درایو الکتریکی چیست؟ مروری بر تاریخچه و بررسی مزایا و معایب این دستگاه

دراین مقاله میخواهیم راجع به درایو موتور الکتریکی و مزیت هایی که اینگونه درایو ها میتوانند برای ما ایجاد کنند صحبت کنیم. فهرست باحث مطرح شده در این مقاله را مشاهده میکنید.

فهرست مطالب

• تاریخچه درایو
• درایو الکتریکی چیست؟
• کاهش مصرف انرژی با درایو الکتریکی
• گشتاور متغیّر در برابر گشتاور ثابت
• علت کاهش بسیار زیاد مصرف انرژی هنگام استفاده از بارهای گشتاور متغیّر
• کنترل دقیق‌ترِ فرآیند با درایو موتور الکتریکی
• افزایش طول عمر تجهیزات و کاهش هزینه نگهداری
• مشکلات ناشی از استارترهای Full-Voltage
• کاربرد درایو الکتریکی
• استفاده از درایو الکتریکی در آبیاری و کشاورزی
• استفاده از درایو موتور الکتریکی برای سیستم تصفیه آب استخر

 

تاریخچه درایو

در حال حاضر اطلاعت دقیقی در مورد اولین درایو ساخته شده توسط انسان دردست نیست؛ اما برخی از افراد معتقد اند که اولین درایو الکتریکی توسط آقای B.S.Iakobi در روسیه و در سال 1838  میلادی یا 1217 شمسی ساخته شده است. با توجه به زمانی آقای B.S.Iakobi اولین درایو را ساخته و با کمک از برخی منابع می توانیم بفهمیم که اولین درایو برای کنترل سرعت یک قایق در آب ساخته شده و با کمک یک منبع باتری کار می کرده است.

 

 

 

با این شرایط اگر بخواهیم بر اساس مدارک و اسنادی که دردست داریم به تکامل درایو ها اشاره کنیم، اولین آنها درایو موتور جریان مستقیم بوده که در سال  1950 میلادی ساخته شده و 10 سال بعد یعنی در سال 1960 میلادی وارد صنعت شده است.

اصلی ترین دلیل پیشرفت درایو ها نسبت به دیگر موتور های الکتریکی در این سال ها، توسعه ادوات سوئیچینگ قدرت یا همان تریستور ها بوده است. در نزدیکی سال 1970 میلادی مدارات قدرت آنالوگ با کنتر کننده های دیجیتال بر اساس تعیین زمان آتش توسعه یافتند و در سال های بعد استفاده از PWM در این مدارات گسترش یافت و نهایتا تا سال 1990 میلادی اداوات قدرت IGBT نیز ساخته شد تا در این سال ها درایو های موتور الکتریکی تکامل یابند.

در این قسمت از مقاله به شما مستند ترین درایو را معرفی خواهیم کرد که در سال 1958 میلادی توسط یک شرکت آمریکایی به نام جنرال الکتریک ساخته شد؛ این درایو یک دستگاه شامل اجزای نیمه هادی قابل کنترل با تیریستور است که با استفاده از آن می توانستند سرعت یک موتور الکتریکی AC را تحت کنترل خود دربیاورند.

 

درایو چیست؟

 

درایو الکتریکی وسیله ایست که معمولاً برای کنترل حرکت یک ماشین الکتریکی به کار گرفته می شود. درایو های الکتریکی (electrical drives) برای کارکردن نیاز به یک منبع انرژی یا به اصطلاح محرک اولیه دارند. این محرک میتواند یک موتور بنزینی، توربین گازی یا بخار و یا حتی موتور های الکتریکی و هیدرولیکی باشد.

کنترل درایو موتور میتواند با استفاده از نرم افزارهای مختلف موجود به صورت دقیق تری صورت پذیرد. از درایو های الکتریکی میتوان در آسانسور نیز استفاده کرد که به اصطلاح به درایو آسانسور یا آسانسوری معروف است.

 

مزیت های استفاده از درایو چیست؟

 

انتخاب درایو برای موتور و دیگر وسایل به شما کمک های زیادی می کند. در این قسمت از مقاله درایو چیست؟ 6 مزیت عمده استفاده از درایوهای الکتریکی را به صورت کامل شرح داده ایم.

