، ابتدا بايد پيش بيني کرد که چه تغييراتي در ولتاژ و فرکانس نياز است تا گشتاور مورد نظر براي کنترل سرعت توليد شود. اين امر هنگام توقف آسانسور بسيار مهم است زيرا خطاي ناچيز در تخمين لغزش موتور، خطاي فاحشي را در سرعت توليد  مي کند که باعث بروز خطاي توقف(leveling) مي شود.

تکنولوژي درايو برداری

بخش قدرت يک درايو برداري با يک اينورتر 3VF کاملاً يکسان است. مهم ترين تفاوت درايو برداري در اين است که از الگوريتم پيچيده تري براي کنترل توان موتور استفاده مي کند. همچنين براي نمونه گيري از جريان واقعي موتور که تصوير دقيقي از ويژگيهاي کاري موتور مي دهد، به مبدلهاي جريان نياز است. اين اطلاعات وقتي با مقدار لغزش اندازه گيري شده توسط اينکودر ترکيب شود، امکان دستيابي به گشتاور کامل موتور در تمام سرعتها حتي صفرrpm  را عملي مي سازد.
هنگام استفاده از يک درايو برداري (به همراه اينکدر)، کابين آسانسور مي تواند سريع به طبقه نزديک شده، با سرعت بسيار کم level شده و سپس کابين را ثابت نگه داشته تا ترمز فعال شود. علاوه بر اين، درايوهاي برداري را هم براي ماشينهاي بدون گيربکس و هم گيربکس دار مي توان استفاده کرد و اغلب به صورت کنترل مدار باز  (open loop)  (بدون اينکودر) در دسترس هستند. اگر چه عملکرد اين درايو به طور معمول بهتر از کنترل VVVF ساده است، ولي همانند کنترل مدار بسته  (close-loop)نمي تواند در سرعت صفر يا نزديک به آن  گشتاور را بطور دقيق کنترل کند. اکثر درايوهاي آسانسور AC از يک بانک مقاومت ترمز ديناميکي براي اتلاف مازاد انرژي بازيابي (regeneration) استفاده مي کنند. کنترل اضافي فرايند بازيابي انرژي، به منظور رعايت حد اعوجاج هارمونيکي کل(که باعث گرم شدن اضافي موتور مي شود)، امکان پذير است.

مقايسه بين V / F و کنترل برداري مداربسته
کنترل V / F
• کنترل غير مستقيم گشتاور. 
• کنترل فرکانس را تنظيم مي کند، نه سرعت.
• نمونه گيري فقط بر اساس مقادير الکتريکي معين جريان و ولتاژ.
• قابليت کار با اکثر موتورها.
• بطور معمول استفاده از تزريق جريان DC به اضافه ترمز مکانيکي جهت يک توقف مطمئن.

کنترل برداري
• کنترل گشتاور عالي.
• تنظيم سرعت در تمام مقادير سرعت.
• نمونه گيري از اينکودر نصب شده بر محور موتور و اندازه گيري جريانهاي فاز.
• نياز شناسايي و ثبات ويژگي هاي موتور جهت داشتن نتيجه مطلوب.
• کنترل موقعيت مستقيم و قابل اعتماد در اغلب اوقات.

کترل موتور سنکرون با آهن رباي دائمي ( PM ) 

سرعت روتور موتور سنکرونPM   به طور مستقيم با فرکانس اعمالي، کنترل مي شود. گشتاور با حرکت روتور و انحراف از موقعيت زاويه ي نيروهاي الکترومغناطيسي استاتور ايجاد مي شود. نيروي موتور با تنظيم جريان استاتور بدست آمده و با ولتاژ اعمال شده به سيم پيچ تغيير مي کند.  شکل 4 عمکرد متقارن را در شرايط کار موتوري  يا بازيابي انرژي نشان مي دهد. زماني که جريان کافي موجود باشد، گشتاور کامل و اضافه بار در سرعت صفر ( فرکانس ) ايجاد مي شود.

کنترل موتورهاي PM 
براي کنترل موتور سنکرون جريان کافي لازم است تا گشتاور مورد نظر توليد شود، اما جريان نبايد به قدري باشد که باعث حرارت اضافي در سيم پيچ موتور شود. به منظور تغيير فرکانس، تنظيم ولتاژ موتور و در نتيجه جريان نياز به اينورتر مي باشد. موقعيت زاويه ي روتور با استفاده از يک سنسور رزولور اندازه گيري مي شود. موتورهاي مدرن PM با آهن ربا هاي قوي ساخته شده و به آسانسورهاي گيرلس با سرعت پايين محدود مي شوند. البته اين موتورها بدليل ابعاد کوچک و مسطح در آسانسورهاي روم لس(MRL)(بدون موتور خانه) استفاده  مي گردند. 
برخي از موتورهاي پله اي سروو(servo stepper)، نسخه هاي اوليه ماشينهاي PMAC هستند که با قطب مغناطيسي مجزا در روتور و استاتور ساخته شده اند و در سرعت هاي پايين از گشتاور پله اي رنج         مي برند. موتورهاي DC بدون جاروبک، هم از نظر ساختمان و هم اثرات قطب ناپيوسته شبيه موتورهاي پله اي سروو هستند. موتورهاي آسانسور PM مدرن ،تقريبا هيچ ناپيوستگي مغناطيسي براي ايجاد گشتاور پله اي ندارند که باعث مي شود براي حرکت نرم با سرعت نزديک به صفر مناسب باشند. با اين وجود کنترل آنها نسبتا پيچيده است. زاويه چرخشي بين قطبهاي آهنرباهاي دائمي روتور و آنچه که بوسيله جريان سيم پيچ هاي استاتور ايجاد  شده بايد به منظور توليد گشتاور و سرعت مورد نظر تعيين و کنترل شود بدون اينکه باعث نوسان محور موتور گردد. براي رسيدن به گشتاور يکنواخت در هر سرعتي، يک سنسور رزولور براي اندازه گيري موقعيت زاويه ي روتور و محاسبات شبه برداري پيچيده لازم است. مکانيسم هاي کنترل کمي متفاوت است اما مدار قدرت اينورتر و موتور اساسا مشابه آنچه در انواع موتورهاي القايي آسنکرون استاندارد استفاده مي شود، مي باشد. 

