روش کنترلی که این مقاله بر روی آن تمرکز دارد نحوه کنترل عملکرد موتور به کمک روش VFD است.
4 نوع اصلی روش کنترل موتور برای کنترل موتورهای القایی متصل به VFD وجود دارد. آنها عبارتند از: V/f (ولت بر هرتز)، V/f با انکدر، بردار حلقه باز و بردار حلقه بسته.
قبل از تعریف این روش کنترل موتور و این که چه چیزی هر یک را منحصربه‌فرد می‌کند، یک وجه مشترک بین هر چهار روش وجود دارد و آن مدولاسیون عرض پالس (PWM) است. PWM تکنیکی است که عرض یک سیگنال ثابت را با تعدیل مدت پالس برای نمایش سیگنال آنالوگ متغیر، تغییر می دهد. PWM با استفاده از ولتاژ DC ثابت از خازن های باس DC VFD به VFD اعمال می شود. مجموعه ای از ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق (IGBT) روی خروجی به سرعت باز و بسته می شود تا پالس تولید کند. با تغییر عرض پالس های خروجی در شکل موج ولتاژ خروجی، یک موج سینوسی AC شبیه سازی شده ساخته می شود (شکل زیر را ببینید)
حتی اگر شکل موج ولتاژ خروجی درایوها از مربع تشکیل شده باشد ، امواج ناشی از پالس DC، شکل موج جریان سینوسی خواهد بود زیرا موتور القایی است. تمام روش های کنترل موتور از شکل موج ولتاژ PWM برای کنترل موتور استفاده می کنند. تفاوت بین روش های کنترل در فرآیندی است که برای محاسبه ولتاژ مورد نیاز موتور در هر لحظه مورد استفاده قرار می گیرد.
روش V/F
ولت بر هرتز، که معمولاً V/f نامیده می شود، می تواند به عنوان ساده ترین روش کنترل موتور در نظر گرفته شود. این روش اغلب به دلیل سادگی به “plug-n-play” ترجیح داده می شود زیرا اطلاعات کمی توسط درایو مورد نیاز است. انکدر موتور یک دستگاه الکترومکانیکی ساده است که معمولاً در پشت محفظه موتور نصب می شود و به شفت موتور متصل می شود. چرخش شفت موتور یک سری پالس الکتریکی در هر دور (PPR) تولید می کند. این پالس ها به VFD برمی گردند و به عنوان بازخورد سرعت استفاده می شوند. روش کنترل V/f از انکدر استفاده نمی کند. این منجر به هزینه کمتر و سیم کشی کمتر می شود. روش کنترل V/f اغلب زمانی استفاده می شود که تقاضا برای عملیات فرکانس بالا وجود دارد که به راحتی می تواند از 1000 هرتز تجاوز کند. اکثر برنامه های ماشین ابزار از روش کنترل V/f استفاده می کنند. هنگام راه اندازی چندین موتور، همه موتورها به طور همزمان شروع و متوقف می‌شوند. برخی از محدودیت ها این است که VFD هیچ تضمینی برای چرخش محور موتور ندارد. اگرچه این مشخصات گشتاور راه اندازی را می توان به عنوان یک نقطه ضعف طبقه بندی کرد، این گشتاور راه اندازی برای اکثر کاربردهای گشتاور متغیر کافی خواهد بود. در واقع، امروزه تقریباً هر فن و پمپ گشتاور متغیری که در این زمینه کاربرد دارد، روش کنترل V/f را اجرا می کند.
در این روش تنظیم سرعت پاسخگویی 3 هرتز است. پاسخ سرعت به این صورت تعریف می شود که VFD چقدر می تواند به تغییر مرجع فرکانس پاسخ دهد. هنگامی که مرجع فرکانس تغییر می کند، افزایش پاسخ سرعت منجر به پاسخ سریع تر موتور می شود.
هر روش کنترلی همچنین دارای یک محدوده کنترل سرعت است که به صورت یک نسبت بیان می شود. نسبت کنترل سرعت در این روش 1:40 است. اگر این نسبت را در حداکثر فرکانس ضرب کنیم، می‌توانیم حداقل سرعتی را که VFD می‌تواند کار کند و همچنان کنترل موتور را حفظ کند، تعیین کنیم. به عنوان مثال، با حداکثر فرکانس 60 هرتز و محدوده کنترل 1:40، یک درایو با استفاده از روش کنترل V/f می تواند یک موتور را تا 1.5 هرتز کنترل کند.
چیزی که کنترل V/f را از سایر روش های کنترل متمایز می کند نحوه تعیین ولتاژ خروجی ارسال شده به موتور است. این روش کنترل از چیزی استفاده می کند که الگوی V/f نامیده می شود. الگوی V/f نسبت ولتاژ به فرکانس را برای موتور تعریف می کند. این نسبت اغلب با یک پروفایل تنظیم سفارشی یا یک پیش تنظیم برای برنامه و موتور مورد استفاده، بهینه می شود. کاربردهایی مانند فن ها و پمپ ها بارهای گشتاور متغیر هستند. برای جلوگیری از خطا و افزایش عملکرد و کارایی، باید از الگوی V/f گشتاور متغیر استفاده شود. همین امر در مورد کاربردهای گشتاور ثابت مانند نوار نقاله، اکسترودر، بالابرها و غیره نیز صدق می کند. الگوی گشتاور V/f ثابت باید برای کاربرد گشتاور ثابت انتخاب شود. یک الگوی V/f برای بار گشتاور متغیر نیاز به کاهش جریان مغناطیسی در سرعت های پایین تر برای دستیابی به راندمان بالاتر دارد.
توضیح شکل : الگوهای مختلف V/f به VFD اجازه می دهد تا تعداد زیادی از برنامه های کاربردی مختلف را کنترل کند و در عین حال عملکرد بهینه را حفظ کند.
