اینورتر (درایو) چیست و چه کاربردهایی دارد؟

درایو یک تجهیز الکتریکی است که توسط آن می‌توانیم با تغییر ولتاژ و یا فرکانس خروجی، بر روی انواع موتورهای الکتریکی از قبیل AC یاDC  کنترل داشته باشیم. در این مطلب سعی شده اطلاعات مهم که در زمان خرید اینورتر باید در نظر گرفته شود را مرور کنیم.

مزایای استفاده از اینورتر

• مصرف بهینه انرژی
• کم کردن استهلاک مکانیکی
• کنترل سرعت
• کنترل گشتاور
• کنترل موقعیت
• کم شدن صدای موتور در حد قابل توجه
• عدم نیاز به بانک خازنی

در واقع دلیل استفاده از درایو، کنترل سه پارامتر سرعت، گشتاور و موقعیت و رفع محدودیت‌ها در حالت راه‌اندازی به صورت مستقیم است. با کمک درایور سرعت نامی موتور را از پایین تا بالا در هر محدوده سرعتی می‌توان کنترل کرد که در نبود درایو باید از همان سرعت ثابت و نامی موتور استفاده شود.

کاربرد اینورتر در صنعت چیست؟

درایو چیست و در صنعت چه کاربردی دارد؟ از سوالات پر تکرار هنرجویان و افرادی که تازه پا به عرصه اتوماسیون صنعتی گذاشته‌اند است. امروزه دیگر در تمامی صنایع و واحدهای صنعتی که الکتروموتور در آن‌ها دخیل است وجود درایو الزامی است. برای مثال درایو با کنترل سرعت یک هواکش یا فن شدت جریان هوا را کم و زیاد می‌کند یا در سیستم نوار نقاله با تنظیم سرعت یک کانوایر باعث می‌شود بهترین بهره‌وری را از خط تولید داشته باشیم. تا چند سال پیش آسانسورها زمانی که شروع به حرکت می کردن یک شوک به کابین و نفرات داخل کابین وارد می‌کردند که همین باعث استهلاک و خرابی‌هایی در اسانسور به وجود می‌آورد که امروزه با استفاده از اینورتر یا درایو این راه‌اندازی به صورت نرم اتفاق می‌افتد.

کاربردهای دیگر درایو صنعتی

جرثقیل‌‌ها، میکسرها، دستگاه‌های اکسترودر، دستگاه‌های سنگ شکن، پرس‌های صنعتی، سیستم‌های بوستر پمپ و آبرسانی، سیستم‌های برودتی، فن‌ها و همچنین دستگاه‌های چاپ و لمینت اشاره کرد. به بیان دیگر هرجا که الکتروموتور وجود داشته باشد شما نیازمند استفاده از درایو به دلیل قابلیت‌های فراوان آن هستید.

تفاوت اینورتر و درایو در اتوماسیون صنعتی

اینورتر به معنی یک مبدل است که در حقیقت وظیفه‌ی تبدیل یک پارامتر به پارامتر دیگر دارد. به عنوان دیگر می‌توانیم بگوییم اینورتر جزئی از درایو است که وظیفه تبدیل ولتاژ DC  به ولتاژ AC را دارد. اما در ایران درایو را با نام اینورتر یا کنترل دور موتور بیشتر می‌شناسند پس در اصل این‌ها الفاظی هستند که به یک تجهیز یا دستگاه اشاره می‌کند که منظور همان درایو AC است. پس می‌توان گفت: به درایوها با توجه به نوع پروژه ممکن است نام‌های دیگری اطلاق شود :

• درایو فرکانس متغییر(Variable Frequency Drive)VFD
• درایو دور متغییر(Variable Speed Drive)VSD
• مبدل فرکانس(Frequency Control)FC
• ولتاژ متغییر و فرکانس متغییر(Variable Voltage Variable Frequency)VVVF
• Inverter
• AC Drive

به طور عمده دو نوع اصلی از درایوهای الکتریکی به شرح زیر وجود دارد:

