وکتور کنترل در درایو؛ یکی از پرکاربردترین مدهای کنترلی

فرض کنید در صنعت فولاد، جرثقیلی می‌خواهد یک پاتیل ۵۰ تنی را از روی زمین بلند کند و به مکان دیگری ببرد. برای این‌کار، موتور باید در لحظه راه‌اندازی زور زیادی داشته باشد تا بتواند جسم را اول از روی زمین بردارد و سپس جابه‌جا کند. می‌دانیم موتور در لحظه راه‌اندازی از سرعت صفر و ولتاژ صفر شروع به کار می‌کند تا به دور و ولتاژ نامی خود برسد. در این حالت، با توجه به نوع بار، به موتور فشار زیادی وارد می‌شود و ممکن است نتواند بار را بلند کند. راهکار چیست؟ چه باید کرد؟

برای حل این چالش باید کاری کنیم که موتور در لحظه راه‌اندازی با ولتاژ بالا شروع به کار کند تا گشتاور مورد نیاز بار تامین شود.

در این شرایط، استفاده از درایو بهترین راه حل است. درایو، تجهیزی برای کنترل صفر تا صد موتور است و مُدهای کنترلی گوناگونی دارد. یکی از مُدهای کنترلی پرکاربرد درایو، که برای حل چالش بالا به کمک ما می‌آید، مُد کنترل‌ بُرداری یا وکتور کنترل (Vector Control) است. در این مقاله، با این مُد کنترلی بیش‌تر آشنا می‌شوید.

پرکاربردترین مدهای کنترلی درایو

موتورها رایج‌ترین ماشین‌های الکتریکی دوار هستند که در صنایع استفاده می‌شوند. به‌طور کلی، در کاربردهای صنعتی، گشتاور و سرعت موتور باید به‌گونه‌ای تنظیم شود که نیاز بار را برطرف کند. 

درایو با توجه به مدهای کنترلی که دارد، به‌خوبی می‌تواند تنظیم سرعت و گشتاور را متناسب با نیاز پروژه برعهده بگیرد. مهم‌ترین و پرکاربردترین مدهای کنترلی درایو عبارت‌اند از: 

مُد کنترلی ولتاژ به فرکانس (V/F: Voltage per Frequency)

در مد کنترلی ولتاژ به فرکانس که به آن V/F هم می‌گویند، ولتاژ و فرکانس با هم رابطه مستقیم دارند. یعنی با افزایش یا کاهش فرکانس، ولتاژ هم زیاد یا کم می‌شود. یعنی در فرکانس ۰‌ هرتز، ولتاژ ۰ ولت و در فرکانس ۵۰ هرتز، ولتاژ نامی به موتور اعمال می‌شود. این مد کنترلی در فن‌ و پمپ‌ها به شدت کاربرد دارد.

 اگر می‌خواهید در این باره بیشتر بدانید مقاله «مد کنترلی v/f درایو» را بخوانید.

مُد کنترل برداری (Vector Control)

در مد وکتور کنترل، سرعت و گشتاور موتور به‌صورت جداگانه و مستقل از یکدیگر کنترل می‌شوند. این عمل توسط مدارهای داخلی درایو و با تجزیه برداریِ جریان خروجی درایو انجام می‌شود. در ادامه نحوه عملکرد این مد را بررسی می‌کنیم.  

نحوه عملکرد مد وکتور کنترل 

زمانی که موتور به شبکه وصل می‌شود، جریان استاتور (Is)، یک میدان مغناطیسی دوار به‌وجود می‌آورد. همان طور که می‌دانید با قرار‌گرفتن روتور در میدان مغناطیسی دوار استاتور، در روتور ولتاژ القا می‌شود. این ولتاژ، باعث جاری شدن جریان (Id) در هادی‌های آن می‌شود. به Id جریان مغناطیس‌شوندگی می‌گویند.

مد وکتور کنترل بر این اساس کار می‌کند که جریان استاتور از ۲ جزء تشکیل شده است:

۱. جریان مغناطیس‌شوندگی روتور (Id): جریانی که باعث جاری شدن شار و مغناطیس شدن روتور می‌شود.

۲. جریان تولیدکننده گشتاور (Iq): جریانی که باعث تولید گشتاور در روتور می‌شود.  

