چگونگي عملكرد درايوهاي كنترل كننده دور موتورهاي الكتريكي بازرس فني برق واحد فني و مهندسي سيمان خاش

Transcript

1 مهندس وحيد گودرزي چگونگي عملكرد درايوهاي كنترل كننده دور موتورهاي الكتريكي بازرس فني برق واحد فني و مهندسي سيمان خاش 1- مقدمه موتوره ای DC اولین وس یله تبدیل ان رژی الکتریکی به ان رژی مکانیکی بودند. موتورهای DC ب ا وجود مزایایی چون کنترل آس ان سریع و دقیق گش تاور و همچنین پاسخ بسیار سریع دینامیکی برای تغییرات سرعت معایب زیر را دارند: - نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر - قیمت باال - نیاز به انکودر یا تاکومتر برای فیدبک سرعت امروزه با توجه به پیش رفت تکنول وژی كاربرد موتورهای الکتریک ی AC در صنعت رو به فزوني اس ت بطوریکه در 70 ت ا 80 درصد کاربرده ای صنعتی از موتورهای AC اس تفاده میش ود. این موتورها داراي مزایای ی از قبیل: اندازه کوچکتر قدرت بیش تر در مقایس ه با موتورهای DC هماندازه طراحی ساده و قیمت ارزان سبک و مقاوم بودن در برابر ضربه هستند. همزمان با پیشرفت و افزايش کاربرد موتورهای AC تکنولوژی درایوی AC نیز دستخوش تغییرات شگرفی شدهاند بهطوریکه درایوه ای AC قابلیت موتوره ای AC را تکمیل کردهاند. در کاربرده ای صنعت ی غالبا میخواهیم که موتورها در س رعت و گش تاور دلخواهمان کار کنند بنابراین برای کنترل س رعت و گش تاور موت ور از درایو اس تفاده میکنی م. درایوها وظیفه کنت رل دور موتور را بر عهده دارن د. درایوها قادرند دور موتور را از صف ر ت ا چندین براب ر دور نامی موتور و بهطور پیوس ته تغییر دهند. درایوهای AC هم س رعت موتورهای القایی و هم سرعت موتورهای سنکرون را با تنظیم فرکانس تغذیهی موتور کنترل میکنن د. درایوهای AC با عناوی ن: درایوهای تنظیم س رعت (ASD) درایوهای تنظیم فرکانس (AFD) درایوهای فرکان س متغی ر (UFD) درایو س رعت متغی ر (VSD) و یا مبدلهای فرکانس (FC) نیز شناخته میشوند. کنت رل فرآیند و کاهش مصرف انرژی دو دلیل اولیه برای استفاده از درایوهای AC میباشد. درایوهای AC در اصل برای کنترل فرآیند س اخته شدهاند اما کاهش مصرف انرژی نیز به همان میزان دارای اهمیت اس ت. تنظیم دور در الکتروموتورها عالوه بر منعط ف نمودن فرآیندهای صنعت ی در کاربردهای زی ادی منجر به صرفهجوئی انرژی هم میگردد. بهعنوان مثال درایوه ای AC اغلب همراه با فنها جه ت تنظیم جریان هوا 65

2 اس تفاده مورد مطبوع هوای و گرمایش بزرگ سیس تمهای در انرژی مصرف بیش ترین دارای فنها و پمپها میگیرند. ق رار ممکن کند کار ثابت سرعت با فن یک که صورتی در میباشند. باشد. نیاز مورد مقدار از بیشتر اوقات گاهی هوا جریان که است اما نمود محدود دمپ ر یک با میتوان را اضافی هوای جری ان موتور سرعت تغییر با را هوا جریان بتوان که اس ت آن مفیدتر نمود. تنظیم شبکه از شده کشیده راهاندازی جریان درایوها آن بر عالوه خیلی جریان این بهطوریکه میدهند. کاهش زیادی میزان به را را موتور میتوانند