وکتور کنترل در اینورتر چیست؟ (بررسی نحوه عملکرد آن)

وکتور کنترل در اینورتر

برخی از تولید کنندگان اینورتر صنعتی وکتور کنترل (Vector control) را در داخل اینورتر طراحی و تعبیه می کنند 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 آن ها 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 موضوع 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. اینورترهای 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 اینورترهای 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. در این مقاله قصد داریم درباره مشخصات وکتور کنترل در اینورتر، نحوه عملکرد و مزایای استفاده از آن به صورت مفصل توضیح دهیم.

قابلیت وکتور کنترل در اینورتر

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

ممکن است از کلاس های 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. اینورترهای 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 اینورترهای 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 اینورترهای 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 اینورترهای 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.

انواع وکتور کنترل در اینورتر

مد VC یا مدار بسته

در سیستم‌ های کنترل دور موتور، یکی از پیشرفته‌ ترین روش‌ ها برای دستیابی به دقت بالا در کنترل گشتاور و سرعت، استفاده از مد برداری حلقه بسته یا همان Vector Control (VC) است. در این شیوه، اساس کار بر مبنای دریافت فیدبک از موتور و تحلیل آن برای اصلاح لحظه‌ ای عملکرد درایو بنا شده است. برای تحقق این فرآیند، نصب انکودر به‌ عنوان یکی از اجزای کلیدی، الزامی است. انکودر با اندازه‌ گیری دقیق موقعیت، سرعت و حتی جهت چرخش محور موتور، اطلاعات لازم را در اختیار درایو قرار می‌دهد. این اطلاعات به بخش کنترلی درایو ارسال می‌ شود تا الگوریتم‌ های پیشرفته درون میکروکنترلر بتوانند تصمیم‌گیری‌ های دقیقی درباره میزان ولتاژ، فرکانس و سایر پارامترهای حیاتی انجام دهند.

یکی از مزایای بسیار مهم استفاده از مد VC این است که حتی در دورهای بسیار پایین، می‌ توان گشتاور دقیقی را بدون افت محسوس تولید کرد. این ویژگی برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق گشتاور در سرعت‌ های پایین دارند، مانند جرثقیل‌ ها، بالابرها یا ماشین‌ آلات CNC، بسیار حیاتی است. دقت بالا در کنترل و پاسخ‌ دهی سریع به تغییرات بار از جمله ویژگی‌ هایی است که باعث شده مد VC به‌عنوان یکی از حالت‌ های حرفه‌ ای درایو شناخته شود.

همچنین به دلیل دریافت اطلاعات واقعی از موتور، احتمال خطا یا اختلاف بین عملکرد واقعی و خروجی مطلوب به شدت کاهش می‌ یابد. این روش نسبت به سایر روش‌ های کنترلی پیچیده‌ تر و البته گران‌ تر است، اما در مقابل مزایایی مانند دقت بسیار بالا، عملکرد پایدار و پاسخ‌ گویی سریع در شرایط متغیر، استفاده از آن را در پروژه‌ های حساس توجیه‌ پذیر می‌ سازد. به‌ طور کلی، مد VC بهترین گزینه برای کنترل دقیق موتور در کاربردهایی است که خطا و نوسان در عملکرد قابل‌قبول نیست.

مد SVC یا بدون سنسور مدار باز

مد Sensorless Vector Control (SVC) که به آن برداری بدون سنسور یا حالت مدار باز نیز گفته می‌ شود، یکی دیگر از انواع کنترل برداری در اینورترها است که با وجود سادگی نسبی، عملکرد قابل قبولی ارائه می‌ دهد. برخلاف مد VC که نیاز به نصب انکودر دارد، در مد SVC نیازی به هیچ‌ گونه حسگر خارجی نیست. در این روش، درایو با استفاده از مدل‌ سازی ریاضی رفتار موتور و تحلیل جریان خروجی، اقدام به شبیه‌ سازی موقعیت و سرعت موتور می‌ کند. در واقع، یک مدل نرم‌ افزاری درون درایو ساخته می‌ شود که براساس اطلاعات الکتریکی دریافت‌ شده، تصمیم‌گیری‌ های کنترلی را انجام می‌ دهد.

مزیت اصلی این روش حذف انکودر است که هم باعث کاهش هزینه‌ های نصب و نگهداری می‌ شود و هم سیستم را ساده‌ تر و مقاوم‌ تر در برابر آسیب‌ های فیزیکی می‌ سازد. هرچند که دقت این سیستم نسبت به VC پایین‌ تر است، اما در بسیاری از کاربردهای عمومی صنعتی که دقت مطلق نیاز نیست، به‌ خوبی پاسخ‌ گو خواهد بود. مد SVC معمولاً در تجهیزات مانند فن‌ ها، پمپ‌ ها، کمپرسورها و نوارهای نقاله کاربرد دارد، جایی که کنترل قابل قبول گشتاور بدون نیاز به انکودر کفایت می‌ کند.