مد کنترل‌برداری، مدارهای الکترونیکی بسیار پیچیده ای دارد، اما به زبان ساده بر این اساس است که ابتدا مدل سه فاز موتور القایی را به دو سیم پیچ عمود بر هم تبدیل می‌کند و سپس جریان این دو سیم‌پیچ را کنترل کند. برای مثال، فرض کنید موتور القایی با سه سیم‌پیچ داریم که سه فاز R,S,T به آن وصل شده است. (شکل ۱) 

مد وکتور کنترل، سه سیم پیچ را بر‌حسب مقدار جریان مغناطیس‌شوندگی روتور (Id) و جریان تولیدکننده گشتاور (Iq) (شکل ۲) به دو سیم پیچی عمود بر هم تبدیل می‌کند.

شکل ۱- مدل سه فاز موتور القایی

شکل ۲- مدل دو‌بعدی موتور در مد وکتور کنترل

با توجه به این توضیحات با تغییر دامنه جریان استاتور به‌راحتی می‌توان جریان و گشتاور خروجی را مستقل از فرکانس کنترل کرد.

قبل از این که انواع مد وکتور کنترل را بررسی کنیم، لازم است تا با سیستم‌های کنترلی آشنا شوید.

فرایند کنترل سیستم

هر سیستم کنترلی از ۳ بخش تشکیل شده است:

• ورودی کنترل کننده (Controller Input)
• کنترل کننده فرایند (Process Controller)
• خروجی کنترل کننده (Controller Output)

برای مثال، فرض کنید می‌خواهید سرعت یک موتور را به‌وسیله درایو و با توجه به باری که به شفت موتور وصل است کنترل کنید. مد کنترلی که در درایو برای کنترل سرعت موتور انتخاب کرده‌اید، کنترلر سیستم است. جریانی که درایو از ترانس‌های جریان داخلی درایو (CTها) نمونه‌برداری می‌کند، ورودی کنترلر است و جریان و ولتاژی که درایو به موتور می‌دهد، خروجی کنترلر خواهد بود.

سیستم‌های کنترل به دو دسته تقسیم می‌شوند:

سیستم‌های کنترلی حلقه باز (Open Loop Control)

در این سیستم، کنترلر سیگنال ورودی را دریافت می‌کند و با توجه به برنامه نوشته شده و فرمول‌های ریاضی در کنترلر سیگنال خروجی را صادر می‌کند. این سیستم‌ها تحت تاثیر خطا و نویز هستند و معمولاً سیگنال خروجی آن‌ها دقیق نیست.

شکل ۳- سیستم کنترل حلقه باز

 سیستم‌های کنترلی حلقه بسته (Closed Loop Control)  

در این مدل، یک فیدبک از خروجی سیستم گرفته شده و عمل کنترل بر اساس مقایسه خروجی با یک مقدار مطلوب (SetPoint) انجام می‌شود. از مقایسه خروجی و مقدار مطلوب، سیگنال خطا به دست می‌آید. با توجه به سیگنال خطا، کنترلر، مقدار خروجی را تغییر می‌دهد. 

شکل ۴- سیستم کنترل حلقه بسته

انواع وکتور کنترل

بر اساس مطالب گفته شده در بالا، مد وکتور‌‌‌ کنترل به دو دسته زیر تقسیم می‌شود:

مد وکتور کنترل حلقه بسته (Close-Loop Vector Control یا VC) 

در مد کنترل‌ بُرداری حلقه بسته یک انکودر روی شفت موتور نصب می‌شود. این انکودر موقعیت شفت روتور را تشخیص می‌دهد و یک سیگنال (فیدبک خروجی) به درایو ارسال می‌کند. همچنین درایو با نمونه‌گیری از CTهای داخلی، جریان موتور را اندازه‌گیری می‌کند و این اطلاعات را به کنترل کننده درایو می‌فرستد. کنترلر با توجه به مقدار مطلوب (setpoint) تنظیمی، مقدار دقیق ولتاژ و جریان اعمالی به موتور را  مستقل از فرکانس تنظیم و به موتور اعمال می‌کند.