• درایو AC
• درایو DC

درایو AC  چیست؟

درایو AC ورودی تک فاز یا سه فاز را با استفاده از مدار یکسوکننده و فیلتر صافی به یک ولتاژ DC تبدیل می‌کند و سپس با تبدیل دوباره به ولتاژ AC مدوله شده به موتور اعمال می‌کند. AC Supply → Converted to DC → Again Inverted to AC → Electric Motor انواع مختلف درایوهای AC بر اساس یک اصل کار می‌کنند، یعنی ولتاژ و فرکانس ثابت را، به ولتاژ و فرکانس متغییر تبدیل می‌کنند که برای کنترل کامل موتورهای AC استفاده می‌شود.

درایو DC  چیست؟

درایو DC برای کنترل سرعت موتورهای DC است این نوع درایو منبع AC ورودی را با استفاده از مدار یکسوکنندهای دیودی و تریستوری برای کنترل سرعت موتور به DC تبدیل می‌کند. AC Supply → Converted to DC → Electric Motor

چرا از درایو یا VFD استفاده می‌کنیم؟

با توجه به فرمول پایین فرکانس با سرعت چرخش موتور ارتباط مستقیم دارد. هر چقدر فرکانس کاری ما بیشتر باشد، سرعت چرخش موتور  (rpm)نیز بیشتر می‌شود. اگر فرکانس را 60 هرتز در نظر بگیریم (مانند آمریکا ،کانادا) یک موتور AC دو قطبی استاندارد که در این فرکانس کار کند سرعت نامی 3600 دور در دقیقه را فراهم می‌کند.  با توجه به فرمول بالا و ثابت بودن فرکانس شبکه برق اگر در پروژه‌ایی موتورها به سرعت‌های کمتری نیاز داشته باشد، که معمولا هم همینطور است چه راه کار هایی پیش رو داریم؟ به مثال‌های زیر توجه کنید.   استفاده از کاهنده‌های سرعت مکانیکی مانند گیربکس کاهنده در تصویر پایین یک گیربکس به موتور متصل است که با افزایش گشتاور، سرعت خروجی را کاهش‌ می‌دهد.    روش بالا نیاز به روغن کاری دارد و همچنین انعطاف پذیری کمتری نسبت به درایو دارد و اگر شفت موتور دارای طول زیادی باشد ممکن است این روش مناسب نباشد.   استفاده از موتور با قطب های بیشتر   با افزایش قطب‌های موتور نیز می‌توان سرعت موتور را کاهش داد بدون اینکه تغییری در دیگر پارامترهای موتور ایجاد کنیم.استفاده از درایور (VFD) با استفاده از درایو توانایی در تغییر ولتاژ و فرکانس را داریم و همچنین می‌توانیم پیکربندی خاص و ایده‌آل را در پروژه پیاده سازی کنیم و موتور مطابق با نیاز بار (سرعت و ولتاژ مورد نظر) کار کند.یکی از ویژگی‌های مهم درایو این است که با تغییر سرعت موتور در یک برنامه خاص، درایو به سادگی می‌تواند سرعت موتور را افزایش یا کاهش دهد تا نیازهای عملیاتی جدید را برآورده کندکه اینکار با روش‌هایی که در بالا نام بردیم امکان پذیر نیست. استفاده از VFD ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری گسترده است.   تشریح بلوک دیاگرام مداری درایو   ترانس جریان   المان‌های مشخص شده در تصویر پایین، ترانس جریان یا در اصطلاح CT  نام دارند.

