راهنمای انتخاب درایو، نکات مهمی که نباید از آن غافل شوید!
موتور الکتریکی کاربرد بسیار گسترده ای در صنایع مختلف دارد. رفتار متفاوت موتورها چالش هایی را در راه اندازی و کنترل آن ها به همراه دارد. درایو فرکانس متغیر تنها دستگاهی است که قابلیت کنترل عملکرد موتور را دارد. انتخاب درایو مناسب به منظور بهره مندی از قابلیت های این دستگاه ضروری است.
کاربرد گسترده درایو سبب عرضه نمونه های گوناگون از تولیدکنندگان مختلف به بازار شده است. همچنین تنوع بالای موتورهای الکتریکی مورد استفاده در صنایع، سبب تنوع vfd ها شده است. نقش درایو در کاهش مصرف انرژی و همچنین قابلیت کنترل دقیق عملکرد موتور در سایه استفاده از محصول مناسب حاصل می شود.
با در نظر گرفتن چند نکته مهم و برخی پارامترهای عملیاتی می توان از انتخاب نمونه مناسب اطمینان حاصل کرد. با من همراه باشید تا پارامترهای انتخاب درایو را بررسی کنیم.
مقدمه ای بر راه اندازی و کنترل موتور الکتریکی
موتورها نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف دارند. شروع به کار موتورها با چالش های مختلفی همراه است. موتور الکتریکی در لحظه راه اندازی جریان زیادی از شبکه می کشد که به جریان هجومی موسوم است. این جریان هجومی سبب مشکلات مختلفی از جمله افت ولتاژ خط می شود.
افت ولتاژ خط بر عملکرد تجهیزات متصل به شبکه تأثیر می گذارد. از سوی دیگر شروع به کار ناگهانی موتور تنش های مکانیکی را به همراه دارد. این تنش در کاربردهایی مانند نوار نقاله چالش های جدی به همراه دارد.
برای غلبه بر این چالش ها، از روش های راه اندازی موتور سه فاز استاندارد استفاده می شود. هدف همه روش ها کاهش جریان هجومی و تنش های مکانیکی ناشی از شروع به کار موتور است. هر روش با کنترل یکی از مشخصه های عملکردی موتور، جریان هجومی را کاهش می دهد.
برخی از روش های راه اندازی موتور سه فاز عبارتند از:
- راه اندازی مستقیم موتور الکتریکی (DOL)
- راه اندازی به روش ستاره – مثلث (Star-Delta)
- راه اندازی موتور با سافت استارتر
- راه اندازی با درایو فرکانس متغیر (VFD)
در بین این روش ها استفاده از درایو علاوه بر رفع چالش های راه اندازی، امکان کنترل عملکرد موتور را نیز فراهم می کند. بدیهی است در صورت انتخاب درایو متناسب با کاربرد مورد نظر از قابلیت های آن بهره مند خواهید شد. در کاربردهایی که موتور بعد از راه اندازی با سرعت ثابت به کار ادامه می دهد، عموما از سافت استارتر استفاده می شود.
ساختار و عملکرد درایو
درایو فرکانس متغیر (VFD) یک دستگاه الکترونیکی است که راه اندازی، توقف و عملکرد موتور را با تغییر فرکانس و ولتاژ کنترل می کند. درایو با نام های دیگری نیز در بازار شناخته می شود:
- درایو سرعت متغیر
- درایو سرعت قابل تنظیم
- درایو فرکانس قابل تنظیم
- درایو AC
- اینورتر
سرعت موتور الکتریکی طبق رابطه زیر محاسبه می شود:
در این رابطه f نشان دهنده فرکانس و p تعداد قطب الکتروموتور است. تعداد قطب موتور در زمان طراحی و ساخت تعیین می شود. بنابراین تنها روش کنترل دور موتور، کنترل فرکانس است. VFD با کنترل فرکانس کاری، سرعت موتور را کنترل می کند.
در برخی کاربردها موتور باید با سرعتی کمتر از مقدار نامی کار کند. در چنین مواردی با توجه به کنترل اینورتر روی فرکانس کاری موتور، می توان از VFD برای کاهش دور موتور استفاده کرد. به بیان دیگر درایو قادر است سرعت موتور را کم یا زیاد کند!
با انتخاب درایو مناسب می توانید دور (سرعت) موتور را با دقت بالا کنترل کنید. لازم به ذکر است استفاده از درایو چالش هایی را نیز به همراه دارد. استفاده از گزینه نامناسب چالش های سیستم را افزایش می دهد. درایو با کنترل فرکانس ولتاژ اعمال شده به موتور، سرعت چرخش موتور را کنترل می کند.
