درایو چیست؟ راهنمای جامع درایوهای صنعتی، نحوه کار و انواع آن‌ها

اگر برایتان سوال شده است که درایو چیست، باید بگوییم درایو یک وسیله الکترونیکی برای کنترل عملکرد موتور الکتریکی است . در درایوهای AC، این کنترل معمولاً با تغییر فرکانس و ولتاژ خروجی انجام می‌شود تا سرعت و گشتاور موتور متناسب با نیاز فرایند تنظیم شود.
در این راهنما با ساختار داخلی و طرز کار درایو، تفاوت آن با اینورتر، انواع درایو، کاربردها، مزایا، محدودیت‌ها و نکات مهم انتخاب یک درایو صنعتی آشنا می‌شوید.

اینورتر یا درایو چیست و دقیقا چه کاری برای موتور انجام می‌دهد؟

در پاسخ به سؤال درایو موتور چیست باید بگوییم، درایو واسطه‌ای میان منبع تغذیه و موتور است که توان الکتریکی ورودی را به شکلی متناسب با نیاز موتور و فرایند کنترل می‌کند. در یک VFD متداول، برق AC ابتدا به DC تبدیل می‌شود، در بخش DC Link تثبیت می‌شود و سپس بخش اینورتر دوباره آن را به خروجی AC با فرکانس و ولتاژ کنترل‌شده تبدیل می‌کند. ساختار کلی درایوهای AC معمولاً از Rectifier، DC Link و Inverter تشکیل می‌شود.
در حوزه برق و اتوماسیون صنعتی، وقتی از درایو یا گاهی درایور موتور صحبت می‌کنیم، منظور تجهیزی برای کنترل موتور است؛ نه Driver نرم‌افزاری کامپیوتر.
همچنین اصطلاحاتی مانند VFD یا Variable Frequency Drive، Variable Speed Drive و AC Drive بسته به نوع تجهیز و کاربرد استفاده می‌شوند. البته همه انواع درایور موتور از نظر ساختار و شیوه کنترل یکسان نیستند و نوع موتور نقش مهمی در انتخاب درایو دارد.

تفاوت اینورتر و درایو چیست؟

برای بسیاری از افراد سوال است که اینورتر و درایو یعنی چی و چه تفاوتی باهم دارند؟ در جواب باید گفت از نظر فنی، اینورتر (Inverter) بخشی است که DC را به AC تبدیل می‌کند، در حالی که یک درایو AC کامل علاوه بر بخش اینورتر، معمولاً شامل یکسوکننده، DC Link، مدار کنترل و بخش‌های حفاظتی نیز هست. با این حال در بازار ایران اصطلاح اینورتر معمولاً برای همان VFD یا AC Drive به کار می‌رود؛ بنابراین در بسیاری از مکالمات صنعتی این دو واژه عملاً به یک محصول اشاره دارند.
برای بررسی جزئی‌تر معماری، اصطلاحات و تفاوت اینورتر و درایو می‌توانید مقاله تخصصی این موضوع را مطالعه کنید.
بهتر است بدانید، درایو با سافت‌استارتر نیز یکسان نیست. سافت‌استارتر عمدتاً برای کنترل فرایند راه‌اندازی و توقف موتور استفاده می‌شود، در حالی که VFD امکان کنترل سرعت موتور در حین کار را نیز فراهم می‌کند. برای آشنایی کامل با تفاوت سافت استارتر و اینورتر روی لینک کلیک کنید و در مورد این موضوع بیشتر بدانید.

درایو چگونه کار می‌کند؟ بررسی طرز کار درایو از ورودی تا موتور

برای درک بهتر طرز کار درایو بهتر است مسیر برق را از ورودی دستگاه تا خروجی موتور دنبال کنیم. در یک درایو AC متداول، برق ورودی ابتدا در بخش یکسوکننده به DC تبدیل می‌شود، سپس وارد DC Link شده و در نهایت بخش IGBT با استفاده از کلیدزنی PWM، خروجی موردنیاز موتور را ایجاد می‌کند.
طبق تصویر زیر می‌توان این مسیر را به‌صورت ساده برای طرز کار درایو نمایش داد:
AC Input → Rectifier → DC Link → Inverter/PWM → Motor

