وکتور کنترل در اینورتر

برخی از تولید کنندگان اینورتر ها مدارات بیشتری (وکتور کنترل-Vector control) را در داخل اینورتر طراحی و تعبیه میکنند تا از این طریق بتوانند سیگنال های فیدبک حلقه بسته را از انکودرها یا ریزالورها به دست آورند. این مدارات سیگنال ها را از طریق سنسورها رمزگشایی می کنند و آنها را برای رسیدن به سطح مورد نظر مقیاس می کنند.

این ویژگی باعث می شود اینورتر بیشتر شبیه به یک سیستم بسته بندی شود. این ویژگی همچنین باعث می شود تا مهندسین طراح سیستم کاملی را در کنار هم قرار دهند که در آن همه اجزای سازگار باشند. اینورترهای دارای قابلیت کنترل حلقه بسته، اینورتر های وکتور نامیده می شوند. اینورتر های با قابلیت کنترل اسکالر یا V/F می توانند هم به صورت حلقه بسته و هم به صورت حلقه باز راه اندازی شوند.

یادآوری این نکته حائز اهمیت است که اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور (Vector control in the drive) و اسکالر گران تر و دارای ساختار داخلی پیچیده تر نسبت به یک اینورتر ساده هستند.

اینورترهای با قابلیت کنترل وکتور هر دو ویژگی های اینورتر های AC و DC را ارائه می دهند. تکنولوژی جدید الکترونیکی پیچیدگی و هزینه اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور را به طرز چشمگیری کاهش داده است تا آنها را برای استفاده کاربران جدید اماده سازد.

قابلیت وکتور کنترل در اینورتر

اینورتر با قابلیت کنترل وکتور چیست و این نام از کجا سرچشمه گرفته شده است؟ ممکن است از کلاسهای ریاضی به یاد داشته باشید که یک “بردار” هم دارای مقدار و هم دارای جهت می باشد. وکتور کنترل در اینورتر به این نام شناخته می شود، زیرا از یک تنظیم کننده الکترونیکی برای کنترل اندازه و جهت (قدرت و سرعت) شار مغناطیسی در یک موتور AC از طریق حلقه های کنترل مستقل استفاده می کند.

استراتژی کنترل VVVF (ولتاژ متغیر و فرکانس متغیر) اینورتر برای شرایط پایدار یا برای مقدار بار زیاد در کاربرد هایی مانند درایو فرکانس متغیر برای پمپ های آب و فن ها مناسب است که زمان زیادی را برای تغییر سرعت می دهد. اما در بسیاری از کاربردها در دنیای واقعی، بارها، سرعت یا موقعیت ممکن است به طور ناگهانی تغییر کند.

اینورتر های دارای قابلیت کنترل وکتور برای کنترل این شرایط بسیار مناسب هستند. زیرا کنترل مستقیم گشتاور را فراهم می کنند، همچنین دارای توانایی پاسخ داینامیک هستند که ده برابر اینورتر های WVF است.

بلوک دیاگرام در شکل 1، 2 و 3 جزئیات بیشتری درباره شباهت ها و تفاوت های بیناینورتر های دارای قابلیت کنترل وکتور و اینورتر های متداول VVVF را ارائه می دهند.

شکل 1 – تکنولوژی مدولاسیون عرض پالس (PWM)

ابتدا توجه کنید که بخش تبدیل نیرو در شکل 1 نشان داده شده است. این بخش تقریباً برای همه اینورتر های دارای مدولار عرض پالس (PWM)، هم مد کنترلی VVVF و هم مد کنترل برداری مشترک است. برق AC سه فاز از شش دیود ورودی عبور می کند و آن را به ولتاژ ثابت DC تبدیل می کند. برق DC توسط فیلتر خازنی یکنواخت می شود. مجموعه ای از شش ترانزیستور با دیودها در بخش سوئیچینگ کنترل می شوند تا بتوانند برق DC را در برق AC  ولتاژ و فرکانس متغیر تغییر دهند. این برق “AC سنتز شده” برای تغذیه موتور ارسال می شود.

شکل 2 – بلوک دیاگرام ولتاژ / هرتز (V/F)

شکل 2 بلوک دیاگرام ساده ای از تنظیم کننده یک اینورتر VVVF معمولی را نشان می دهد. دستور مرجع سرعت از طریف یک کاربر به یک بلوک رمپ تغذیه می شود تا تغییرات سرعت عملکرد را به رمپ هایی که جریان را محدود می کند آهسته تر کند و فرسودگی دستگاه را کمتر نماید. سپس سیگنال به قسمتی منتقل می شود که هم سرعت تغییر و هم قدرت میدان مغناطیسی در موتور را تعیین می کند. تشخیص این نکته بسار مهم است که فرمان ورودی کنترل تکی سرعت هر دو متغیر را در یک اینورتر VVVF  کنترل کند.

شکل 3 – بلوک دیاگرام وکتور

بلوک دیاگرام تنظیم کننده اینورتر دارای قابلیت کنترل وکتور در شکل 3 نشان داده شده است. دو حلقه کنترل جداگانه اضافه شده است و آن را پیچیده تر می کند. حلقه های کنترل امکان کنترل مستقل از سرعت و قدرت میدان مغناطیسی موتور را فراهم می آورد. همچنین به تنظیم کننده اجازه می دهند سرعت واقعی موتور را اندازه گیری کرده و مقدار گشتاور تولید شده را از نزدیک تخمین بزند.

کنترل اینورتر به روش وکتور دارای مزایای زیاد و قابل توجهی است اگر چه این روش معایبی نیز دارد. در ادامه به شرح مزایا و معایب کنترل اینورتر با روش وکتور می پردازیم.

