درایور صنعتی چیست و چه کاربردی دارد؟

کاربردهای درایو صنعتی مبتنی بر موتورهای الکتریکی بسیار قدرتمند است که در فن ها، پمپ ها، کمپرسورها، چرخ خیاطی ها و یخچال ها یافت می شوند. موتور الکتریکی سه فاز رایج ترین نوع موتور است و توسط درایوهای مبتنی بر اینورتر مناسب به حرکت در می آید. این می تواند تا 60٪ از کل انرژی مورد نیاز یک صنعت را جذب کند، بنابراین برای درایوها برای ارائه سطوح بازده بالا ضروری است. در کاربردهای برق صنعتی، طراحان الکترونیکی می‌توانند با استفاده از ترانزیستورهای مبتنی بر کاربید سیلیکون (SiC MOSFET) به مزایای فوق‌العاده‌ای دست یابند که نسبت به راه‌حل ‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون مانند IGBT (ترانزیستور دوقطبی دروازه عایق) هزینه کمتری ارائه می‌دهند.

• مبتنی بر اینورتر

متداول ترین مدار درایو صنعتی مبتنی بر اینورتر سه فاز که به طور گسترده در سطح صنعتی استفاده می شود، بر اساس اینورترهای 3 فاز دو سطحی است که عمدتاً از IGBT های گسسته یا ماژول توان استفاده می کنند. شش ترانزیستور قدرت در سه پایه نیمه متصل هستند که AC سه فاز را برای ماشین ‌های الکتریکی یا بارهای دیگر تولید می ‌کنند.

هر نیم پل مجبور است با فرکانس معینی روی یک بار القایی اهمی (موتور) سوئیچ کند تا بتواند سرعت، موقعیت و گشتاور الکترومغناطیسی خود را کنترل کند. ترانزیستورهای IGBT دستگاه های حامل اقلیت هستند که دارای امپدانس ورودی بالا و قابلیت حمل جریان دوقطبی بزرگ هستند. در کاربردهای کنترل موتور، به دلیل ویژگی های بار القایی، اغلب لازم است یک دیود ضد موازی یا چرخ آزاد برای به دست آوردن یک سوئیچ کاملاً کاربردی اضافه شود، اگرچه در برخی موارد خاص دیود چرخ آزاد ضروری نیست.

دیودهای چرخ آزاد که به موازات ترانزیستورهای قدرت قرار می گیرند، بین ترمینال کلکتور و ترمینال امیتر متصل می شوند تا جریان معکوس را هدایت کنند. این دیودها مورد نیاز هستند، زیرا در حین خاموش شدن، یک جریان بار القایی می تواند پیک های ولتاژ بالا ایجاد کند، اگر مسیر مناسبی فراهم نشود. این به نوبه خود می تواند کلید برق را از بین ببرد. دیودهای چرخ آزاد را می توان به صورت یکپارچه ترکیب کرد یا به عنوان یک دیود مجزا در خارج از بسته IGBT اضافه کرد. اگرچه در برخی موارد خاص دیود چرخ آزاد ضروری نیست.

هنگامی که دیود چرخ آزاد در بازیابی معکوس است، جهت جریان جریان آن مانند سوئیچ سمت بالایی است و بالعکس؛ بنابراین، یک فرایند بر روی کموتاسیون روشن رخ می دهد که باعث تلفات انرژی اضافی می شود که بر راندمان کلی تأثیر می گذارد. ماسفت های SiC، به لطف مقادیر بسیار پایین تر جریان بازیابی معکوس و زمان معکوس، امکان کاهش شدید تلفات بازیابی را فراهم می کنند، با بهبود قابل توجهی در کارایی در مقایسه با دیودهای چرخ آزاد همراه با IGBT های مبتنی بر سیلیکون.

الزامات درایو صنعتی

در درایوهای صنعتی، توجه ویژه باید به سرعت کموتاسیون روشن و خاموش شود. در واقع، SiC MOSFET dV/dt می تواند به سطوح بسیار بالاتری نسبت به IGBT برسد. اگر به درستی مورد توجه قرار نگیرد، کموتاسیون بالا dv/dt باعث افزایش ولتاژ در کابل‌ های بلند موتور می‌شود و ممکن است جریان‌ های معمولی و دیفرانسیل ایجاد کند که به مرور زمان باعث خرابی عایق سیم‌ پیچ و یاتاقان ‌های موتور می ‌شود.

حتی اگر فرایند روشن وخاموش سریع ‌تر کارایی را بهبود می‌بخشد، dv/dt معمولی در درایوهای صنعتی معمولاً به دلایل قابلیت اطمینان ذکر شده در 5 تا 10 V/ns تنظیم می‌شود. مقایسه ای که توسط ST بر روی دو ترانزیستور قدرت 1.2 کیلوولت مشابه، یک MOSFET SiC و یک IGBT مبتنی بر Si انجام شده است، ثابت کرده است که دستگاه SiC MOSFET می تواند اتلاف انرژی بسیار کمتری را برای روشن و خاموش کردن، در مقایسه با Si IGBT، داشته باشد.