ترانس جریان یا سنسور جریان در درایو و نقش آن در حفاظت

در بخش پایش و حفاظت درایو، جریان باید اندازه‌گیری شود تا واحد کنترل بتواند شرایط غیرعادی مانند اضافه‌جریان را تشخیص دهد. بسته به طراحی و توان درایو، این اندازه‌گیری می‌تواند توسط CT، سنسورهای جریان یا مدارهای اندازه‌گیری دیگری انجام شود؛ بنابراین وجود و محل CT در تمام درایوها یکسان نیست.
سیگنال اندازه‌گیری‌شده به بخش کنترل منتقل می‌شود و با حدود و الگوریتم‌های حفاظتی دستگاه مقایسه می‌شود. در صورت عبور جریان از شرایط مجاز تعریف‌شده برای آن درایو، سیستم کنترل می‌تواند خروجی را محدود یا در شرایط لازم تریپ کند.

یکسوکننده ۶ پالسه در درایو؛ تبدیل AC به DC

در بسیاری از درایوهای سه‌فاز متداول، اولین مرحله قدرت یک Rectifier یا یکسوکننده است. در ساختار کلاسیک شش‌پالسه، شش دیود به‌صورت پل سه‌فاز قرار می‌گیرند و ولتاژ AC شبکه را به ولتاژ DC پالسی تبدیل می‌کنند.
با تغییر لحظه‌ای ولتاژ سه فاز، دیودهای مختلف هدایت می‌کنند و در خروجی یک ولتاژ DC دارای Ripple ایجاد می‌شود. این ولتاژ هنوز برای تغذیه مستقیم بخش اینورتر به اندازه کافی صاف نیست و به همین دلیل وارد DC Link می‌شود. ساختار یکسوکننده، DC Link و اینورتر از معماری‌های متداول VFD است.

DC Link و نقش خازن‌های درایو در تثبیت ولتاژ

در مرحله بعد، خازن‌های DC Link بخش مهمی از ریپل ولتاژ خروجی یکسوکننده را کاهش می‌دهند و یک باس DC نسبتاً پایدار برای قسمت اینورتر فراهم می‌کنند.
ظرفیت بالای خازن‌های باس DC باعث می‌شود هنگام وصل اولیه برق، امکان ایجاد جریان هجومی یا Inrush Current وجود داشته باشد. به همین دلیل در طراحی درایو، مدار شارژ اولیه یا Pre-charge برای محدود کردن جریان شارژ خازن‌ها استفاده می‌شود.

بخش IGBT در درایو؛ تبدیل DC به خروجی PWM

پس از DC Link، نوبت به بخش Inverter می‌رسد. در بسیاری از درایوهای Low Voltage، سوئیچ‌های نیمه‌هادی مانند IGBT با سرعت بالا قطع و وصل می‌شوند و با تکنیک Pulse Width Modulation یا PWM، ولتاژ موردنیاز موتور را تولید می‌کنند.
در یک پل سه‌فاز متداول، شش سوئیچ قدرت سه فاز خروجی را تشکیل می‌دهند. واحد کنترل با تعیین زمان روشن و خاموش شدن سوئیچ‌ها، فرکانس مؤثر و ولتاژ اعمال‌شده به موتور را مدیریت می‌کند.
بنابراین شکل موج ولتاژ روی ترمینال خروجی VFD یک سینوسی خالص شبکه نیست، بلکه مجموعه‌ای از پالس‌های PWM است که مؤلفه اصلی آن برای کنترل موتور استفاده می‌شود.

چرا از درایو یا VFD برای کنترل سرعت موتور استفاده می‌کنیم؟

سرعت موتور AC به فرکانس و تعداد قطب‌ها وابسته است. سرعت سنکرون از رابطه Ns = 120f / P به دست می‌آید. در این رابطه، Ns سرعت سنکرون، f فرکانس و P تعداد قطب‌هاست. در موتورهای القایی، سرعت واقعی به دلیل وجود لغزش (Slip) کمی کمتر از سرعت سنکرون است؛ بنابراین با تغییر فرکانس توسط VFD، سرعت موتور نیز تغییر می‌کند.
برای مثال، اگر در یک پروژه به سرعتی کمتر از سرعت نامی موتور نیاز داشته باشیم، چند راهکار اصلی پیش روی ما قرار دارد.

