در مصارف خانگی و صنعتی، کنترل حرکت مورد نیاز است و یکی از مهمترین عوامل می باشد. در مکانی مانند سیستم حمل و نقل، کارخانه های موادغذایی و مواد شیمیایی، کارخانه های نساجی، پنکه ها، ماشین های کاغذسازی، پمپ ها و ماشین آلات و … نیاز به کنترل حرکت دارند. بنابراین، برای این منظور، نیاز به یک سیستم برای اجرای تمام کنترل ها وجود دارد. این سیستمی که برای کنترل حرکت استفاده می شود Drives نامیده می شود و هر درایوی که شامل یک دستگاه و سیستم الکتریکی باشد به عنوان درایو الکتریکی (Electric Drives) شناخته می شود.
اولین درایو الکتریکی در سال 1838 توسط B.S.Iakobi در روسیه اختراع شد. او یک موتور DC را آزمایش کرد که از یک باتری برای هل دادن یک قایق تامین می شود. اگرچه استفاده گسترده از درایو الکتریکی در صنعت سال ها بعد یعنی در دهه 1870 اتفاق افتاد. در حال حاضر، این امر تقریباً در همه جا قابل مشاهده است. می دانیم که سرعت یک ماشین الکتریکی (موتور یا ژنراتور) را می توان با فرکانس جریان منبع و همچنین ولتاژ اعمال شده، کنترل کرد. اگرچه، سرعت چرخش یک ماشین را نیز می توان با استفاده از مفهوم درایو الکتریکی به طور دقیق کنترل کرد. مزیت اصلی این مفهوم این است که کنترل بیش از حد حرکت را می توان به سادگی با استفاده از انواع درایو صنعتی بهینه کرد.
درایو الکتریکی چیست؟
درایو الکتریکی (Electric Drive) را می توان به عنوان سیستمی تعریف کرد که برای کنترل حرکت یک ماشین الکتریکی استفاده می شود. این درایو از یک موتور اصلی مانند موتور بنزینی، در غیر این صورت دیزل، توربین های بخار و در غیر این صورت موتورهای گازی، الکتریکی و هیدرولیک مانند یک منبع اصلی انرژی استفاده می کند. این محرک‌های اولیه انرژی مکانیکی را به سمت درایو برای کنترل حرکت تامین می‌کنند.
یک درایو الکتریکی را می توان با یک موتور محرک الکتریکی و همچنین یک سیستم کنترل پیچیده برای کنترل شفت چرخش موتور ساخت. در حال حاضر کنترل این امر به سادگی با استفاده از نرم افزار قابل انجام است. بنابراین، کنترل دقیق تر می شود و این مفهوم درایو نیز سهولت استفاده را ارائه می دهد.
همچنین بمانید: مصارف PLC در صنایع و مزایای آن
طبقه بندی درایوهای الکتریکی
طبقه بندی درایوهای الکتریکیمعمولاً این ها به سه نوع درایو گروهی، درایو انفرادی و درایو چند موتوره طبقه بندی می شوند. علاوه بر این، این درایوها بر اساس پارامترهای مختلفی که در زیر مورد بحث قرار می‌گیرند، دسته‌بندی می‌شوند.
- درایوهای الکتریکی بر اساس منبع تغذیه به دو نوع درایوهای AC و درایوهای DC طبقه بندی می شوند.
- درایوهای الکتریکی بر اساس سرعت در حال اجرا به دو نوع درایوهای سرعت ثابت (Constant speed drives) و درایوهای سرعت متغیر (changeable speed drives) طبقه بندی می شوند.
- درایوهای الکتریکی بر اساس تعداد موتور به سه نوع درایوهای تک موتوره، درایوهای چند موتوره و گروهی طبقه بندی می شوند.
- درایوهای الکتریکی بر اساس پارامتر کنترل به دو نوع درایوهای گشتاور پایدار (stable torque drives) و درایوهای قدرت پایدار (stable power drives) طبقه‌بندی می‌شوند.