این دستگاه به عنوان منبع تغذیه با موتور سری می شود. فرکانس خروجی درایو از صفر تا میزان مشخص شده توسط کاربر (set point) قابل تغییر است. درایو می توان فرکانسی به مراتب بیشتر از فرکانس شبکه را به موتور اعمال کند. به عنوان مثال فرکانس خروجی درایو v20 زیمنس تا 550 هرتز است.
چالش های استفاده از درایو
در بخش های قبل به بیان عملکرد و ضرورت انتخاب درایو مناسب پرداختیم. دلایل زیادی می توان برای استفاده از درایو در صنعت بیان کرد. کنترل دقیق عملکرد موتور مزایای گسترده ای برای صنایع دارد. اما باید توجه داشته باشید استفاده از درایو در کنار مزایای زیاد، چالش هایی نیز به همراه دارد:
- ایجاد ولتاژ ضربه ای (سرج)
- ایجاد هارمونیک اضافی در ورودی و خروجی
- ایجاد جریان مخرب بیرینگ
- افزایش دمای موتور
- ایجاد صدای آکوستیک موتور
- محدودیت فاصله موتور تا درایو
- ایجاد نویز الکترومغناطیسی
بدیهی است در صورت استفاده از گزینه نامناسب، با چالش های بیشتری مواجه خواهید شد. انتخاب درایو مناسب، نصب صحیح و استفاده از لوازم جانبی چالش های استفاده از درایو را تا حد قابل قبولی کاهش می دهد. شکل زیر نمایی از تاثیر جریان مخرب بیرینگ را به تصویر کشیده است.
عوامل موثر در انتخاب درایو مناسب
در بخش های قبل به گستردگی کاربرد درایو در صنایع مختلف اشاره کردیم. کاربرد اصلی درایو، کنترل عملمرد موتور الکتریکی است. کنترل دقیق عملکرد موتور الکتریکی به معنای مدیریت فرآیندها با دقت بالا و بهبود کیفیت محصول نهایی است.
از سوی دیگر عملکرد نامناسب درایو سبب اختلال در اجرای فرآیند و کاهش کیفیت یا عدم تولید محصول نهایی می شود. بنابراین عملکرد صحیح درایو از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. اطمینان از عملکرد صحیح داریو به سه پارامتر مهم وابسته است:
- انتخاب درایو مناسب
- نصب و راه اندازی صحیح درایو
- انجام دقیق تنظیمات متناسب با نیازهای فرآیند
در ادامه به معرفی مهمترین پارامترهایی که برای انتخاب درایو باید مورد توجه قرار بگیرند خواهیم پرداخت.
جریان بار کامل موتور
در زمان انتخاب vfd هماهنگی دستگاه با مشخصات کاری موتور ضروری است. اغلب در زمان انتخاب درایو به هماهنگی توان موتور با درایو توجه می شود. اما در نظر گرفتن توان موتور صحیح نیست. براساس استاندارد کاتالوگ نویسی، توان درایو متناسب با موتور چهار قطب (1500 دور) قابل کنترل درج می شود.
به عنوان مثال اگر توان درایوی در کاتالوگ 30 کیلووات درج شده باشد، برای کنترل یک موتور چهار پل 30 کیلو وات مناسب است. اما باید به این نکته دقت کنید که تعداد قطب (پل) موتور بر جریان کاری تاثیرگذار است. براین اساس موتور 30 کیلووات 2 پل جریان نامی کمتر و موتور 30 کیلو واتی 8 پل جریان نامی بسیار بیشتری از نمونه 4 پل دارند.
مهمترین پارامتر انتخاب درایو، جریانی است که مدار قدرت درایو می تواند برای موتور فراهم کند. اگر جریان موتور بیش از حداکثر جریان سخت افزار درایو باشد، درایو می سوزد و یا فالت می دهد. بیشترین جریانی که موتور از درایو می کشد، جریان بار کامل است.
بنابراین باید درایوی انتخاب کنید که امکان تامین جریان بار کامل موتور (و نه جریان نامی) را در حالت کارکرد نرمال داشته باشد. در این صورت کارکرد درایو و موتور به صورت ایمن انجام شده و درایو می تواند جریان موتور را بدون مشکل تامین کند.
نوع کاربری
موتور الکتریکی کاربرد بسیار گسترده ای در صنایع مختلف دارد. هر کدام از موتورها برای کاربری متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله کاربردهای موتور در صنعت می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پمپ
- نوار نقاله
- فن
- کمپرسور
- جرثقیل
- آسیاب
- میکسر و همزن
کاربری های مختلف نیازهای متفاوتی دارند. از اینرو درایو مورد استفاده برای کاربری های مختلف متفاوت است. بعنوان مثال در کنترل پمپ تنظیم میزان خروجی با دبی مطلوب و پاسخگویی به بار متغیر در کوتاه ترین زمان ممکن ضروری است. اما برای کنترل جرثقیل، ثابت نگه داشتن گشتاور و کنترل دقیق سرعت مورد نیاز است.