توان مصرفي
درايوهاي آسانسور AC مدرن اغلب از نظر الکتريکي کارآمد ترين بخش در تجهيزات کنترل آسانسور هستند، بطوريکه کارآيي آن با احتساب فيلتر EMC بيش از 94 درصد مي گردد. موتورهاي AC  ، به طور معمول زماني که با بار نامي کار ميکنند بازدهي بين 96%-90% دارند ، گر چه در سيستم دو سرعته معمولي يا سيستم هاي با درايو AC-VV ، مصرف کننده هنگامي که آسانسور در چرخه حرکتي خود با بار سبک کار مي کند تاوان مي دهد، يعني زماني که کابين با ظرفيت کامل به سمت پايين و يا به صورت خالي به سمت بالا حرکت مي کند. در اين حالت بار موتور سبک بوده و ضريب قدرت (Power Factor) حاصل ناچيز مي باشد.
به جرات مي توان گفت با نصب در درايو AC-VVVF به جاي AC-VV ، در حدود 30% در توان مصرفي صرفه جويي مي شود. از طرف ديگر، مصرف کيلو وات ساعت (KWHr)  در درايوهاي AC-VVVF به طور معمول نصف سيستم هاي دو سرعته است. بازدهي بيشتر و اتلاف گرمايي کمتر از ديگر مزاياي آشکار درايو VVVF است، به خصوص در شرايط بازيابي انرژي(regeneration)  که از سيستم هاي ترمزي تزريق جريان DC براي کاهش سرعت استفاده مي شوند. اين امر به اين دليل است که سيستم هاي درايو مدرن بر مشکلات قبلي مرتبط با ترمز تزريق جريان DC غلبه کرده اند، اين موضوع با ارائه شکل موج خروجي نزديک به سينوسي و گشتاور ثابت در هر صورت پذيرفته است.
در نهايت، يکي از مزاياي اصلي مجهز کردن به درايو سرعت متغير اين است که در تمامي شرايط باري، بازدهي سيستم درايو 97%-96% و ضريب قدرت نزديک به يک خواهد بود، و در نتيجه با کاهش مصرف KWHr در مصرف برق صرفه جويي خواهد شد.

تعيين توان درايو 

هر آسانسور به مقدار معيني توان پيک و توان دائم (کيلو وات) براي شتاب دادن و بالا بردن بار نياز دارد. انتخاب موتور گيربکس و ولتاژ کار در تعيين جريان دائم و جريان پيک اينورتر موثر است. اگر چه توان درايو به کليو وات بيان مي شود، جريان هاي دائم و يا پيک، عوامل تعيين کننده هستند. در اصل، درايو انتخاب شده بايد در محدوده زماني استاندارد تعين شده خود، جريان پيک مورد نياز و جريان در حين کار آسانسور را تامين نمايد و تضمين کند که با احتساب اضافه بار، جريان کافي در فرکانس سوئيچينگ انتخاب شده، تحويل موتور شود. همچنين هرگونه افزايش جريان ناشي از درجه حرارت (current derates) (مثلا افزايش دماي موتورخانه ) به حساب آورده شود.
به طور کلي انتخاب يک درايو بزرگ مشکلي غير از افزايش هزينه هاي سخت افزاري و در برخي موارد "عدم تطابق" پارامترهاي موتور با درايو مورد نظر به وجود نمي آورد، اما گاهي اوقات لازم است تا اطمينان حاصل شود که قطعات قدرت IGBT در محدوده توان نامي خود کار کنند تا طول عمر آنها بقدر کفايت تضمين شود. اين امر بويژه در مورد انواع موتورهاي بدون گيربکس آسنکرون و سنکرون ، که در آنها فرکانس نامي در حين حرکت کمتر از 50HZ مي باشد، موضوع مهمي است. انتخاب يک درايو با توان کمتر از حد مورد نياز باعث افت طول عمر شده  و مي تواند به عدم توانايي در انجام عملکرد مطلوب و حتي اجراي عمليات ساده اي چون بلند کردن، اعمال شتاب افزاينده و يا کاهنده بار بيانجامد. بنابراين ضروري است که دستور العملهاي نصب و راه اندازي سازنده به دقت اجرا شود.
در صورت امکان توصيه مي گردد از روي پلاک موتور ولتاژ، فرکانس، دور در دقيقه نامي و جريان بار کامل بررسي شود. در موتورهاي قديمي تر ممکن است کار سختي باشد چون اغلب موارد داده ها يا ناخواناست و يا مفقود شده است. در هر صورت تعيين دقيق جريان بار کامل و فرکانس و دور در دقيقه بسيار مهم است. به منظور تعيين دقيق توان درايو و محاسبه لغزش موتور، لازم است قبل از انتخاب درايو، مقادير جريان بار کامل موتور، ولتاژ و دور در دقيقه در محل کار درايو اندازه گيري شود.
لغزش موتور يکي از پارامترهاي مهم موتور است. درايو هاي برداري (هم مدار باز و هم مدار بسته) براي کار با موتور هاي داراي لغزش کم طراحي شده اند. لغزش کم معمولا به مفهوم کمتر از 5 درصد مي باشد. موتورهاي با لغزش زياد (بيش از 5 درصد) معمولا بصورت کنترل مدار باز (بدون اينکودر) استفاده        مي شوند. به دليل اينکه تنظيم جريان در ماشين هاي با مقاومت روتور بالا مشکل است، استفاده از درايو برداري مدار بسته براي کنترل موتورهاي قديمي با لغزش بالا بسيار دشوار است. در اين گونه موارد بايستي از توصيه هاي سازنده درايو پيروي شود.