بیشتر بخوانید: انواع سنسورهای مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی
انواع درایو الکتریکی بر اساس منبع تغذیه
- درایوهای موتور AC: درایوهای AC به عنوان درایوهای سرعت قابل تنظیم و درایوهای سرعت متغیر (VSD)، درایوهای فرکانس قابل تنظیم نیز شناخته می شوند. برای کنترل سرعت موتورها با تغییر فرکانس استفاده می شود.
- درایوهای موتور DC: از درایوهای DC برای تبدیل ac به dc استفاده می شود. درایوهای DC دارای گشتاور راه اندازی بالایی هستند – که در برنامه هایی که به سرعت ثابت نیاز دارند مفید است.
همچنین بخوانید: نکات مهم در انتخاب سروو موتور
انواع درایو الکتریکی بر اساس تعداد موتورها
- درایو انفرادی: برای هر قسمت از ماشین ها از موتورهای مجزا استفاده می شود. مثال: ماشین تراش.
- درایو چند موتوره: در درایوهای چند موتوره، از موتورهای جداگانه برای کار و به کار انداختن قسمت های مختلف ماشین ها استفاده می شود. مثال: جرثقیل.
- درایو گروهی: در درایو گروهی برای دو و بیش از دو دستگاه از یک موتور استفاده می شود.
انواع درایو الکتریکی بر اساس پارامترهای کنترل
- درایو توان ثابت: در محدوده سرعت معینی اگر آرمیچر موتورها توان ثابتی داشته باشد، درایو قدرت ثابت است.
- درایو گشتاور ثابت: این نوع درایو تنها زمانی به کار می رود که حجم ثابتی از بار در حال جابجایی باشد.
انواع درایو الکتریکی بر اساس سرعت
- درایو با سرعت ثابت: درایو با سرعت ثابت یا CSD وسیله ای است که در درایوهای الکترومکانیکی به منظور حفظ سرعت ثابت حتی با وجود ورودی های متفاوت استفاده می شود.
- درایو سرعت متغیر: دستگاهی است که در درایوهای الکترومکانیکی به منظور کنترل گشتاور و سرعت موتور AC با تغییر ولتاژ و فرکانس ورودی موتور استفاده می شود.
مطلب مرتبط: گیربکس صنعتی چیست؟
بلوک دیاگرام درایو الکتریکی
بلوک دیاگرام یک درایو الکتریکی در زیر نشان داده شده است و بار در نمودار نشان دهنده انواع مختلفی از تجهیزات است که می توان با موتور الکتریکی ساخت، مانند ماشین لباسشویی، پمپ ها، فن ها و غیره. درایو الکتریکی را می توان با منبع، مدولاتور قدرت، موتور، بار، واحد سنجش، واحد کنترل، یک فرمان ورودی ساخت.
منبع انرژی (Power Source)
منبع تغذیه در بلوک دیاگرام فوق، انرژی لازم را برای سیستم ارائه می دهد و هر دو مبدل (converter) و موتور توسط منبع تغذیه به یکدیگر متصل می شوند تا ولتاژ، فرکانس و جریان قابل تغییر را برای موتور فراهم کنند.
مدولاتور قدرت (Power Modulator)
از این مدولاتور می توان برای کنترل برق o/p منبع استفاده کرد. کنترل قدرت موتور می تواند به گونه ای انجام شود که موتور الکتریکی ویژگی سرعت-گشتاور را که با بار لازم است ارسال کند. در طول عملیات موقت، جریان شدید از منبع تغذیه گرفته می شود.
جریان خروجی از منبع تغذیه ممکن است بیش از آن باشد، در غیر این صورت می تواند باعث افت ولتاژ شود. بنابراین مدولاتور قدرت، جریان موتور و همچنین منبع را محدود می کند.
مدولاتور قدرت می تواند انرژی را بر اساس نیاز موتور تغییر دهد. به عنوان مثال، اگر پایه جریان مستقیم باشد و می توان از یک موتور القایی استفاده کرد، پس از آن که مدولاتور قدرت، جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل کرد.
بار (Load)
بار مکانیکی را می توان توسط محیط فرآیند صنعتی تعیین کرد و منبع انرژی را می توان توسط یک منبع موجود در محل تعیین کرد. با این حال، ما می توانیم سایر اجزای الکتریکی یعنی موتور الکتریکی، کنترل کننده و مبدل را انتخاب کنیم. همچنین جهت مشاهده قیمت و خرید قطعات مکانیکی کلیک کنید.