• ویژگی های استاتیکی و دینامیکی

با استفاده از انواع مشابه ترانزیستورها، تجزیه و تحلیل انجام شده توسط ST در درایوهای صنعتی امکان مقایسه منحنی های مشخصه (یا ولتاژ-جریان) را در عملکرد استاتیک و دینامیکی فراهم می کند.

• شبیه سازی الکترو حرارتی

به منظور مقایسه SiC MOSFET و Si IGBT زمانی که در یک برنامه درایو صنعتی معمولی کار می کنند، یک شبیه سازی الکترو حرارتی انتخاب بهتری است. در درایوهای صنعتی با توجه به تحلیل ST، این شبیه ‌سازی با استفاده از ابزار نرم‌افزاری اختصاصی PowerStudio انجام شده است. این نرم افزار تجزیه و تحلیل توان و حرارتی جامعی را ارائه می دهد که می تواند عملکرد دستگاه را پیش بینی کند، طراحی راه حل را کوتاه کرده و در زمان و منابع صرفه جویی می کند. علاوه بر این، این ابزار به انتخاب دستگاه مناسب متناسب با مشخصات ماموریت برنامه کمک می کند.

ST PowerStudio بر اساس یک مدل الکتریکی و حرارتی داخلی بسیار دقیق برای هر دستگاه ساخته شده است و به لطف یک محاسبه تکراری، با در نظر گرفتن اثرات خود گرمایشی، تخمین بسیار دقیقی از تلفات برق و دمای محل اتصال و کیس ارائه می‌کند. شبیه‌سازی الکترو حرارتی ST که با PowerStudio انجام شده است ثابت کرده است که با استفاده از ماسفت ‌های SiC می ‌توان به بهره‌ وری انرژی بسیار بهتری دست یافت، بنابراین نیازهای حرارتی هر هیت سینک را با مزایای وزن، فضا و هزینه‌ ها کاهش می‌دهد. راه حل SiC MOSFET تلفات توان کلی بسیار کمتری را در مقایسه با Si IGBT برای شرایط استاتیک و دینامیک و برای سوئیچ و دیود ارائه می دهد

همه چیز در رابطه با درایو صنعتی ‏

• اجزای یک درایو DC

ورودی درایو: برخی از درایوهای DC مبتنی بر تریستور بر روی یک منبع تغذیه تک فاز کار می کنند و از چهار تریستور برای یکسوسازی موج کامل استفاده می کنند. برای موتورهای بزرگتر، منبع تغذیه سه فاز مورد نیاز است زیرا شکل موج بسیار نرم تر است. در چنین مواردی، شش تریستور برای یکسوسازی کامل موج مورد نیاز است.

پل یکسو کننده: جزء قدرتی یک درایو DC کنترل شده، یکسو کننده پل موج است که می تواند توسط منبع تغذیه سه فاز یا تک فاز هدایت شود. همانطور که در بالا ذکر شد، تعداد تریستور ممکن است بسته به ولتاژ تغذیه متفاوت باشد. یک پل شش تریستور (در مورد مبدل سه فاز) منبع AC ورودی را به منبع DC به آرمیچر موتور اصلاح می کند. کنترل زاویه شلیک این تریستورها ولتاژ موتور را تغییر می دهد.

واحد تغذیه میدان: در رابطه با درایو صنعتی توان اعمال شده به سیم پیچ میدان بسیار کمتر از توان آرمیچر است، بنابراین، اغلب منبع تغذیه تک فاز ارائه می شود. یک پل تریستور یا یکسو کننده دیود جداگانه برای تامین برق سیم پیچ میدان موتور استفاده می شود. در بسیاری از موارد یک منبع تغذیه دو فاز از ورودی سه فاز (که برق آرمیچر را تامین می کند) گرفته می شود و از این رو محرک میدان در واحد منبع تغذیه آرمیچر گنجانده می شود. وظیفه واحد تامین میدان، تامین ولتاژ ثابت به سیم پیچ میدان برای ایجاد میدان یا شار ثابت در موتور است. در برخی موارد، این واحد با تریستورها عرضه می شود تا ولتاژ اعمال شده به میدان کاهش یابد تا سرعت موتور بالاتر از سرعت پایه کنترل شود. در مورد موتورهای DC آهنربای دائم، واحد تامین میدان در درایو گنجانده نشده است.

واحد تنظیم سرعت: دستورالعمل اپراتور (سرعت مورد نظر) را با سیگنال های بازخورد مقایسه می کند و سیگنال های مناسب را به مدار شلیک ارسال می کند. در درایوهای آنالوگ، این واحد رگولاتور از هر دو تنظیم کننده ولتاژ و جریان تشکیل شده است.

تنظیم سرعت: دستورالعمل اپراتور (سرعت مورد نظر) را با سیگنال های بازخورد مقایسه می کند و سیگنال های مناسب را به مدار شلیک ارسال می کند. در درایوهای آنالوگ، این واحد رگولاتور از هر دو تنظیم کننده ولتاژ و جریان تشکیل شده است. تنظیم کننده ولتاژ خطای سرعت را به عنوان ورودی می پذیرد و ولتاژ خروجی را تولید می کند که سپس به رگولاتور جریان اعمال می شود.

