نحوه کار درایو

درایو چیست؟

با پیشرفت صنایع مختلف و امکان استفاده از تجهیزات به روز و پیشرفته، تا حد قابل توجهی استفاده از دستگاه های پیشرفته و مجهز آسان تر شده است. یکی از تجهیزاتی که امروزه بیش از پیش مورد استفاده قرار گرفته، درایو است. به طور کلی به دستگاهی که قابلیت کنترل یک ماشین الکتریکی را دارد، درایو گفته می شود. در این مقاله به طور کامل با عملکرد و نحوه کار درایو و اهمیت آن در صنایع مختلف آشنا می شویم.

اهمیت استفاده از درایو

اولین درایو در سال 1838 میلادی (1217 شمسی) در روسیه ساخته شد. درایوها به سرعت پیشرفت کردند و این موضوع به دلیل توسعه ادوات سوییچینگ قدرت یا تریسیتورها است. برخی افراد تصور می کنند که وظیفه درایو صرفا کنترل سرعت موتور است. در صورتی که تمرکز اصلی استفاده از درایو روی ارائه خدمات به ماشین های  AC  در صنعت برق است. در واقع تا قبل از این که درایوها مورد استفاده قرار گیرند، به ماشین های AC بها داده نمی شد. به گونه ای که ماشین های DC به دلیل قابلیت کنترل سرعت موتور بیشتر مورد استفاده قرار می گرفتند و محبوبیت زیادی داشتند. این موضوع به دلیل میزان مصرف انرژی بالا در موتور ماشین های AC بود که برای استارت نیاز به 8 برابر سرعت نامی بالایی داشتند. این ویژگی سبب می شد که در منابع تغذیه ماشین های AC تنش ایجاد شود. به همین دلیل بود که ساخت و استفاده از درایو رونق یافت.

یکی از مهم ترین اهداف ساخت و طراحی درایو تنظیم دور ماشین الکتریکی است. به گونه ای که تمرکز و وظیفه اصلی درایو را می توان تنظیم دور موتور از صفر تا چندین برابر دور نامی به صورت پیوسته دانست. علاوه بر این، وظیفه درایوها به همین کار محدود نمی شود. درایوها قادر به کنترل، گشتاور، شتاب، جریان و کنترل ولتاژ نیز هستند.

تنظیم موتور عادی با گشتاور

یکی از سوالات مهم و تخصصی که ممکن است برای استفاده از درایو پیش آید این است که تنظیم گشتاور یا سرعت دور موتور در یک موتور که قصد دارد در یک سرعت ثابت کار کند، چه اهمیتی دارد؟ ابتدا باید گفت که کاربرد درایو تنها به موارد ذکر شده در بالا محدود نمی شود. یک درایو قدرتمند قادر است که موتور را به صورت چپ گرد یا راست گرد یا در یک گشتاور خاص و ویژه استارت کند. ماشین های الکتریکی به خودی خود نمی توانند در یک شرایط عادی در سرعت و گشتاور مشخصی به صورت ایده آل شروع به کار کند. چون در واقعیت بارهای مکانیکی به صورت پیوسته در حال تغییر هستند و همین موضوع بر عملکرد موتور تاثیر می گذارد. در این شرایط درایو شروع به کار می کند و با کنترل متغیرهای از پیش تعریف شده برای دستگاه، موتور را در یک سرعت ثابت یا یک گشتاور ثابت نگه می دارد. در واقع می توان گفت ظاهرا موتور با سرعت ثابت در حال چرخش است، اما در عمل بنا به دلایل مختلفی سرعت موتور کم و زیاد شده و در نهایت باعث کاهش راندمان می گردد.

مزایای استفاده از درایو

همان طور که در پاراگراف بالا اشاره شد، یکی از وظایف و اهداف اصلی درایو کنترل سرعت دور موتور است. علاوه بر کاربردهای فراوان دیگر درایو، یکی از مزایای استفاده از درایو صرفه جویی در مصرف انرژی موتور دستگاه ها است. همچنین تاثیر زیادی در کاهش جریان راه اندازی موتور هنگام شروع به کار آن دارد. به گونه ای که این جریان راه اندازی بسیار کم تر از جریان اسمی (نامی) موتور است. از مهم ترین مزایای استفاده از درایو می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش مصرف انرژی زیاد هنگام استفاده از بارهای گشتاور متغیر: در کاربردهایی مثل گشتاور متغیر، گشتاور مورد نیاز با مربع سرعت و توان اسب بخار مورد نیاز به مکعب سرعت تغییر پیدا می کند. در نتیجه در صورتی که سرعت کمی کاهش یابد، توان مورد نیاز تا حد زیادی کاهش پیدا می کند. زمانی که موتور با متغیر و نصف سرعت کار کند، در مقایسه با زمانی که کار با تمام سرعت کار کند، مصرف انرژی آن یک چهارم کاهش پیدا می کند. به این پدیده Affinity Laws گفته می شود. این پدیده رابطه بین سرعت، جریان، گشتاور و توان را مشخص می کند. همچنین زمانی که نیاز بار کم تر از سرعت کامل است، این حالت در کاربردهای HVAC وجود دارد؛ مصرف انرژی در درایو آسانسوری، و درایو موتور الکتریکی هم در مقایسه با سایر روش های کنترل سرعت کم تر است.
• کاهش مصرف انرژی انرژی با استفاده از درایو: زمانی که می خواهید موتور جریان متناوب (AC) کار کنید، نیازی به کار کردن با تمام سرعت را ندارید. به همین دلیل می توانید با کنترل موتور با استفاده از درایوهای سرعت متغیر (درایو موتور الکتریکی) هزینه مصرف انرژی کاهش می یابد.
• گشتاور متغیر در برابر گشتاور ثابت: به طور کلی درایور موتور و بارهایی که به آن اعمال می شود، به دو دسته تقسیم می گردد: گشتاور ثابت، گشتاور متغیر. مصرف انرژی در کاربردهای گشتاور متغیر بسیار بیشتر از کاربردهای گشتاور ثابت است. بارهای گشتاور ثابت نیز شامل تسمه های نقاله های لرزان؛ ابزار پانچ، سنگ شکن ها، ابزارهای ماشین، و کاربردهای دیگری است. در این نوع گشتاورها درایو از نسبت ثابت V/F (ولتاژ بر فرکانس) پیروی می کند.
• شروع و راه اندازی نرم و کاهش توان دریافتی توسط تجهیزات: یکی از مزایای اصلی ویژگی درایو استارت و استاپ کاملا نرم و کنترل شده در موتورهای الکتریکی است. در واقع با استفاده از درایو می توان سرعت و زمان Start و stop را تنظیم کرد تا پس از انجام پروسه ای مشخص در زمان معین شروع و پایان یابد. زمانی که می خواهید تنظیم کنید می تواند کسری از ثانیه یا صدها دقیقه (ساعت) باشد. کنترل زمان استاپ و استارت شدن نرم تاثیر ویژه ای در کاهش تنش های مکانیکی در کوپلینگ ها و سایر وسایل دوار دارد.
• افزایش طول عمر و کاهش هزینه نگه داری با استفاده از درایو: درایو موتور به تدریج سرعت عملیاتی می رساند. همچنین فشار مکانیکی و الکتریکی هزینه تعمیر و نگه داری را کاهش و طول عمر و تجهیزات درایو را افزایش می دهد.