V/f با انکدر
اگر تنظیم سرعت کمی بهتر همراه با قابلیت اجرا در یک مرجع فرکانس بالاتر مورد نظر باشد، روش کنترل V/f را می توان برای اجرا با یک انکدر تنظیم کرد. افزودن فیدبک انکدر به روش کنترل V/f، تنظیم سرعت را تا +/- 0.03 درصد حداکثر فرکانس کاهش می‌دهد.
ولتاژ خروجی همچنان با الگوی V/f انتخاب شده تعیین می شود. این امکان کنترل سرعت بالا را بدون پاسخ دینامیکی بالا فراهم می کند زیرا ولتاژ و فرکانس از پیش تعیین شده است. این روش کنترل خیلی رایج نیست زیرا باید یک انکدر و کارت فیدبک خریداری شود و مزایای حاصل از روش کنترل استاندارد V/f حداقل است. گشتاور راه اندازی، پاسخ سرعت و محدوده کنترل سرعت همگی مشابه روش کنترل V/f فوق الذکر هستند.
وکتور حلقه باز
بردار حلقه باز (OLV)، که گاهی اوقات بردار بدون حسگر نامیده می شود، کاملاً با روش کنترل V/f متفاوت است. همانطور که از نام آن مشخص است، نشانگر “حلقه باز” به این معنی است که در آن از انکدر استفاده نمی شود. هدف بزرگ روش کنترل OLV دستیابی به کنترل بیشتر و پویاتر موتور است. کنترل برداری برای دستیابی به کنترل مستقل سرعت موتور و گشتاور موتور، مشابه نحوه کنترل یک موتور DC استفاده می شود.
گشتاور راه اندازی بالاتر در سرعت های پایین تر، در را برای کاربردهای مختلف باز می کند. این روش کنترل همچنین امکان تنظیم محدودیت های گشتاور چهار ربعی را فراهم می کند. محدودیت‌های گشتاور عمدتاً برای محدود کردن گشتاور موتور برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات، ماشین‌آلات یا محصول استفاده می‌شوند. حدود گشتاور به چهار ربع مختلف تقسیم می شود
که بستگی به جهت موتور (به جلو یا معکوس) و اینکه موتور در حال حرکت است یا نه بستگی دارد. علاوه بر محدودیت های گشتاور، روش کنترل OLV دارای پاسخ سرعت بالاتر 10 هرتز است که امکان پاسخ دینامیکی بیشتری به بارهای ضربه ای را فراهم می کند. نمونه ای از کاربردهایی که می توانند بارهای ضربه ای داشته باشند، سنگ شکن است. بار به طور مداوم بسته به اندازه و کمیت سنگ هایی که از طریق سنگ شکن پردازش می شوند در حال تغییر است.
آنچه که کنترل برداری را خاص می کند و امکان عملکرد با عملکرد بالا را فراهم می کند این است که چگونه VFD ولتاژ خروجی موتور را تعیین می کند. کتاب‌ها، پایان‌نامه‌ها، دوره‌ها، و انواع دیگر تحقیقات و مستندات برای توضیح کنترل بردار در طول سال‌ها تولید شده‌اند. این مقاله فقط به ابتدایی ترین مفاهیم کنترل برداری می پردازد. به جای یک الگوی ثابت V/f، OLV از یک الگوریتم برداری برای یافتن بهترین ولتاژ خروجی لازم برای راه اندازی موتور استفاده می کند. کنترل برداری این کار را با استفاده از بازخورد جریان از موتور انجام می دهد.
جریان مغناطیسی و گشتاور تولید کننده جریان به بردارها (شکل بالا).
پس از تنظیم خودکار VFD برای موتور متصل، کنترل برداری اکنون امکان پذیر است. با کمک داده ها و پارامترهای موتور قابل اعتماد، VFD اکنون می تواند جریان مغناطیسی (Id) و جریان تولید کننده گشتاور (Iq) را محاسبه کند. این مقادیر برداری هستند. برای حداکثر بازده و گشتاور، VFD باید این دو بردار را در 90 درجه جدایی نگه دارد. شکل زیر را ببینید.
به طور کلی، مشخصات کنترل دقیق تر با استفاده از یک الگوریتم برداری برای این روش کنترل نتیجه می شود. تنظیم سرعت +/- 0.2٪ از حداکثر فرکانس است. محدوده کنترل امکان عملکرد با سرعت پایین را بدون کاهش تولید گشتاور فراهم می‌کند.
وکتور حلقه بسته
روش کنترل موتور بردار حلقه بسته (CLV) از یک الگوریتم برداری برای تعیین ولتاژ خروجی، درست مانند روش OLV استفاده می کند. تفاوت اصلی این است که اکنون یک انکدر گنجانده شده است. فیدبک انکدر جفت شده با روش کنترل برداری امکان گشتاور راه اندازی 200 درصدی موتور در 0 دور در دقیقه را فراهم می کند. این ویژگی یک نقطه فروش برای برنامه هایی است که نیاز به نگه داشتن بار و عدم حرکت دارند. کاربردها می تواند شامل آسانسور، جرثقیل و بالابر باشد.
روش CLV علاوه بر این مشخصات عملیاتی با کارایی بالا، قابلیت راه اندازی موتور در حالت کنترل گشتاور را نیز دارد. حالت کنترل گشتاور به VFD اجازه می دهد تا به جای سرعت موتور، گشتاور موتور را مستقیماً کنترل کند. این برای هر کاربردی که در آن گشتاور بر سرعت اولویت دارد، ضروری است. Winder، Rewinder، Capping نمونه های خوبی از زمانی هستند که از کنترل گشتاور استفاده می شود.