سپس تنظیم کننده  جریان شلیک مورد نیاز را به مدار شلیک تولید می کند. اگر سرعت بیشتری لازم باشد، جریان اضافی از تنظیم کننده ولتاژ فراخوانی می شود و از این رو تریستورها برای دوره های بیشتری هدایت می شوند. به طور کلی، این تنظیم (هم ولتاژ و هم جریان) با کنترل کننده های مشتق متناسب-انتگرال انجام می شود. تنظیم کننده جریان میدان نیز در مواردی که سرعت بیشتر از سرعت پایه مورد نیاز است ارائه می شود. در درایوهای مبتنی بر ریزپردازنده دیجیتال مدرن، کنترل سرعت با یک جدول جستجو برای تعیین جریان برای مدار شلیک با مدارهای دیجیتال اضافی به دست می آید.

مدار شلیک: درایو صنعتی پالس های گیت را به تریستورها می رساند به طوری که آنها برای دوره های خاصی روشن می شوند تا ولتاژ آرمیچر متغیر تولید کنند. ایزولاسیون نیز در این مدار درایو گیت ارائه شده است.

اصل کار درایو صنعتی

در موتورهای DC سرعت متناسب با ولتاژ آرمیچر و نسبت عکس با جریان میدان است؛ و همچنین جریان آرمیچر متناسب با گشتاور موتور است؛ بنابراین با افزایش یا کاهش ولتاژ اعمالی، سرعت موتور تغییر می کند. با این حال، ولتاژ نامی امکان پذیر است. اگر سرعت بیشتر از سرعت پایه مورد نیاز باشد، جریان میدان موتور باید کاهش یابد. با کاهش جریان میدان، شار در موتور کاهش می یابد.

کاهش جریان میدان، Emf شمارنده آرمیچر را کاهش می دهد. جریان آرمیچر بیشتر جریان می یابد اگر emf آرمیچر مخالف کمتر باشد. علاوه بر این، این جریان آرمیچر باعث افزایش گشتاور موتور و در نتیجه افزایش سرعت می شود. این دو اصل اساسی در درایوهای DC برای کنترل سرعت موتور هستند. در درایو صنعتی کنترل شده با آرمیچر، واحد محرک جریان نامی و گشتاور را در هر سرعتی بین صفر و پایه موتور فراهم می کند. با تغییر ولتاژ آرمیچر، سرعت متغیر به دست می آید.

به طور کلی، منبع تغذیه میدان ثابت در این درایوهای DC ارائه می شود. از آنجایی که گشتاور در محدوده سرعت ثابت است (که نوع بار را توصیف می کند)، اسب بخار خروجی موتور متناسب با سرعت است. در مورد درایوهای کنترل شده آرمیچر و میدان، ولتاژ آرمیچر به موتور برای عملکرد HP متغیر با گشتاور ثابت تا سرعت پایه موتور کنترل می شود و برای عملیات سرعت پایه بالا، درایو برای عملیات ثابت گشتاور کاهش یافته و HP تا حداکثر سرعت نشان داده شده است که به کنترل میدان می پردازد. در این حالت کاهش جریان میدان باعث افزایش سرعت موتور تا حداکثر سرعت آن می شود.

• درایوهای DC دیجیتال و آنالوگ

امروزه پیاده سازی های دیجیتال جایگزین مدارهای آنالوگ سیستم محرک الکتریکی در تمامی اشکال کنترل صنعتی شده است. کنترل‌کننده ‌های دیجیتال انعطاف‌پذیری بیشتری را برای ایجاد کنترل دقیق، تنظیم خودکار و سهولت ارتباط با رایانه ‌های میزبان و سایر درایوها ارائه می ‌کنند. با این حال، درک اولیه درایو DC نسخه آنالوگ درک معادل دیجیتال آن را کمتر دشوار می کند.

نتیجه گیری:

در درایو صنعتی موتور با سرعت تعیین شده کار می کند. اکنون سیگنال مرجع سرعت تا حدودی بیشتر از سرعت واقعی افزایش یافته است؛ بنابراین یک سیگنال سرعت خطا وجود خواهد داشت. این خطای سرعت نشان دهنده شتاب مورد نیاز موتور است که به معنای گشتاور و در نتیجه جریان بیشتر است. خطا توسط کنترل کننده سرعت (که اساساً تقویت کننده خطای سرعت است) تقویت می شود و خروجی آن به عنوان مرجع ورودی جریان به سیستم کنترل داخلی داده می شود. همان طور که مرجع جریان افزایش می یابد، کنترل کننده جریان داخلی جریان بیشتری ایجاد می کند. برای درک بهتر این سیستم های صنعتی لازم است از متخصصان و کارشناسان مجرب کمک بخواهید تا بتوانید اطلاعات بیشتری در این حوزه کسب کنید. همچنین کسب اطلاعات موثر در این حوزه در افزایش اطلاعات شما بسیار عالی خواهد بود.