در این روش، میکروکنترلر درایو به‌ طور مداوم جریان موتور را اندازه‌ گیری کرده و آن را با الگویی که از موتور در حافظه خود ذخیره کرده مقایسه می‌ کند. در صورت مشاهده اختلاف، تغییرات لازم در فرمان‌ های خروجی اعمال می‌ شود تا عملکرد موتور به وضعیت ایده‌ آل نزدیک شود. این مکانیزم موجب می‌ شود که حتی در نبود حسگر، کنترل نسبتاً دقیقی از گشتاور و سرعت به دست آید. البته باید در نظر داشت که در دورهای بسیار پایین یا در کاربردهایی که بار به‌ طور ناگهانی تغییر می‌ کند، این سیستم دقت مد VC را نخواهد داشت. با این حال، مد SVC به دلیل هزینه کمتر، نصب ساده‌ تر و حذف اجزای مکانیکی، در بسیاری از پروژه‌ ها به‌ عنوان یک انتخاب مناسب و اقتصادی در نظر گرفته می‌ شود.

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 اینورترهای با قابلیت کنترل وکتور بهترین پاسخ برای بسیاری از کاربردها 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. اینورترهای 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 فروش اینورتر در اصفهان و یا در سایر شهرهای دیگر کشور برای اینورترهای AC با قابلیت کنترل وکتور و دراینورتر ای DC در کاربرد های زیر 50 هرتز به صورت رقابتی است.

اینورترهای 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 رساناهای موجود در اینورترهای AC، هزینه پایین تر موتورهای AC مقداری از این اختلاف قیمت را جبران می کند.

معایب استفاده از روش وکتور کنترل در اینورتر

در حالی که اینورترهای با قابلیت کنترل وکتور مزایای بسیاری دارند، اما محدودیت های کمی نیز دارند.

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

• کاربردهایی 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. اینورترهای 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 رگولاتورهای موجود در اینورترهای AC برای ترمز گرفتن زیر بار باید فعال شوند.

• می دانیم که از موتورهای القایی “استاندارد” با اینورترهای 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 شرکت ها برای طراحی موتورهای دارای قابلیت کنترل وکتور با اینرسی کمتر و ویژگی های 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 اینورترها روز به روز گسترده تر خواهد شد. همچنین اینورترهای با قابلیت کنترل وکتور می توانند جایگزین اینورترهای مکانیکی و برقی موجود باشند.

تفاوت مد کنترلی وکتور با V/f

درایوهای فرکانس متغیر یا همان VFD ها به‌طور کلی در دو حالت اصلی کنترل موتور مورد استفاده قرار می‌ گیرند: حالت اسکالر (V/f) و حالت برداری یا وکتور کنترل (VC). در مد اسکالر، پایه عملکرد بر حفظ نسبت مشخصی بین ولتاژ و فرکانس استوار است. در واقع، هرچه فرکانس بیشتر شود، ولتاژ نیز به همان نسبت افزایش می‌یابد تا گشتاور تقریبی موردنیاز موتور تامین شود. این روش ساده و کم‌ هزینه است و در کاربردهایی که نیاز به دقت بالا یا تغییرات ناگهانی بار وجود ندارد، پاسخ‌ گوی نیاز خواهد بود. اما نکته مهم اینجاست که این روش فاقد سیستم بازخورد است، به این معنا که درایو نمی‌ تواند تشخیص دهد که آیا گشتاور خروجی موتور واقعاً مطابق انتظار ایجاد شده یا خیر. بنابراین، در شرایطی مانند کاهش دور موتور یا افزایش ناگهانی بار، عملکرد درایو اسکالر دقیق نخواهد بود و ممکن است گشتاور کافی تأمین نشود. این محدودیت در کاربردهای صنعتی که پایداری گشتاور اهمیت دارد، می‌ تواند مشکل‌ ساز باشد.