روش اول؛ کاهش سرعت موتور با گیربکس

یکی از روش‌ها استفاده از گیربکس کاهنده است. گیربکس با تغییر نسبت انتقال، سرعت خروجی را کاهش می‌دهد و گشتاور خروجی را افزایش می‌دهد.
این روش در بسیاری از ماشین‌آلات کاربرد دارد، اما نسبت به درایو انعطاف کمتری برای تغییر سرعت ایجاد می‌کند و اجزای مکانیکی آن نیز به سرویس و نگهداری نیاز دارند.

روش دوم؛ استفاده از موتور با تعداد قطب بیشتر

با افزایش تعداد قطب‌های موتور، سرعت سنکرون کاهش پیدا می‌کند. این راهکار می‌تواند برای انتخاب یک سرعت نامی مشخص مناسب باشد، اما برای فرایندی که در طول کار به سرعت‌های مختلف نیاز دارد انعطاف VFD را ندارد.

روش سوم؛ کنترل پیوسته سرعت با درایو VFD

VFD با تغییر فرکانس و متناسب‌سازی ولتاژ خروجی، امکان تغییر سرعت موتور را بدون تغییر مکانیکی در سیستم فراهم می‌کند. درایو می‌تواند بر اساس فرمان اپراتور، PLC، سیگنال آنالوگ، شبکه صنعتی یا کنترلر فرایند، سرعت موتور را تغییر دهد.
این قابلیت در نوار نقاله، فن، پمپ، میکسر، ماشین‌آلات تولیدی و بسیاری از سیستم‌های دارای بار متغیر اهمیت زیادی دارد.

انواع درایو ها بر اساس موتور؛ تفاوت درایو AC و DC

یکی از تقسیم‌بندی‌های اصلی انواع درایو، دسته‌بندی آن‌ها بر اساس نوع موتوری است که کنترل می‌کنند. در این تقسیم‌بندی می‌توان دو گروه اصلی AC Drive و DC Drive را بررسی کرد.

درایو AC چیست و چه کاربردی دارد؟

درایو AC برای کنترل موتورهای AC طراحی شده است. در VFDهای متداول، ورودی AC ابتدا به DC و سپس توسط اینورتر به خروجی AC با فرکانس قابل‌کنترل تبدیل می‌شود.
بسته به مدل درایو و موتور، روش‌های کنترلی می‌توانند از V/f ساده تا Sensorless Vector و کنترل‌های پیشرفته‌تر متفاوت باشند. بنابراین قابلیت هر درایو باید از Manual همان سری بررسی شود.

درایو DC چیست و چرا کاربرد آن محدودتر شده است؟

DC Drive برای کنترل موتورهای DC استفاده می‌شود. در سیستم‌های متداول، سرعت موتور DC با کنترل ولتاژ آرمیچر و در بعضی کاربردها جریان میدان مدیریت می‌شود.
درایوهای DC هنوز در برخی ماشین‌آلات قدیمی یا کاربردهای خاص دیده می‌شوند، اما توسعه موتورهای AC و درایوهای برداری باعث شده در بسیاری از پروژه‌های جدید استفاده از AC Drive رایج‌تر باشد.

جدول مقایسه درایو AC و DC

ویژگی	AC Drive	DC Drive
موتور هدف	موتورهای AC سازگار با درایو	موتور DC
پارامتر اصلی کنترل سرعت	فرکانس و ولتاژ/الگوریتم کنترل	ولتاژ آرمیچر و میدان
کاربرد در پروژه‌های جدید	بسیار گسترده	محدودتر
نگهداری موتور	در موتور القایی بدون جاروبک معمولاً کمتر	موتورهای DC جاروبکی نیازمند سرویس جاروبک و کموتاتور هستند
کاربرد رایج	پمپ، فن، نوار نقاله، ماشین‌آلات	تجهیزات قدیمی و برخی کاربردهای خاص

این تقسیم‌بندی تنها یکی از روش‌های بررسی انواع درایو موتور است. درایوها را می‌توان بر اساس ولتاژ، توان، نوع بار، روش کنترل، قابلیت بازیابی انرژی و کاربرد نیز دسته‌بندی کرد.