 

1. کاهش مصرف انرژی با استفاده از درایو

اگر می‌خواهید با موتور جریان متناوب (AC) کار کنید که نیازی به کار با تمام سرعت ندارید، پس می‌توانید با کنترل موتور با استفاده از درایوهای سرعت متغیّر (درایو موتور الکتریکی) هزینه مصرف انرژی را کاهش دهید. درایو الکتریکی به شما امکان می‌دهد تا سرعت تجهیزات موتوری را با نیازهای فرآیند تطبیق دهید.

 

2. گشتاور متغیّر در برابر گشتاور ثابت

به‌طور کلّی، می‌توان درایو موتور و بارهایی را که به آنان اِعمال می‌شود، به دو گروه تقسیم کرد: گشتاور ثابت و گشتاور متغیّر. کاهش مصرف انرژی در کاربردهای گشتاور متغیّر بسیار بیشتر از کاربردهای گشتاور ثابت است. بارهای گشتاور متغیّر شامل پمپ‌های سانتریفیوژی و فن‌ها می‌شود که بخش عمده‌ای از کاربردهای HVAC را تشکیل می‌دهند.

بارهای گشتاور ثابت شامل تسمه نقاله‌های لرزان، ابزار پانچ، سنگ‌شکن‌ها، ابزارهای ماشین و کاربردهای دیگری می‌شود که در آنها درایو از نسبت ثابت V/F ( ولتاژ بر فرکانس) پیروی می‌کند.

 

مقاله مرتبط: تفاوت اینورتر و درایو

 

 

3. دلیل کاهش مصرف زیاد انرژی هنگام استفاده از بارهای گشتاور متغیّر

در کاربردهای گشتاور متغیّر، گشتاور مورد نیاز تقریباً با مربّع سرعت و توان اسب بخار مورد نیاز تقریباً با مکعب سرعت تغییر می‌کند، در نتیجه، حتی با کاهش اندک سرعت، توان مورد نیاز تا اندازه زیادی کاهش می‌یابد. در موتوری که با گشتاور متغیر و نصف سرعت کار می‌کند، در مقایسه با کار با تمام سرعت، مصرف انرژی یک چهام می‌شود. این پدیده Affinity Laws نامیده می‌شود که روابط بین سرعت، جریان، گشتاور و توان را مشخص می‌کنند.

هنگامی که نیاز بار کمتر از سرعت کامل است، معمولاً این حالت در کاربردهای HVAC وجود دارد، مصرف انرژی در درایو آسانسوری و درایو موتور الکتریکی در مقایسه با دیگر روش‌های کنترل سرعت، کمتر است.

 

 

4. کنترل دقیق‌ترِ فرآیند با استفاده از درایو های سرعت متغیّر با کمک درایو الکتریکی

در رابطه با کنترل دقیق فرآیند، هیچ یک از سایر روش‌های کنترل موتور AC با روش استفاده از درایو موتور الکتریکی قابل مقایسه نیست. استارترهای تمام-ولتاژ (سرتاسر خط) فقط می‌توانند موتور را با تمام سرعت راه بیندازند و استارتر نرم و استارتر نرم با کاهش ولتاژ فقط می‌توانند به‌تدریج سرعت موتور را به سرعت کامل برسانند و دوباره به حالت خاموش برگردند.

در سوی دیگر، می‌توان درایو های سرعت متغیّر را طوری تنظیم کرد که موتور با سرعت دقیقی کار کند و در محل دقیقی متوقف شود یا  مقدار گشتاور خاصّی را اعمال کند.

در واقع، درایو های جدید سرعت متغیّر AC برحسب پاسخ گشتاور سریع و دقّت در سرعت بسیار شبیه به درایو های DC هستند. با این حال، موتورهای AC در مقایسه با موتورهای DC بسیار مطمئن‌تر و کم‎‌هزینه‌تر هستند و این امر سبب شده است که کاربرد بسیار بیشتری داشته باشند.

بیشتر درایو هایی که استفاده می‌شوند، از کنترل V/F بهره می‌گیرند و این امر به معنای این است که امکان عملیات حلقه-‌باز را فراهم می‌کنند. این درایوها فیدبکی دریافت نمی کنند، اما برای بسیاری از کاربردهای درایو الکتریکی کافی هستند.

با این حال، بسیاری از درایو های الکتریکی حلقه-‌باز قطعاً لغزش را جبران می‌کنند که درایو تک فاز و سه فاز را قادر می‌سازد تا جریان خروجی‌اش را اندازه بگیرد و اختلاف موجود در سرعت واقعی و مقدار مورد نظر (مقدار ورودی تنظیم ‌شده) تقریب بزند. در نتیجه، درایو به‌طور خودکار خودش را بر اساس این تقریب با مقدار مورد نظر تطبیق می‌دهد.