ملاحظات نصب صحيح

چهار اصل مشترک در نصب آسانسور وجود دارد. درايو AC روي صفحه بدون رنگ، درون تابلوي برق فولادي نصب مي شود. موتور آسانسور نزديک آن روي يک قاب فولادي مناسب نصب مي گردد. اينکودر سرعت، مستقيماً به محور موتور متصل مي شود. مدار کنترل فرمان آسانسور يا درون همان تابلو و يا در يک تابلو برق جداگانه قرار مي گيرد.
جهت ايمني، لازم است که بدنه فلزي و متعلقات برقي تابلو همگي زمين شوند. روش نصب سيم هاي اتصال به زمين در ايجاد نويز الکتريکي وحساسيت به آن تأثير گذار خواهد بود.
اينورتر PWM با سرعت سوئيچينگ خيلي بالا روشن و خاموش مي شود. بدليل وجود کوپلينگ خازني از مدارهاي الکتريکي به اجزاء همجوار، نويز سوئيچينگ درايو AC، بين موتور و بدنه درايو و بين بدنه درايو و ديگر مصرف کننده هاي داخل شبکه برق، جاري مي شود. موثر ترين روش به حداقل رساندن تداخل، اين است که جريان نويز به مسير مستقيمي با امپدانس کم منحرف شده، در حالي که در مسير، ساير اجزاء داخل شبکه مقاومت بالايي در قبال نويز داشته باشند. دستورالعمل هاي ذيل جهت دستيابي به نتايج مطلوب کمک خواهد کرد.
توصيه مي شود، يک شمش رسانا در محفظه نصب درايو قرار داده شده و پيوند الکتريکي با قاب فلزي داشته باشد و يک سيم اتصال زمين از قطعات زير به اين شمش مهيا شود.(شکل5):
الف. به طور مستقيم از بدنه درايو
ب . به طور مستقيم از بدنه تابلو درايو
ج . به طور مستقيم از قاب موتور
د . از اسکلت فولادي ساختمان
ه . از بدنه تابلو فرمان
کليه سيم هاي قدرت در يک لوله فلزي قرار گرفته و در سيني تابلو رها نباشند. سيم کشي سه فاز  ورودي هاي اصلي و  خروجي موتور جدا انجام گردد. قطر سيمهاي اتصال زمين بايد در حدي باشد که بتواند جريانهاي ناخواسته (نظير اتصال کوتاه) تجهيزات نصب شده را تحمل نموده و مسيرشان از ميان همان لوله مورد استفاده براي سيم هاي قدرت باشد. استفاده از خود لوله محافظ و يا اسکلت فلزي ساختمان براي برقراري اتصال زمين توصيه نمي شود.
محفظه و محور اينکودر بايد از نظر الکتريکي از بدنه و محور موتور عايق باشد. ضروري است همواره از کابل شيلددار براي سيم هاي اينکودر استفاده کرده و اين شيلد فقط در انتهاي مسير (درايو) متصل شود. مشترک مدار درايو را بايد به وسيله سيمي با سطح مقطع مناسب به بدنه زمين متصل کرد.
مشترک 0V سيگنالهاي 24V در زمين درايو به هم وصل مي شوند. اگر به جاي کنتاکتهاي رله از سيگنالهاي 24V استفاده شود، لازم است يک مشترک مدارات کنترل درايو و مدارات توسط يک سيم به هم وصل شود(شکل 5).

شکل5- اتصالات زمين درايو

تهیه و تنظیم: صدر الکترونیک دنا