واحد کنترل (Control Unit)
واحد کنترل عمدتاً برای کنترل مدولاتور قدرت استفاده می شود و این مدولاتور می تواند در سطوح توان و همچنین ولتاژ کم کار کند. و همچنین مدولاتور قدرت را به دلخواه کار می کند. این واحد قوانین ایمنی موتور و همچنین مدولاتور قدرت را تولید می کند. سیگنال کنترل i/p نقطه کار درایو را از i/p به سمت واحد کنترل تنظیم می کند.
مقاله مرتبط: موشن کنترل چیست؟
واحد سنجش (Sensing Unit)
واحد سنجش در بلوک دیاگرام برای حس کردن فاکتور محرک خاص مانند سرعت یا جریان موتور استفاده می شود. این واحد عمدتا برای عملیات closed loop و یا حفاظت استفاده می شود.
موتور (Motor)
موتور الکتریکی در نظر گرفته شده برای کاربرد خاص را می توان با توحه به ویژگی های مختلف مانند قیمت، رسیدن به سطح قدرت و عملکرد لازم توسط بار در سراسر حالت پایدار و همچنین عملیات فعال انتخاب کرد.
همچنین بخوانید: نکات مهم در انتخاب سروو موتور
اصول عملکردی درایو الکتریکی و نقش هر قطعه
درایو الکتریکی در حقبقت یک دستگاه الکترومکانیکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند تا حرکت را به مکانیسم های مختلف درگیر در کنترل فرآیند منتقل کند.
منبع تغذیه ورودی A.C یا D.C از طریق مدار مدولاسیون قدرت به موتور متصل می شود. پارامترهای ورودی موتور (ولتاژ، جریان) و پارامترهای خروجی موتور (گشتاور، سرعت) توسط سنسورهای مناسب سنجش می شوند. بار مکانیکی به موتور متصل است. داده های حسگر به کنترل کننده داده می شود. یک مرجع برای حداکثر ولتاژ جریان ورودی و گشتاور مورد نظر، سرعت و غیره تنظیم شده است. توان ورودی به موتور از طریق مدار مدولاسیون توان تغذیه می شود. ولتاژ، جریان، سرعت، گشتاور توسط سنسورهای مربوطه حس می شود. جریان راه اندازی با اعمال ولتاژ کاهش یافته در هنگام شروع کنترل می شود. کنترل کننده پالس می دهد و مدار مدولاسیون توان را بر اساس آن کار می کند. ولتاژ ورودی نیز به طور همزمان حس می شود. یک مرجع تنظیم شده است، یعنی سرعت مورد نظر تنظیم شده است. سنسور سرعت و گشتاور را حس می کند و سیگنال بازخورد می دهد. بر اساس سیگنال بازخورد، کنترل کننده مدار مدولاسیون قدرت را اجرا می کند. مدار مدولاسیون قدرت، توان ورودی (یا ولتاژ) را طوری تعدیل می کند که به سرعت مورد نظر برسد.
مزایای درایوهای الکتریکی
از مزایای درایوهای الکتریکی می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- این درایوها با محدوده وسیعی از سرعت، قدرت و گشتاور قابل دستیابی هستند.
- نه مانند سایر موتورهای اصلی، نیاز به سوخت گیری در غیر این صورت گرم کردن موتور ضروری نیست.
- آنها جو را آلوده نمی کنند.
- پیش از این، موتورهایی مانند سنکرون و القایی در درایوهای سرعت پایدار استفاده می شدند. درایوهای سرعت قابل تغییر از یک موتور dc استفاده می کنند.
- آنها به دلیل استفاده از ترمز الکتریکی دارای ویژگی های مدیریت انعطاف پذیر هستند.
- در حال حاضر، موتور AC در درایوهای سرعت متغیر به دلیل توسعه کانورترهای نیمه هادی استفاده می شود.
معایب درایو الکتریکی
از معایب درایوهای الکتریکی می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- این درایو در جایی که منبع برق در دسترس نیست، قابل استفاده نمی باشد.