بیشتر درایوهای گشتاور متغیّر برای کاربردهای پمپ و فن از قابلیت PID برخوردارند که این امکان را برای درایو فراهم می‌کند تا مقدار مورد نظر را بر اساس فیدبک از فرآیند حفظ کند و بر تقریب متّکی نباشد. برای شناسایی متغیرهای فرآیند از قبیل مقادیر فشار، نرخ جریان مایع، نرخ جریان هوا یا سطح مایع، از transmitter یا transducer استفاده می‌شود.

سپس، این سیگنال به PLC ارسال می‌شود که فیدبک را از فرآیند به درایو انتقال می‌دهد. درایو موتور برای تطبیق خودش به‌منظور حفظ مقدار مورد نظر، از سیگنال فیدبک بطور پیوسته استفاده می‌کند.

 

در کاربردهای دیگر، می‌توان با استفاده از درایوهایی که امکان عملیات حلقه-بسته را فراهم می‌کنند، به دقت‌ بالاتری دست یافت. عملیات حلقه-بسته می‌تواند با درایو field-oriented vector یا درایو sensorless vector انجام شود.

درایو field-oriented vector فیدبک فرآیند را از encoder می‌گیرد که سرعت و/یا نرخ فرآیندهایی از قبیل تسمه‌ نقاله، ابزار ماشین را اندازه‌گیری و به درایو ارسال می‌کند. در نتیجه، درایو خودش را برای حفظ سرعت، نرخ، گشتاور و/یا موقعیت تنظیم شده تطبیق دهد.

 

5. مشکلات ناشی از استارترهای تمام-ولتاژ

در لحظه دریافت انرژی، جریان روتور قفل‌شده (سرعت صفر) تقریباً 600 % جریان عملیات تمام-بار است. سپس، با جدا شدن بار، این جریان بسیار زیاد به‌تدریج کاهش می‌یابد و موتور سرعت می‌گیرد اما افت ولتاژ غیرقابل قبولی را در سامانه توان ایجاد می‌کند که آثار زیان‌آوری بر روی بارهای دیگر می‌گذارد.

این امر می‌تواند سبب تخریب ناشی از شوک یا فرسودگی بسیار زیاد موتور در بلندمدت شود. استفاده از این روش شروع به کار وادار می کند تا محدودیتی را برای اندازه موتورهای مورد استفاده در همان سیستم وضع شود. زیرا شروع به کار در خط (across the line) مشکلاتی را در جهت مخالف سامانه کاربردی و در نتیجه، مشکلاتی را برای مشتریان دیگر ایجاد کند. افزایش ناگهانی جریان در اثر شروع به کار و توقف‌ ناگهانی موجب می‌شود که بر عایق موتور فشار وارد شود.

 

 

 

 

6. افزایش طول عمر و کاهش هزینه نگهداری با استفاده از درایو

روش‌های شروع به کار تک-سرعتی موتور را ناگهان روشن می‌کنند و در نتیجه موتور در معرض گشتاور زیاد و افزایش ناگهانی جریان قرار می‌گیرد که تا 10 برابرِ جریان تمام-بار هستند. در سوی دیگر، درایو موتور به‌تدریج سرعت موتور را به سرعت عملیاتی می‌رسانند و فشار مکانیکی و الکتریکی، هزینه تعمیر و نگهداری را کاهش و طول عمر موتور و تجهیزات درایو را افزایش می‌دهند.

استارتر نرم یا استارترهای نرم با ولتاژ کاهش‌یافته (RVSS) نیز می‌توانند سرعت موتور را به‌تدریج افزایش دهند، اما درایو الکتریکی را می توان طوری تنظیم کرد که سرعت موتور را به شکل‌ بسیار تدریجی‌ و یکنواخت‌تر بالا ببرند و می‌توانند موتور را با سرعتی کمتر از سرعت کامل عملیاتی کنند و از میزان تخریب موتور بکاهند.

 

درایو می‌تواند موتور را با الگوهای خاصّی به کار بیندازد تا بار دیگر فشار مکانیکی و الکتریکی حداقلی شود. برای نمونه، می‌توان در کاربرد تسمه نقاله از منحنی S-curve برای کنترل افزایش/کاهش شتاب استفاده کرد که پدیده پس‌زنی را کاهش می‌دهد که ممکن است هنگام افزایش یا کاهش شتاب تسمه نقاله رخ دهد.