در مقابل، مد کنترل وکتور بر پایه فیدبک و تحلیل دقیق وضعیت موتور کار می‌ کند. در این حالت، درایو اطلاعات لحظه‌ ای از موقعیت، سرعت یا جریان موتور را دریافت کرده و بر اساس آن، تنظیمات ولتاژ و فرکانس را به‌ گونه‌ ای انجام می‌ دهد که گشتاور مورد نیاز در هر لحظه دقیقاً فراهم شود. این ویژگی باعث می‌ شود که درایوهای دارای کنترل برداری حتی در دورهای پایین نیز بتوانند گشتاور کاملی ایجاد کنند و در مواجهه با تغییرات ناگهانی بار، عملکردی سریع و دقیق داشته باشند. کنترل وکتور به دلیل استفاده از الگوریتم‌ های پیچیده‌ تر و نیاز به حسگرهای فیدبک، هزینه بالاتری نسبت به روش اسکالر دارد، اما در عوض دقت، پایداری و پاسخ‌دهی بهتر آن در بسیاری از صنایع توجیه‌پذیر است. بنابراین، تفاوت اصلی بین این دو روش در میزان کنترل‌پذیری و دقت آن‌ها در تأمین گشتاور واقعی موتور نهفته است. جایی که اسکالر تنها یک تخمین ثابت ارائه می‌دهد، کنترل برداری با تحلیل شرایط واقعی، تنظیمات خود را به‌صورت پویا تغییر می‌دهد.

کاربردهای وکتور کنترل در اینورتر

در مواردی که قصد خرید اینورتر سه فاز با قابلیت وکتور کنترل را دارید، بسیار مهم است بتوانید در قدم مراکزی معتبری که در این زمینه فعالیت دارند را انتخاب کنید. انتخاب مناسب اینورتر به شما عزیزان کمک می کند تا بتوانید از تمامی قابلیت های آن استفاده کنید.

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و سیستم‌ های دقیق، نیاز به کنترل سرعت و گشتاور موتور با دقت بالا، امری اجتناب‌ ناپذیر است. در چنین مواردی، استفاده از تکنولوژی وکتور کنترل در اینورترها به‌ عنوان یک راهکار هوشمندانه شناخته می‌ شود. این فناوری با فراهم کردن امکان تنظیم دقیق پارامترهای موتور، به اپراتور اجازه می‌ دهد عملکرد سیستم را حتی در شرایط پیچیده و متغیر، در بالاترین سطح پایداری نگه دارد. یکی از رایج‌ ترین کاربردهای وکتور کنترل، در تجهیزات بالابری مانند جرثقیل‌ ها و آسانسورها است. در این نوع ماشین‌ آلات، کوچک‌ ترین خطا در کنترل گشتاور یا سرعت می‌ تواند منجر به لرزش، ناپایداری یا حتی خطرات ایمنی شود، بنابراین استفاده از مد VC یا همان وکتور کنترل با حلقه بسته در این موارد به‌ شدت توصیه می‌ شود.

از طرف دیگر، در صنایعی که موتورهای سنگین و بزرگ با قدرت بالا به کار گرفته می‌ شوند، مانند ماشین‌آلات سانتریفیوژ یا خطوط قالب‌ گیری تزریقی، کنترل روان و بدون شوک گشتاور، اهمیت زیادی دارد. در این شرایط معمولاً به‌ جای استفاده از انکودر و صرف هزینه بیشتر، از مد SVC یا کنترل برداری بدون سنسور استفاده می‌ شود که با وجود سادگی، کنترل مناسبی را ارائه می‌ دهد. همچنین در سیستم‌ هایی مانند نوار نقاله‌ های صنعتی، فن‌ های بزرگ، کمپرسورها و تجهیزات انتقال مواد، استفاده از وکتور کنترل می‌ تواند باعث بهبود بازدهی، کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر موتور شود.

حتی در برخی خطوط تولید که نوسان بار به‌ طور لحظه‌ای اتفاق می‌ افتد، اینورترهای مجهز به کنترل برداری با تحلیل لحظه‌ ای جریان و ولتاژ، می‌ توانند شرایط موتور را به‌ صورت هوشمندانه تنظیم کنند و مانع از بروز توقف یا کاهش عملکرد شوند.

در نهایت وکتور کنترل در اینورتر موجب پایداری سیستم می شود

وکتور کنترل در اینورتر تحولی مهم در دقت و کارایی سیستم‌ های کنترل موتور به شمار می‌ آید. این فناوری با شبیه‌ سازی عملکرد موتورهای DC در موتورهای AC، امکان کنترل مستقل سرعت و گشتاور را فراهم می‌ سازد و موجب پایداری، نرمی حرکت و واکنش سریع سیستم در برابر تغییرات بار می‌ شود. تفاوت میان حالت‌ های VC (با فیدبک انکودر) و SVC (بدون سنسور) نیز امکان انتخاب بهترین روش را بر اساس نوع کاربرد، هزینه و دقت موردنیاز فراهم می‌ کند. امروزه در صنایعی که نیاز به کنترل دقیق، ایمنی بالا و صرفه‌ جویی در انرژی دارند، وکتور کنترل یکی از اجزای کلیدی در طراحی سیستم‌ های حرکتی محسوب می‌ شود. به همین دلیل، شناخت عملکرد و کاربردهای این تکنولوژی برای مهندسان برق و طراحان صنعتی امری ضروری است.