- خرابی یا قطعی سیستم برق، کل مجموعه را کاملا متوقف می کند.
- قیمت اولیه سیستم گران است.
- پاسخ دینامیکی این درایو ضعیف است.
- قدرت خروجی درایو بدست آمده کم است.
- با استفاده از این درایو آلودگی صوتی ممکن است رخ دهد.
بیشتر بخوانید: مونتاژ تابلو برق
کاربردهای درایو الکتریکی
درایو الکتریکی در بسیاری از کاربردهای صنعتی و خانگی مانند سیستم های حمل و نقل، ماشین های کاغذ، کارخانه های نساجی، ماشین ابزار، فن ها، پمپ ها، ربات ها و شستشو و غیره استفاده می شود. درایوهای الکتریکی در طیف وسیعی از سرعت، گشتاور و قدرت در دسترس هستند. آنها را می توان فورا در هر زمان راه اندازی کرد و می توان بلافاصله در صورت نیاز به طور کامل بارگذاری کرد. از دیگر کاربردهای درایوهای الکتریکی می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- کاربرد اصلی این درایو کشش الکتریکی است که به معنای حمل و نقل مواد از یک مکان به مکان دیگر است. انواع مختلف کشش های الکتریکی عمدتاً شامل قطارهای برقی، اتوبوس ها، واگن برقی، تراموا و وسایل نقلیه با انرژی خورشیدی ساخته شده با باتری است.
- درایوهای الکتریکی به طور گسترده در تعداد زیادی از کاربردهای خانگی و همچنین صنعتی استفاده می شود که شامل موتورها، سیستم های حمل و نقل، کارخانه ها، کارخانه های نساجی، پمپ ها، فن ها، ربات ها و غیره می شود.
- اینها به عنوان موتورهای اصلی برای موتورهای بنزینی یا دیزلی، توربین هایی مانند گاز در غیر این صورت بخار، موتورهایی مانند هیدرولیک و الکتریکی استفاده می شوند.
- آنها را می توان در هر شرایطی مانند محیط های انفجاری و رادیواکتیو کار کرد.
همچنین بخوانید: درایو مکانیکی چیست؟
انتخاب درایو الکتریکی
بنابراین عوامل زیادی برای انتخاب یک درایو خاص برای کار خاص (بار) باید در نظر گرفته شود. در زیر به عوامل اصلی و مهم برای انتخاب درایو (Selection of drive) اشاره می شود.
- قابلیت اطمینان عملیات در سراسر محدوده بار.
- الزامات عملیات حالت پایدار مانند:
- چرخه کار
- محدوده سرعت
- بهره وری
- درجه بندی
- ربع عملیات
- تنظیم سرعت
- طبیعت مشخصه سرعت/گشتاور
- نوسانات سرعت
- منابع مورد نیاز مانند:
- بزرگی ولتاژ
- نوع منبع ولتاژ (C./D.C.)
- نوسانات ولتاژ
- برای منبع C – ضریب توان
- هارمونیک ها
- هارمونیک های موثر بر بارها
- قابلیت پذیرش توان بازسازی شده
- هزینه:
- هزینه برای خرید اولیه
- هزینه تعمیر و نگهداری
- هزینه خدمات
- طول عمر: طول عمر بیشتر مورد انتظار است.
- ظرفیت:
- ظرفیت حرارتی
- ظرفیت خدمات
- درجه بندی
- حداکثر ظرفیت گشتاور
- توانایی مقابله با تغییرات محیطی
- برای کار رضایت بخش در انواع مکان
- محدودیت ها:
- محدودیت های فضایی
- محدودیت وزن
- الزامات در عملیات موقت:
- ارزش های شتاب
- ارزش های کاهش سرعت
- شروع عملکرد
- توقف عملکرد
- معکوس کردن عملکرد
- تلفات انرژی و هزینه آن
- انتخاب به انواع درایوها نیز بستگی دارد.
- چگالی توان و حجم موتور.
- مناسب بودن در محیط های بد (محیط های خطرناک).
- تطبیق با قطعات یدکی موجود در بازار.