درایوها اس ت. موتور اس می جریان از کمتر زمان و نمایند خاموش و روشن ش ده کنترل کامال و نرم بهطور میتوانند زمانها این کنند. تنظیم بهدقت را خاموش و روش ن روشن در درایو توانائی باش د. دقیقه صدها یا و ثانیه از کس ری مکانیکی تنشهای مالحظه قابل کاهش موجب نرم خام وش و یک در مثال برای میگردد. دوار ادوات س ایر و کوپلینگها در به گرانشی نیروی تحت لوله طریق از فاضالب انتقال ایس تگاه پمپ تصفیه فرآیند به بخش این از و میش ود منتقل چاه یک پمپها ثابت سرعت پمپهای از اس تفاده صورت در میشود. باالی حد به چاه داخل مایع اگر که میش وند تنظیم بهگونهای حد به آن سطح که صورتی در و شده استارت رسید مشخصی شدنهای خاموش و روش ن این شوند. خاموش رس ید پایین باال الکتریکی جریان ش دن کش یده موجب پمپها پیوس ته و گرمایی تنشهای ایج اد نتیجه در و موت ور اس تارت هنگام میگردد. قدرت کنترل تجهیزات و موتور در الکترومغناطیس ی قرار هیدرولیکی و مکانیک ی فش ارهای تحت لولهها و پمپها تنشها از مجموعهای دارای فاضالب تصفیه فرآیند و میگیرند درایوهای از استفاده صورت در میباشد. فاضالب انتقال طول در اب آنها س رعت و میکنند کار پیوس ته بهصورت پمپها AC جریان ترتیب بدین میشود. افزوده چاه در مایع س طح افزایش بهصورت فرآیند و گش ته متناس ب خروجی جریان با ورودی مانند کاربردهایی در ای ن بر عالوه میگیرد. انج ام یکنواخت و راهاندازی در ضربه وجود عدم که... و آسانس ورها جرثقیلها درایو از استفاده برخورداراس ت ویژهای اهمیت از موتور توقف استفاده با فرآیند کنترل فواید زیر موارد میشود. ناپذیر اجتناب میباشد: AC درایوهای از هموارتر عملکرد - شتاب افزایش و کنترل - فرآیند هر برای مختلف سرعتهای - فرآیند متغیرهای در تغییرات جبرانسازی - Setup منظور به )کند( آرام عملکرد امکان - تولید سرعت تنظیم - دقیق یابی مکان - Tension یا و گشتاور کنترل - مانند: الکترونیکی قطعات از متشكل تجهیزاتی درایوها این یا ولتاژ کنترل برای آنها از که هستند... و IGBT تریس تورها میشود. استفاده فرکانس کنترل گشتاور و سرعت کنترل متداول روشهای 2- DC درایوهای -1-2 ديده 1 ش كل در DC درايو ي ك قدرت م دار ش ماتيك ميشود. DC درايو يك قدرت مدار شماتيك 1- شکل اول: ناحیه دارند. سرعت کنترل محدوده دو DC موتورهای از آرمیچر ولت اژ تغییر و تحریک جری ان داش تن نگه ثابت با میکند. تغییر نامی مقدار تا صفر از سرعت نامی مقدار تا صفر ثابت با دوم: ناحی ه میماند. ثاب ت گش تاور محدوده ای ن در به میتوان تحریک جریان کاه ش و آرمیچر ولتاژ داش تن نگه حالت این در یافت. دس ت نامی سرعت از بیشتر س رعتهایی تضعیف عمل این مییابد. کاهش گش تاور س رعت افزایش با افزایش با ثابت گش تاور محدوده در میش ود. نامیده 1 میدان س رعت از بعد مییابد. افزایش خطی صورت به توان س رعت کاهش نمایی ص ورت به گش تاور و میماند ثابت توان نام ی 2( )شکل مییابد. DC موتورهای سرعت کنترل محدوده 2- شکل حقیقی متغیرهای کنت رل با DC درایورهای در بنابرای ن 1- Field Weakening 66