کاربرد درایو صنعتی در صنایع مختلف چیست؟

در پاسخ به سوال درایو صنعتی چیست باید به کاربرد آن در خط تولید نگاه کرد. هر جا نیاز به تغییر کنترل‌شده سرعت یا گشتاور موتور، هماهنگی موتور با فرایند یا راه‌اندازی نرم وجود داشته باشد، VFD می‌تواند بخشی از راهکار باشد.

مهم‌ترین مزایای استفاده از درایو VFD

استفاده از درایو فقط به کنترل سرعت موتور محدود نمی‌شود و می‌تواند مزایایی مثل کاهش مصرف انرژی، راه‌اندازی نرم‌تر و کنترل بهتر فرایند را هم به همراه داشته باشد.

کاهش مصرف انرژی در پمپ و فن با درایو

یکی از مهم‌ترین مزایای VFD در بارهای گشتاور متغیر مانند پمپ‌ها و فن‌های سانتریفیوژ دیده می‌شود. طبق Affinity Laws، توان موردنیاز این بارها تقریباً با توان سوم سرعت تغییر می‌کند؛ در نتیجه کاهش سرعت می‌تواند مصرف انرژی را به شکل قابل‌توجهی کاهش دهد. میزان واقعی صرفه‌جویی به مشخصات سیستم و نقطه کاری وابسته است.

استارت و استاپ نرم موتور با VFD

در راه‌اندازی مستقیم موتور، جریان و گشتاور گذرا می‌توانند تنش بیشتری به سیستم الکتریکی و مکانیکی وارد کنند. درایو با تعریف Acceleration و Deceleration مناسب، سرعت را تدریجی افزایش یا کاهش می‌دهد و می‌تواند ضربه مکانیکی واردشده به کوپلینگ، گیربکس، تسمه و بخش‌های متحرک را کاهش دهد.

کنترل دقیق سرعت و گشتاور با درایو

VFDامکان تغییر Setpoint سرعت را متناسب با نیاز فرایند فراهم می‌کند. در درایوهای دارای روش‌های کنترلی پیشرفته، کنترل گشتاور نیز دقیق‌تر می‌شود. سطح دقت به نوع درایو، موتور، روش کنترل و وجود یا عدم وجود Feedback بستگی دارد.
کنترل موقعیت نیز قابلیت عمومی همه VFDها نیست و معمولاً به سخت‌افزار، انکودر و الگوریتم کنترلی مناسب نیاز دارد.

اتصال درایو به سیستم اتوماسیون صنعتی

درایو می‌تواند یکی از اجزای اجرایی سیستم کنترل باشد و فرمان Start/Stop، سرعت یا سایر Setpointها را از PLC یا کنترلر دریافت کند. برای شناخت ارتباط PLC، HMI، سنسورها و تجهیزات محرک می‌توانید مقاله اتوماسیون صنعتی چیست را نیز مطالعه کنید.

چالش‌های استفاده از درایو صنعتی

استفاده از VFD در کنار مزایای زیاد، ملاحظات فنی خودش را دارد:

مورد	توضیحات
هارمونیک ورودی	یکسوکننده‌های غیرخطی متداول می‌توانند جریان هارمونیکی از شبکه بکشند. میزان THD به ساختار درایو و سیستم بستگی دارد و در پروژه‌های حساس ممکن است Line Reactor، Passive/Active Filter یا راهکارهای دیگر لازم باشد.
EMI و نویز الکترومغناطیسی	سوئیچینگ سریع بخش قدرت نیازمند کابل‌کشی، ارت و جداسازی مناسب کابل قدرت و فرمان است.
گرما و تهویه	درایو باید مطابق دستورالعمل سازنده و در شرایط دمایی مناسب نصب شود.
کابل طولانی موتور	افزایش طول کابل در برخی سیستم‌ها می‌تواند اثرات dv/dt و Reflected Wave را مهم‌تر کند.
پارامتردهی اشتباه	مشخصات موتور، زمان شتاب، محدودیت جریان و روش کنترل باید متناسب با پروژه تنظیم شوند.
انتخاب نادرست توان	انتخاب درایو صرفاً بر اساس عدد kW و بدون بررسی جریان موتور و نوع بار می‌تواند مشکل‌ساز شود.