مزایای استفاده از روش وکتور برای کنترل اینورتر

کنترل وکتور در اینورتر دارای تمام مزایا کنترل VVVF و حتی بیشتر از آن می باشد.

مزایای مشترک کنترل وکتور و VVVF:

• از موتورهای القایی “استاندارد”، کم هزینه استفاده کنید. موتورهای ضد انفجار و سایر ساختار ویژه بطور گسترده ای در دسترس هستند. نیازی به وجود جاروبک ها، یا روتورهای مخصوص “مغناطیس دائم” نیست.
• ضریب توان ورودی بالا (حدود 95٪)، برای کم شدن هزینه برق.
• دارای توانایی ذاتی برای نگه داشتن بارها از طریق بازسازی بدون نیاز به سخت افزار اضافی.
• دارای قابلیت سرعت بالا (6000 دور در دقیقه به راحتی قابل دستیابی است).

سایر مزایای کنترل وکتور که در اینورتر های استاندارد VVVF قابل دستیابی نیست:

• تنظیم سرعت حلقه بسته تا 0.01٪.
• دارای پاسخ داینامیک بالا بیش از 50 رادیان در ثانیه.
• یکنواخت بودن سرعت های پایین ، حتی تحت بارهای متغیر.
• گشتاور شکستگی بالا (150٪ یا حتی 200٪).
• کنترل گشتاور خطی برای کاربرد های موقعیت یا تنشن.

این مزایا باعث می شود اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور بهترین پاسخ برای بسیاری از کاربرد ها باشند.

در مقایسه با درایوهای DC، ضریب توان بالا، قابلیت سرعت بالا و توانایی استفاده از موتورهای القایی از مزایای مهم کنترل وکتور است. برخلاف اینورترهای بدون جاروبک، که به عنوان جایگزین درایوهای DC فروخته می شوند. اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور نیازی به موتورهای مخصوص طراحی شده با روتورهای مغناطیس دائم ندارند.

این جدول مقایسه بین اینورترهای با قابلیت کنترل وکتور و سایر دستگاه ها را نشان می دهد. این مقادیر ممکن است از نظر سازنده های دستگاه های مختلف تا حدودی متفاوت باشد، اما با این وجود اطلاعات و راهنمایی های کلی را ارائه می دهد. قیمت اینورتر برای اینورتر های AC با قابلیت کنترل وکتور و دراینورتر های DC در کاربرد های زیر 50 هرتز به صورت رقابتی است.

اینورتر های AC با قابلیت کنترل وکتور اغلب در اندازه های بزرگتر از درایوهای DC گرانتر هستند. در درجه اول به دلیل گران قیمت تر بودن نیمه رسانا های موجود در اینورتر های AC. هزینه پایین تر موتورهای AC مقداری از این اختلاف قیمت را جبران می کند.

معایب استفاده از روش وکتور کنترل در اینورتر

در حالیکه اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور مزایای بسیاری دارند، اما محدودیت های کمی نیز دارند.

• تقریباً تمام اینورتر های امروزی با قابلیت کنترل وکتور نیاز به فیدبک تاکومتر از موتور دارند. وجود تاکومتر باعث افزایش قیمت موتور AC می شود و هزینه هایی در خصوص نصب، سیم کشی و نگهداری از آن را در پی دارد. با این حال، اینورتر های بدون جاروبک و بسیاری از درایوهای DC نیز در صورت نیاز به تنظیم سرعت بهتر از 1٪ به فیدبک تاکومتر احتیاج دارند.

• بازسازی و احیا در اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور و اینورتر های بدون جاروبک از درایوهای معمولی تریستوری DC دشوارتر است. Snubbers، کیت های جبران مقاومت و پیکربندی های باس همگی برای بازسازی با اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور استفاده شده اند، اما درایوهای DC از این مزیت برای بازسازی یک بخش کم هزینه استفاده می کنند.

• کاربرد هایی که به ترمز داینامیک نیاز دارند (ترمز آهسته بدون عملکرد اینورتر) هنگام استفاده از اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور نیاز به راه حل های مختلفی دارند. اینورتر های DC و بدون جاروبک می توانند به عنوان ژنراتور رگولاتور فعال عمل کنند، تا عملکرد ترمز داینامیک را ارائه دهند. اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور و سایر اینورتر های AC ممکن است، به تزریق ترمز DC یا ترمزهای مکانیکی نیاز داشته باشد، تا عملکردی معادل ترمز داینامیک داشته باشند. این امری ضروری است زیرا رگولاتور های موجود در اینورتر های AC برای ترمز گرفتن زیر بار باید فعال شوند.

• می دانیم که از موتورهای القایی “استاندارد” با اینورتر های با قابلیت کنترل وکتور استفاده می شود. باید به استفاده از موتورهای بهینه شده برای کاربرد گشتاور ثابت توجه ویژه ای داشت. امروزه تولید کنندگان متعددی موتورهای دارای قابلیت وکتور را همراه با تاکومتر و خنک کننده دمنده ارائه می دهند. برخی از شرکتها برای طراحی موتورهای دارای قابلیت کنترل وکتور با اینرسی کمتر و ویژگیهای ویژه ساختاری که منحصراً برای کاربرد سرعت متغیر است. یک گام قدم جلوتر رفته اند و روز به روز درصدد به روز رسانی و پیشرفت این ویژگی هستند.

تکنولوژی کنترل وکتور گامی رو به جلو در صنعت اینورتر ها می باشد و واضح است که استفاده از این نوع اینورتر ها روز به روز گسترده تر خواهد شد. همچنین اینورترهای با قابلیت کنترل وکتور می توانند جایگزین اینورتر های مکانیکی و برقی موجود باشند.