3 کنترل را گش تاور و س رعت آرمیچر ولتاژ و تحریک جری ان تکنولوژی DC درایوه ای عملکرد از بهرهگی ری با میکنن د. اس کالر کنترل روشهای و کرد پی دا توس عه AC درایوهای در كه شدند معرفی گشتاور مس تقیم کنترل و برداری کنترل است.. شده تشريح روشها اين بحث ادامه اسكالر روش 2-2- تثبی ت روش AC موتوره ای کنت رل روش س ادهترین گس ترده بهطور روش این میباش د. فرکانس به ولتاژ نس بت نوع این میگیرد. ق رار اس تفاده مورد صنعتی کاربرده ای در پایداری با ب از حلقه بهصورت و بوده اس کالر نوع از کنترلره ا سیس تمهای س ادگی روش این مزیت میکنند. عمل خ وب کاربردهای برای کنترلرها نوع این مقابل در اس ت. آن کنترلی نمیباشند. مناسب سریع پاسخ با عرض مدوالس یون نظیر عناوینی با صنعت در را روش این میشناس ند. VFD یا V/F فرکانس کنت رل (PWM) پال س چرخش س رعت كردن كنترل براي سيس تم يك VFD درايو به ش ده اعمال تغذيه فركانس كردن كنترل با AC موتور ي ك كه ميكند عمل اصل اين بر دراي و اين اس ت. الكتريكي موتور موتور آن تغذيه فركانس به AC موتور يك س نكرون س رعت موتور آن قطبهاي تع داد به زير رابطه اس اس بر همچنين و دارد. بستگي RPM = (120 F)/P فاز سه معموال VFD سيستم در ش ده استفاده موتورهاي است. داده نش ان را سيس تم اين از بلوكي 3 ش كل هس تند. و گرفته فرمان اپراتور بهوسيله فركانس كننده كنترل سيس تم ميكند. تبديل متغير فركانس با AC توان يك به را AC توان VFD سيستم از بلوكي - شكل 3 و شده تبدیل DC ولتاژ به AC ولتاژ نخست سيستم اين در متغیر فرکانس با ولتاژ از پالسی دنباله مدوالتور بهوسیله سپس است ثابت V/F مقدار روش این در میش ود. ارسال موتور به 4(. )ش كل مییابد افزایش ولتاژ فرکانس افزایش ب ا بنابراین وجود موتور گش تاور روی کنترلی حالت این در اينكه نهای ت بهطور که هس تند فرکانس و ولتاژ کنترلی متغیرهای و ن دارد از اس تفاده عدم بهعلت میکنند. کنترل را موتور غیرمس تقیم نداريم. موتور ش فت س رعت یا موقعيت روی کنترلی فیدبک به پاس خ در تأخیر ایجاد باعث مدوالتور از اس تفاده همچنین میشود. سرعت و گشتاور شار برداری کنترل روش 3-2- اب کاربردهای از نمونههای ی اب زار ماش ینهای و روباتها 67 VFD سيستم عمل نحوه 4- شكل

4 کنترلی روشه ای کاربردها ای ن در هس تند. باال دینامی ک تفکیک با برداری کنترلی روشهای در میشود. استفاده برداری و فلوس از و تورکس از مولفه دو به اس تاتور جریان مولفههای میشود داده ترتیبی PI رگوالتورهای از اس تفاده با آنها کنترل ترتیب این به و ش ود کنترل DC موتور نظی ر AC موتور ک ه در آنها سریع گش تاور پاس خ جمله از DC موتور مزایای تمام بود. خواهد دسترس در نیز AC موتورهای DC درایوه ای نظی ر الگویی ب ه ش دن نزدی ک ب رای در باش ند. حقیقی باید القایی موتورهای در کنترلی متغیرهای صورتی در هستند غیرحقیقی کنترلی متغیرهای اسکالر روش موتور حقیقی متغیرهای تا ش ده آن بر س