رعایت نکات و اصول نگهداری از درایو و اینورتر نیز برای کاهش خرابی‌های ناشی از گرما، گردوغبار، فن معیوب و اتصالات نامناسب اهمیت دارد.

جایگاه درایو در هرم اتوماسیون صنعتی کجاست؟

در یک معماری ساده اتوماسیون، سنسورها اطلاعات فرایند را اندازه‌گیری می‌کنند، PLC یا کنترلر تصمیم می‌گیرد و تجهیزاتی مانند درایو فرمان را به حرکت واقعی موتور تبدیل می‌کنند.
بنابراین VFD معمولاً در لایه Field/Control Equipment و میان سیستم کنترل و الکتروموتور قرار می‌گیرد.
برای مثال:
Sensor → PLC → Drive → Motor → Mechanical Process

راهنمای انتخاب درایو مناسب برای موتور و پروژه

انتخاب VFD را نباید فقط بر اساس توان اسمی موتور انجام داد. قبل از خرید درایو حداقل این موارد باید بررسی شوند:

• نوع موتور و مشخصات پلاک آن
• ولتاژ و تعداد فاز منبع ورودی
• جریان نامی موتور
• نوع بار؛ Constant Torque یا Variable Torque
• گشتاور موردنیاز هنگام راه‌اندازی
• محدوده سرعت موردنیاز
• شرایط اضافه‌بار
• روش کنترل موردنیاز
• نیاز یا عدم نیاز به Encoder
• ورودی و خروجی‌های کنترلی
• پروتکل ارتباطی موردنیاز
• شرایط محیطی، دما و ارتفاع نصب
• درجه حفاظت و شرایط تابلو
• نیاز به Brake Resistor یا واحد ترمز
• خدمات فنی و دسترسی به قطعات

برای بررسی جزئی‌تر این موارد، مقاله راهنمای خرید درایو را مطالعه کنید.

برندهای شناخته‌شده درایو صنعتی در بازار

انتخاب بهترین برند بدون مشخص بودن پروژه امکان‌پذیر نیست. از برندهای شناخته‌شده در حوزه درایو صنعتی می‌توان به Siemens، ABB، Schneider Electric، Danfoss، Yaskawa، Mitsubishi Electric، Delta، LS Electric، Fuji Electric، INVT، Inovance و برندهای دیگر اشاره کرد.
پیش از انتخاب برند بهتر است علاوه بر مشخصات فنی، موجود بودن مدل، دسترسی به Manual، خدمات پس از فروش، امکان تعمیر، قطعات و سازگاری با سیستم کنترل پروژه نیز بررسی شود.

آیا درایو برای سیستم کنترل موتور شما انتخاب مناسبی است؟

در این محتوا به سوال درایو چیه پاسخ دادیم و گفتیم درایو تجهیزی برای مدیریت کنترل‌شده موتور است که در VFDهای AC با تنظیم فرکانس و ولتاژ خروجی، امکان تغییر سرعت و کنترل بهتر عملکرد موتور را فراهم می‌کند. همین قابلیت باعث شده درایو در پمپ، فن، نوار نقاله، ماشین‌آلات تولیدی و بسیاری از سیستم‌های اتوماسیون نقش مهمی داشته باشد.
در سوین صنعت علاوه بر تأمین تجهیزات اتوماسیون و برق صنعتی، خدمات نصب، پارامتردهی و تعمیر تخصصی درایو نیز انجام می‌شود. در بخش تعمیرات، عیب‌یابی اولیه و بررسی بخش‌های قدرت و کنترل پیش از اعلام هزینه انجام می‌شود تا وضعیت تعمیرپذیری دستگاه مشخص شود.

سوالات متداول