علاوه بر قابلیت های عملیاتی، برخی از کاربردها به توابع ایمنی ویژه ای نیاز دارند. توجه به نوع کاربری در زمان انتخاب درایو ضروری است. استفاده از درایو در کاربری نامناسب سبب بروز مشکلات ایمنی و اختلال در عملکرد سیستم می شود.
تاثیر شرایط محیطی بر انتخاب درایو
شرایط محیطی بر عملکرد تجهیزات صنعتی تاثیر گذار است. مهمترین عوامل محیطی که در انتخاب درایو باید مورد توجه قرار بگیرند عبارتند از:
- دمای محیط
- میزان رطوبت
- محل نصب (داخل تابلو یا بیرون تابلو)
- نوع خنک کنندگی و وضعیت تهویه
آستانه مجاز هر کدام از پارامترهای محیطی برای عملکرد مطلوب درایو در کاتالوگ و دیتاشیت محصول درج می شود. مقادری آستانه ای برای نمونه های مختلف درایو متفاوت است و جهت اطمینان خاطر باید دیتاشیت محصول با دقت بررسی شود.
عدم رعایت شرایط استاندارد سبب کاهش طول عمر، کاهش کارایی و افت عملکرد درایو می شود. اگر درایو در اتاقی با تهویه مناسب، فشار مثبت و دمای مطبوع کار کند نسبت به نمونه مشابه در دمای بالای 40 درجه و با وجود گرد و غبار عمر و عملکرد بسیار بالاتری خواهد داشت.
درایو فرکانس متغیر حساسیت زیادی به گرما دارد. افزایش دما از مقدار بیشینه استاندارد سبب کاهش جریان دهی درایو یا به بیان دیگر کاهش توان خروجی می شود. همچنین وجود گرد و غبار و رطوبت نیز اثرات سوء غیر قابل انکاری بر بازدهی و توان عملکردی درایو دارد. استفاده از درایو یا تابلوبرق با درجه IP بالا در محیط های سخت ضروری است.
ارتفاع از سطح دریا
عامل محیطی دیگری که در انتخاب درایو باید مورد توجه قرار بگیرد، ارتفاع محل نصب از سطح دریاست. ارتفاع استاندارد برای عملکرد صحیح در دیتاشیت درج می شود. عموما مشخصات فنی درایوها برای ارتفاع 1000 متر از سطح دریا اعلام می شود.
افزایش ارتفاع از سطح دریا سبب کاهش توان عملیاتی درایو می شود. عموما در دیتاشیت درایو میزان تاثیر افزایش ارتفاع بر عملکرد بیان می شود. به عنوان مثال افزایش ارتفاع به میزان 1000 متر سبب کاهش 10 درصدی توان درایو می شود.
در زمان انتخاب درایو باید میزان تاثیر عوامل محیطی بر توان خروجی را محاسبه کنید. سپس مقدار اختلاف توان به دست آمده را به توان استاندارد اضافه کنید. بدیهی است در صورتی که توان به دست آمده در رنج توان استاندارد درایو نباشد، توان استاندارد بالاتر انتخاب می شود.
ورودی و تغذیه
سطح ولتاژ ورودی و خروجی درایو باید با سطح ولتاژ منبع و موتوری که آنرا کنترل می کنند، یکسان باشد. خروجی اغلب درایوها از نوع سه فاز است. تعداد بسیار کمی از درایو با خروجی تکفاز در بازار موجود است. اما در مورد ورودی درایو در توان های پایین داستان متفاوتی را شاهد هستیم.
براساس نوع ورودی و خروجی داریوها به سه گروه کلی تقسیم می شوند:
- درایو سه فاز
- درایو تکفاز
- درایو تکفاز به سه فاز
نمونه های تکاز به سه فاز امکان راه اندازی موتور سه فاز با برق تکفاز را فراهم می کنند. رنج توان این درایوها حداکثر تا 3 کیلووات را پوشش می دهد. توجه به نوع ورودی و خروجی مورد نیاز در انتخاب درایو ضروری است.
قابلیت های ارتباطی و تبادل داده
تبادل داده در محیط های صنعتی امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. کنترل کننده های صنعتی براساس داده های محیطی و شرایط مطلوب اقدام به تصمیم گیری می کنند. تصمیمات اتخاذ شده توسط پی ال سی به عملگرها منتقل شده و تغییرات لازم در اجرای فرآیند ایجاد می شود.
تبادل داده بین تجهیزات باید در بستری استاندارد و مطمئن انجام شود. به منظور اطمینان از انتقال صحیح و به موقع داده ها، از پروتکل های ارتباطی استاندارد استفاده می شود. پروتکل های صنعتی تنوع بالایی دارند و هر درایو از پروتکل های متفاوتی پشتیبانی می کند.