شکل ۵- مد وکتور کنترل حلقه بسته (VC)

 مد وکتور کنترل حلقه باز  (Sensorless Vector Control یا SVC)

در مد کنترل‌ بُرداری حلقه باز که به آن کنترل‌ بُرداری بدون حسگر نیز می‌گویند، به‌جای استفاده از انکودر (فیدبک خروجی)، از فرمول‌های ریاضی و پارامترهای تنظیم شده در درایو استفاده می‌شود. 

کنترلر، بعد از نمونه‌برداری از جریان و ولتاژ موتور، موقعیت شفت موتور را به‌صورت تقریبی تخمین زده و با اطلاعات به‌دست آمده و معادلات ریاضی که در برنامه درایو نوشته شده است، ولتاژ و جریان جدید را به موتور اعمال می‌کند.

در این مد کنترلی موقعیت دقیق شفتِ موتور را نمی‌دانید، بنابراین برای کمتر شدن خطا باید پارامترهای موتور را خیلی دقیق و صحیح در درایو تنظیم کنید.

شکل ۶- مد وکتور کنترل حلقه باز (SVC)

نکته مهم: 

در هر دو حالتِ بالا حتماً باید درایو اتوتیون (Auto-Tune) شود. اتوتیون یعنی، تمام پارامترهای موتور را (توان مصرفی KW، ولتاژ کاری، سرعت موتور rpm، جریان نامی موتور In و کسینوس فی CosՓ) در درایو ثبت و پارامتر اتوتیون را فعال کنید. 

مهم‌ترین مزیت استفاده از مد وکتور کنترل (Vector Control)

• توانایی تامین گشتاور بالا در لحظه راه‌اندازی

در مد کنترلی V/F درایو، ولتاژ و فرکانس رابطه مستقیم دارند. یعنی با افزایش یا کاهش فرکانس، ولتاژ هم افزایش یا کاهش پیدا می‌کند، به‌ طوری‌ که نسبت V/F ثابت بماند. در لحظه راه‌اندازی، فرکانس از صفر شروع می‌شود و ولتاژ و جریان هم کم خواهد بود و در نتیجه زور موتور کم است. 

در وکتور کنترل این‌گونه نیست و می‌توان در فرکانس کم، ولتاژ و جریان مورد نیاز را به موتور اعمال کرد. این ویژگی در جرثقیل‌ها، بالابرها، ماشین‌های سانتریفیوژ و دستگاه‌های قالب‌گیریِ تزریقی (اکسترودرها) بسیار پرکاربرد است.

برای مثال در جرثقیل‌ها و بالابرها، موتور در لحظه راه‌اندازی زیر بار است و برای به حرکت در آوردن موتور در لحظه سکون نیاز به گشتاور زیادی دارد. به‌راحتی با تنظیم مد وکتور کنترل درایو می‌توان گشتاور مورد نیاز بالابرها و جرثقیل‌ها را تامین کرد.

همچنین در اکسترودرها، برای چرخاندن ماردون و به حرکت درآوردن مواد، نیاز به گشتاور بالا در فرکانس پایین است. این نیاز با تنظیم درایو در مد وکتور کنترل برآورده می‌شود.

جمع بندی 

• درایو، به شرط تنظیم صحیح پارامترها، می‌تواند از صفر تا صد، موتور را کنترل کند.
• درایو، مدهای کنترلی گوناگونی دارد که پرکاربردترین آن‌ها مد کنترلی V/F و وکتور کنترل است. در مد وکتور کنترل، گشتاور مستقل از سرعت موتور کنترل می‌شود و در لحظه راه‌اندازی که فرکانس صفر است، می‌توان به موتور بیش‌ترین گشتاور را اعمال کرد.
• مد وکتور کنترل به دو دسته حلقه باز و حلقه بسته تقسیم می‌شود که بسته به شرایط هر پروژه می‌توان از آن‌ها استفاده کرد.
• در مد وکتور کنترل، اتوتیون کردن درایو الزامی است.

و در پایان، اگر بتوانید با توجه به عملکرد موتور در پروسه، از پارامترهای درایو بهره ببرید، به دنیای بزرگی از بازار کار وارد خواهید شد. آیا می‌خواهید با اعتماد به نفس بالا وارد این بازار کار شوید؟ در دوره درایو من ماهر شرکت کنید. 

اگر دوست دارید نحوه تنظیم پارامترهای درایو برای مد کنترلی وکتور را آموزش ببینید، نظر خود را در پایین این مقاله کامنت کنید.