این ترانس جریان‌های فشار قوی را به جریان‌های پایین تری تبدیل می‌کنند تا جریان توسط یک آمپرمترساده قابل اندازه گیری باشد و درواقع نقش یک جداساز الکتریکی را بازی می‌کند. نقش ترانس جریان در مدار پایین به‌عنوان یک مقایسه‌گر جریان است در واقع با القای جریان ورودی در دو ترانس خروجی با توجه به نرخ تبدیل ترانس تشخیص می‌دهند که جریان ورودی نرمال هست یا خیر تا اقدامات ایمنی تعریف شده در مدار راه ‌اندازی شود.  یکسوکننده یا اینورتر شش پالسه   اولین طبقه مداری در درایو مبدل AC to DC  می‌باشد که از شش دیود تشکیل شده است هر زمان که ولتاژ قطب مثبت دیود بزرگتر از قطب منفی شود جریان را از خود عبور می‌دهد در تصویر پایین مشاهده می‌کنیم که زمانی که فاز A از دو فاز دیگر بزرگتر است دیود متصل به آن جریان را عبور می‌دهد در وحله بعد فازB  بزرگتر از دو فاز دیگر است دیود متصل به آن جریان را عبور می‌دهد همین امر برای فاز C  و سه دیودی که در پایین قرار دارند با منفی شدن فاز هم اتفاق می‌افتد که در نهایت یک جریان DC ریپل دار تمام موج ساخته می‌شود.    فیلتر و بافر DC فیلتری که در بلوک اصلی با یک مقاومت و یک خازن دیده می‌شود در واقع چندین مقاومت و خازن بصورت سری و موازی است. در این نوع فیلترها که خازن با خروجی یکسوساز و بار خروجی موازی است و مقاومتی با خازن سری نیست خازن در لحظه شارژ می‌شود و در زمانی که خروجی یکسوساز بیشتر نیم سیکل خود را طی کرده و به سمت پایین آمدن است اینجا خازن وارد عمل شده و با تخلیه‌ی شارژ خود در بار خروجی باعث می‌شود ولتاژ خروجی صاف و رگوله شود این صافی‌ها اجازه عبور ولتاژ DC را از خود نمی‌دهند اما ولتاژ AC را بای‌پس یا به‌صورتی عبور می‌دهند.اگر ظرفیت خازن‌ها بسیار بالا باشد در برابر سیگنال AC امپدانس کمی خواهند داشت و در برابر سیگنال  DC بلعکس که باعث می‌شود ولتاژ رسیده به بار صاف باشد. همانطور که در بالا گفتیم خازن‌ها در ابتدا امپدانس کمی دارند این باعث می‌شود جریان هجومی اولیه به مدارات یکسوکننده آسیب رساند برای جلوگیری از این رخداد باید مدار محدود کننده‌ای قبل از صافی قرار دهیم تا سرعت شارژ خازن را کاهش دهد. بخش IGBT  یا مبدل DC to AC وخروجی PWM این قسمت از شش المان به نام IGBT (ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده) تشکیل شده است.

خروجی درایو در واقع یک ولتاژ AC نیست بلکه توسط کلید زنی ترانزیستورها یک موج مربعی عرض متغییر ایجاد می‌شود. یعنی ولتاژ مستقیم خروجی صافی فیلتر را به ولتاژ متناوب مدوله شده با عرض پالس (PWM) تبدیل می‌کند. اگر بخواهیم به صورت ساده IGBT را توضیح بدیم یک کلید ساده است که با تحریک پایه گیت آن اجازه عبور جریان را از پایه کلکتور به پایه امیتر میدهد. زمانی که ولتاژ گیت مثبت شود جریان جاری و ولتاژ گیت منفی شود جریان قطع می‌شود . این کلیدها البته قابلیت خاموش روشن شدن چندین هزار بار در ثانیه را دارند .این ترانزیستورها توسط واحد کنترل که وظیفه تولید پالس دارد خاموش و روشن می‌شوند. نحوه سوئیچینگ واحد کنترل به تنظیمات پارامترهایی که در درایو تعریف کرده‌ایم بستگی دارد. با فرض ترانزیستورها بعنوان کلید، سه کلید بالا در سمت مثبت باس DC و سه کلید پایین در قسمت منفی باس DC قرار می‌گیرند. بنابراین وقتی یکی از کلیدهای بالا وصل شود ولتاژ و فاز در خروجی مثبت ظاهر می‌شود و از طرف دیگر کلید‌های پایین وصل شوند فاز و ولتاژ مصرف کننده منفی می‌شود. پس واحد کنترل می‌تواند با باز و بسته کردن کلیدها فاز و فرکانس سیگنال خروجی اینورتر را کنترل کند.