عی روش این در که و شار بردار کنترل برای ش ود. کنترل موتور( گش تاور و )شار این در اما باشد کنترل قابل باید موتور جریان موتور گش تاور ندارد. وجود موتور جریان روی سیستمی کنترل موتورها )DTC( گشتاور مستقیم کنترل روش 4-2- روش 1986 س ال در برداری کنترل روشهای طرح از بعد گش تاور مس تقیم کنترل نام به القایی موتورهای کنترل نوین کنترل تئوری پایه بر DTC کار اس اس ش د. مطرح DTC یا و و استاتور ش ار اس ت. ش ده بنا القایی موتورهای میدان جهت وضعیت محاسبه هس تند. DTC کنترلی متغیرهای گش تاور سرعت (DSP) دیجیتال پروسسور سیگنال یک بهوسیله موتور نرمافزاری مدل در محاسبات این بهطوریکه میش ود. انجام باال س رعت توجه با میپذیرد. صورت ثاینه در بار موت ور هر مرجع مقادیر با واقعی مقادیر مقایس ه و محاس بات باالی تغییرات هنگام و میش ود بررس ی جداگانه س ویچینگ عمل میشود. بهینه سویچینگ عمل ناگهانی بارهای مانند دینامیک اساس روش این در برمیآید روش این اس م از که همانطور است. ش ده نهاده بنا القایی موتور گش تاور کنترل روی بر کار کرد: محاسبه 1 رابطه از میتوان را القایی موتور گشتاور تابعی القایی موت ور گش تاور T m =KI a I f رابطه به توجه ب ا میباش د. روتور و اس تاتور فلوی بین زاویه و اس تاتور فلوی از ترمینال ولتاژهای روی از مس تقیما میتوان را اس تاتور فلوی توسط ش ده اندازهگیری ولتاژهای اینکار برای س اخت. موتور استفاده با سپس میيابد. انتقال d-q مرجع به ولتاژ سنسورهای کرد: محاسبه را ماشین استاتور فلوی میتوان 3 و 2 رابطه از رابطه از میتوان ماشین ترمینال جریانهای اندازهگیری با 3 و 2 روابط از نم ود. محاس به را القایی ماش ین گش تاور 1 ترمینال ولتاژهای روی از مس تقیما فلو که میشود مش اهده ماشین ترمینال ولتاژ کنترل با DTC کنترل در میشود ساخته را موتور تولی دی گش تاور آن تبع به و ماش ین فلوی القایی نمود. کنترل میکند محکم و قوی بس یار را کنترل روش این که آنچه دیگر بهعبارت میباشد. ماشین پارامترهای به آن کم وابستگی موتور از پارامتری تنها گشتاور نیز و استاتور فلوی ساخت برای بدین میباشد. استاتور مقاومت ش ود اندازهگیری بایس تی که ماشین پارامترهای تغییر به کنترل سیس تم حساسیت ترتیب کنترل روش این در همچنين میباشد. کم بسیار کار حین در داریم استاتور( فلوی )زاویه فلوي قرارگیری محل داشتن به نیاز 4 رابطه از استفاده با بهس ادگی فلوی اندازه نیز و زاویه این که میباشد: محاسبه قابل 5 و گشتاور و فلوی کنترل 3- فلوی کنترل هدف DTC روش در ش د گفته همانطوریکه ماشین گش تاور مس تقیم کنترل آن تبع به و موتور اس تاتور نیز و اندازه میتوان λ q و λ d داش تن دس ترس در با میباش د. با درجه 90 اختالفی نیز ماش ین فاز ولتاژ س اخت. را λ زاویه اندازه ميتوان ش ار فاز و اندازه بودن دس ت در با ک ه دارد λ روی ب ر کار اص ول DTC روش در آورد. بهدس ت را V ف از و اندازه مقدار مقایسه با است. شده نهاده بنا استاتور ش ار کنترل خطای مرجع فلوی