جادویی ویژه در صنایع با استفاده از درایو

به طور کلی برخی از فعالان در صنایع مکانیکی و پر قدرت عقیده دارند که تعبیه کردن درایو روی موتور دستگاه های مختلف دو عملکرد جادویی دارد. در واقع می توان نیاز دستگاه ها به خرید درایو صنعتی را می توان در دو بٌعد بررسی کرد:

• کاهش تلفات
• افزایش انعطاف پذیری در سیستم

بهتر است منظور از افزایش انعطاف پذیری در سیستم را با یک مثال شرح دهم. برای مثال تصور کنید که یک موتور الکتریکی 4 مگا وات در اختیار دارید که باید در ساعات مشخصی با توان اسمی 1 مگا وات شروع به کار کند. با استفاده از یک درایو به ویژه درایو صنعتی به راحتی می توانید با همان 4 مگا وات شروع به کار کنید. در واقع در صورتی  که درایو در دسترس نبود، برای راه اندازی برای چند ساعت یک موتور الکتریکی مجزا با توان 1 مگا وات خریداری می کردید.

نحوه کار در درایو در موتورهای الکتریکی

وظیفه اصلی و مهم درایو کنترل دور موتور در موتورهای الکتریکی است. اما این درایوها باید به صورت پیوسته و با سلسله مراتبی نسبتا یکسان مراحل زیر را طی کنند تا به عملکرد مورد نظر دست یابند.

• ابتدا به کمک یک سو کننده (Rectifier) ، خط سه فاز یا یک فاز به ولتاژ DC تبدیل می شود. این یک سو کننده می تواند کنترل شده یا بدون کنترل باشد.
• در مرحله دوم ولتاژ DC کاملا فیلتر می شود تا نوسانات و هارمونیک های اضافی حذف شود.
• به کمک یک پل سه فاز می تواند به کمک یک درایو سه فاز باشد، از المان هایی مثل IGBT استفاده می کند تا ولتاژ DC سوئیچ شود. روش سوئیچ در این جا می تواند روش های مثل PWM ، SPWM باشد.
• در مرحله آخر برخی از درایوها در نظر گرفته نمی شود. این شکل موج شبه سینوسی فیلتر شده که هارمونیک های اضافی هم حذف می شود.

به طور کلی می توان گفت که درایوها کاربردهای مختلفی از جمله در سیستم های سروو و کنترل کننده دور موتور با فیدبک مثبت در الکترو موتورهای AC و DC استفاده می شود.

نحوه کار درایو AC در مکانیزم تبدیل انرژی

درایو AC یک مبدل توان است و توانایی تبدیل ولتاژ و فرکانس ثابت منبع تغذیه را دارد. در واقع مدار تبدیل توان در یک درایو AC شامل یک سو سازی، مدار میانی، و قسمت درایو است. از مدار میانی زمان تبدیل انرژی برای حذف ریپل های اضافی و نرم کردن ولتاژ DC است. در مرحله بعد توان متناوب ورودی توسط بخش یک سو سازی و مدار میانی به توان DC بسیار نرم و ثابت تبدیل می شود. سپس در مرحله سوم ولتاژ مستقیم توسط بخش درایو به ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل شده و به الکتروموتور اعمال می گردد. به طور کلی طی مقایسه ای که بین صنعت انرژی های تجدید پذیر و خودروهای الکتریکی در فرایند تبدیل انرژی در درایو AC انجام شده، نتیجه زیر را می توان استنباط کرد:

مکانیزم تبدیل انرژی در یک درایو ، سیستم های خورشیدی، تولید کننده های مقیاس کوچک مانند توربین های بادی، آبی، زمین گرمایی، حرارت خروجی کارخانه ها، درایوهایی که در خوردوهای الکتریکی با یک دیگر یکسان است.