 

کاربرد درایو الکتریکی

در این قسمت از مقاله درایو چیست ما قصد داریم تا علاوه بر شرح نحوه عملکرد درایو، توضیحاتی درباره استفاده از درایو الکتریکی در آبیاری و کشاورزی و استفاده از درایو الکتریکی برای سیستم تصفیه آب استخر را به شما  ارائه دهیم.

 

استفاده از درایو الکتریکی در آبیاری و کشاورزی

با وجود اینکه پمپ‌ها به دلایل متعدد بزرگ‌تر از نیاز هستند، وقتی از پمپ همراه با یک درایو الکتریکی استفاده شود، دیگر مسالۀ بهینه نبودن سیستم پمپاژ مطرح نخواهد بود. چرا که درایو ایرانی قادر است جریان و فشار پمپ را کنترل کند و در این صورت دیگر اندازۀ کلی سیستم پمپاژ اهمیتی ندارد. توانایی کنترل فشار و جریان پمپ، قابلیت استفاده از آن را در بهینه‌ترین حالات ممکن و به تبع آن صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به ما می‌دهد.

علاوه بر این، با استفاده از درایو صنعتی دیگر نیازی به سایر ابزارهای کنترل سرعت پمپاژ، مثل شیرهای کنترل یا فشارشکن، لوله برگشت، یا حتی استفاده از پمپ‌های متعدد، که تاثیر کمتری دارند، نخواهد بود.

 

 

 

استفاده از درایو الکتریکی در سیستم‌های آبیاری به جز کاهش مصرف برق، مزایای متعدد دیگری هم دارد که کاهش ضربۀ آب‌ (Water hammer) یکی از آن‌هاست. ضربۀ آب یکی از مشکلات مهم سیستم‌های آبیاری است و ممکن است آنقدر شدید باشد که در موادی حتی باعث  شکست خط لوله هم بشود.

درایو الکتریکی با ایجاد امکان استارت و توقف نرم پمپ، می‌تواند امکان وقوع اینگونه حوادث را کاهش دهد. زیرا در حالت شروع به کار و توقف نرم توسط درایو، دیگر تغییر سریع در مقدار انرژی ورودی به دلیل شروع  ناگهانی یا خاموش کردن ناگهانی پمپ اتفاق نمی‌افتد و شدت ضربۀ آب تا حد قابل توجهی کاهش می یابد.

 

استفاده از درایو موتور الکتریکی برای سیستم تصفیه آب استخر

تجهیز پمپ استخر به درایو الکتریکی می‌تواند هزینه‌ی برق مصرفی و هزینه‌ی نگهداری تجهیزات را تا حد زیادی کاهش دهد. درایو الکتریکی این امکان را ایجاد می‌کند که حتی پمپ بیش از اندازه بزرگ نیز بتواند در سرعت‌های پایین‌تر و با برق مصرفی کمتر کار کند.

درایو ایرانی بسته به شرایط استخر می‌تواند سرعت پمپ را تغییر دهد. هنگامی که فیلتر آب مسدود شده باشد و مقاومت بیشتری روی پمپ ایجاد کند، درایو سرعت پمپ را افزایش می‌دهد تا نرخ مناسب گردش آب را حفظ کند. هنگامی که موتور پمپ به درایو فرکانس متغیر مجهز شود، نرخ خرابی موتور به شدت کاهش می‌یابد.

 

 

 

با افزایش و کاهش تدریجی سرعت موتور، خطر عبور جریان ناگهانی، که در راه‌اندازی‌های سخت رخ می‌دهد، از بین می‌رود. همچنین اجتناب از راه‌اندازی سخت و توقف سخت باعث افزایش طول عمر موتور می‌شود. از دیگر مزایای استفاده از درایو در سیستم تصفیه‌ی استخر، توانایی پایش، کنترل، و عیب‌یابی دستگاه، از راه دور و در زمان حقیقی است.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، به کار گیری درایوهای الکتریکی در کاربری‌های کوچکتری مانند سیستم تصفیه‌ی آب استخر، روز به روز متداول‌تر می‌شود. این دستگاه باعث صرفه‌جویی زیاد در هزینه‌ها و انرژی می‌شود و در عین حال، این دستگاه طول عمر موتور پمپ و فیلتر استخر را افزایش می‌دهد. استفاده از VFD یک راه حل هوشمند برای کاهش مصرف انرژی و افزایش کارآیی در هر سیستم تصفیه‌ی آب استخر است.

 

مقاله مرتبط: قطعات درایو الکتریکی