با آن مقایس ه و 5 رابطه از آمده بهدس ت زا استفاده با میتوان را موتور گش تاور میآید. بهدس ت فلوی بهصورت شده زده تخمین شار و ش ده اندازهگیری جریانهای نمود: محاسبه زیر تخمین گش تاور مقدار نیز و ش ده محاس به فلوی مقدار مقایس هها حاصل و ش ده مقایس ه مرجع مقادیر با ش ده زده بر حاکم منط ق میش ود. داده هیس ترزیس پنجرههای ب ه این روی از است. آمده 2 و 1 جداول در هیسترزیس پنجرههای سوییچینگ حاالت استاتور فلوی به مربوط سکتور نیز و خطاها نحوه به بعدی بخش در که میشوند انتخاب قدرت سوئیچهای پرداخت. خواهیم سوییچینگ حاالت انتخاب 68

5 جدول 1- منطق حاكم بر پنجره هيسترزيس فلوي جدول 2- منطق حاكم بر پنجره هيسترزيس گشتاور 4- حاالت سوئیچینگ اینورتر ب رای کنت رل در روش DTC از اینورت ر ولتاژ اس تفاده میکنیم. حاالت س وئیچینگ اینورتر از روی خطاهای فلوی و گشتاور از روی جدول سوئیچینگ تعیین میشود ( جدول 3(. ب ا انتخ اب هر ک دام از برداره ای ولتاژ ج دول 3 میتوان ولتاژهایی با زاویههای 60 درجه نسبت به هم ساخت. الگوریتم کار به این صورت اس ت که با توجه به خطاهای فلوی و گشتاور و نیز سکتور مربوط به روتور که از روی زاویه استاتور محاسبه میشود بردار مناسب برای اصالح خطاها انتخاب میشود )شکل 5(. ناگفته پیداست که حاالت کلیدزنی اینورتر ولتاژ محدود میباشد بنابراین ولتاژ اس تاتور بصورت گسس ته تغییر خواهد کرد. اما با توجه به انتگرالگیری که از ولتاژ استاتور برای ساخت فلوی انجام میشود شار استاتور پیوسته و تقريبا یکنواخت میباشد. برای ایجاد ولتاژی بین دو حالت بایستی بصورت ترکیبی سوئیچها را روشن و خاموش کنیم که این کار خود باعث بروز مشکالت سوئیچزنی و کموتاسیون و نیز گرانی سوئیچ قدرت میشود. گشتاور )DTC( به شرح زير بيان گرديده است: - پاسخ سریع به تغییرات گش تاور: در لحظات گذرای بار زمان افت س رعت کاهش مییابد. در نتیجه فرآيند بهتر کنترل شده و محصوالت با کیفیت باالتر عرضه میشوند. - کنترل گش تاور در فرکانس پایین: این مزیت بهخصوص در کاربردهایی چون جرثقیلها و آسانسورها که بار به راهاندازی و توقف منظم و نرم نیاز دارد قابل توجه میباشد. - گش تاور خط ی: افزای ش گش تاور بص ورت خطی در کاربردهایی چون Winder - دقت س رعت دینامیک: بعد از تغیی ر ناگهانی بار موتور میتواند با سرعت قابل مالحظهای به حالت پایدار برگردد. شكل 5- تأثير انتخاب بردار مناسب براي اصالح خطاي شار ب ا این اوص اف میتوانیم بل وک دیاگرام مرب وط به روش کنترلی DTC را به صورت شکل 6 رسم نمائیم. در این روش ع الوه بر اینکه متغیره ای کنترلی حقیقی میباش ند پردازش نرمافزاری بسیار سریع و عدم نیاز به انکودر و مدوالت ور قابل توجه اس ت. اين ویژگیهای درایو با پاس خ گش تاور سریع )حدود 10 برابر س ریعتر از درایور DC و سایر درایوهای (AC به بازار عرضه شده است. مزایای کنترل سیستم شكل 6- بلوك دياگرام كلي DTC جدول 3- انتخاب سوئيچها با توجه به خطاهاي شار و گشتاور 69