در انتخاب درایو باید پروتکل های ارتباطی درایو مورد توجه قرار بگیرند. عموما از درایوها از چند پروتکل صنعتی مختلف پشتیبانی می کنند. به عنوان مثال خانواده V20 درایو زیمنس از پروتکل های مدباس و USS پشتیبانی می کند.
پروتکل USS به صورت اختصاصی برای ارتباط بین تجهیزات اتوماسیون صنعتی زیمنس توسعه داده شده است. از این پروتکل برای ارتباط پی ال سی 1200 زیمنس با درایو V20 می توان استفاده کرد. علاوه بر پروتکل های ارتباطی، ورودی و خروجی های فرمان درایو نیز در برخی کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند.
ادغام با سیستم موجود
قابلیت ادغام درایو با سیستم موجود از جمله الزامات انتخاب درایو است. این موضوع زمانی که قصد خرید درایو برای یک پروژه در حال کار را دارید از اهمیت بالاتری برخوردار است. ادغام با سیستم موجود از دو منظر قابل بررسی است:
- اگر درایو در داخل تابلو و در کنار سایر تجهیزات نصب می شود، ابعاد درایو جدید باید برابر یا کوچکتر از نمونه قبلی باشد.
- درایو باید قابلیت برقراری ارتباط با سیستم موجود را داشته باشد. در واقع پشتیبانی درایو از پروتکل صنعتی استاندرادی که در سیستم استفاده شده است الزامی است.
آپشن و لوازم جانبی در انتخاب درایو
گاهی اوقات امکانات پایه ای درایو پاسخگویی نیازهای پروژه نیست. برخی از درایوها قابلیت افزودن کارت های توسعه و افزایش قابلیت های عملیاتی را دارند. امکانات اضافی در برخی از پروژه ها فرآیند کار را تسهیل می کنند اما در برخی از کاربردها استفاده از آن ها ضروری است. مهمترین آپشن های درایو عبارتند از:
- فیلتر du/dt
- فیلتر سینوسی
- ماژول های انکودر و اتصال به شبکه های صنعتی
- نرم افزارها و اینترفیس های کاربردی خاص (مانند نرم افزار کنترل جرثقیل و یا پمپ)
- درایوهای بازتولید کننده (Regenerative)
- ترمز و چاپر
توجه با قابلیت توسعه و آپشن های اضافی در انتخاب درایو ضروری است.
ملاحظات قیمتی
قیمت تمام شده همیشه یکی از پارامترهای مهم انتخاب و خرید محصول است. با توجه به اهمیت عملکرد مطمئن درایو برای کنترل موتور و بهینه سازی فرآیندها، هرگز نباید ملاحظات اقتصادی را به عنوان مهمترین پارامتر انتخاب در نظر نگیرید.
از سوی دیگر گزینه های مختلفی با پایداری و کیفیت یکسان وجود دارند که آپشن های اضافی آن ها متفاوت است. افزایش آپشن اضافی سبب افزایش قیمت درایو می شود. در زمان انتخاب درایو باید بین نیازهای پروژه و قیمت تمام شده محصول تعادل برقرار کنید. یعنی اگر چالش قیمت تمام شده دارید، از محصول با کیفیت بالاتر و آپشن های کمتر استفاده کنید.
انتخاب برند درایو
برخی از پروژه ها روی استفاده از تجهیزات برند خاصی تاکید می کنند. اغلب پروژه های بزرگ از این روش استفاده می کنند. دلیل این امر طراحی تابلو برق متناسب با تجهیزات این برند است. علاوه بر این ممکن است درایوهایی با مشخصات مشابه و برند متفاوت در دسترس باشند.
قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد درایوهای مختلف با هم متفاوت است. از اینرو برند محصول نیز می تواند به عنوان یک پارامتر در انتخاب درایو مطرح شود. از جمله برندهای شناخته شده موجود در بازار ایران می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- درایو زیمنس
- درایو اشنایدر
- درایو ABB
- درایو دلتا
- درایو LS
- درایو دانفوس
- و …
جمع بندی انتخاب درایو
کنترل موتورهای الکتریکی از جمله چالش های اصلی اتوماسیون صنعتی است. تنها دستگاهی که کنترل عملکرد درایو فرکانس متغیر را امکانپذیر می کند درایو فرکانس متغیر است. با توجه به تنوع نمونه های موجود در بازار، انتخاب درایو مناسب بسیار ضروری است.
با در نظر گررفتن برخی پارامترهای عملیاتی مهم می توان از انتخاب گزینه مناسب اطمینان حاصل کرد. پس از انتخاب گزینه مناسب به منظور اطمینان از عملکرد مطمئن سیستم لازم است از خرید نمونه اصلی و آکبند اطمینان حاصل کنید. همین الان انواع درایو زیمنس را با ضمانت اصالت کالا و خدمات پس از فروش از زیمنس کالا بخرید.
