برق, مهندسی 2199 بازدید

درایو الکتریکی را اولین بار بی‌ اس‌ لاکوبی (B.S.Iakobi) در سال ۱۸۳۸ در روسیه اختراع کرد. او یک موتور DC را که از یک باتری تغذیه می‌شد و یک قایق را هل می‌داد، آزمایش کرد. هرچند، کاربرد درایو الکتریکی در صنعت در سال‌های بعد، حدود سال ۱۸۷۰، رخ داد. امروزه درایوهای الکتریکی تقریباً در همه‌ جا دیده می‌شوند. می‌دانیم که سرعت یک ماشین الکتریکی (موتور یا ژنراتور) را می‌توان با فرکانس جریان منبع و ولتاژ‌ اعمالی کنترل کرد. اما، تغییر سرعت یک ماشین الکتریکی را می‌توان به صورت دقیق و با اعمال مفهوم درایو الکتریکی نیز کنترل کرد. مزیت اصلی درایو، کنترل حرکت به صورت ساده و بهینه است.

درایو الکتریکی چیست؟

درایو الکتریکی را می‌توان به عنوان سیستمی تعریف کرد که برای کنترل حرکت یک ماشین الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این درایو، از یک محرک اولیه مانند موتور بنزینی، دیزلی، توربین بخار یا گاز، یا موتورهای الکتریکی و هیدرولیکی مانند یک منبع انرژی استفاده می‌کند. محرک‌های اولیه انرژی مکانیکی مورد نیاز درایو برای کنترل حرکت را تأمین می‌کنند.

می‌توان گفت که درایو الکتریکی متشکل از یک موتور درایور الکتریکی و یک سیستم کنترل پیچیده برای کنترل چرخش شفت موتور است. امروزه، کنترل سیستم درایو به سادگی با استفاده از نرم‌افزارهای مختلف انجام می‌شود. بنابراین، کنترل به صورت دقیق‌تر انجام خواهد گرفت.

نمایی از یک سیستم درایو الکتریکی
نمایی از یک سیستم درایو الکتریکی

تنوع در بخش‌های مختلف به انواع متفاوت درایوها می‌انجامد. بر اساس یک طبقه‌بندی می‌توان گفت دو نوع درایو الکتریکی وجود دارد: اینورتر استاندارد و درایو سروو. یک اینورتر استاندارد برای کنترل گشتاور و سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرد، همچنین برای کنترل موقعیت ماشین‌هایی به کار می‌رود که در آن‌ها به حرکت دشوار نیاز است.

طبقه‌بندی انواع درایو موتور الکتریکی را می‌توان بر اساس عناصر مختلف سیستم درایو نیز انجام داد. بر اساس طراحی، درایو به سه دسته اصلیِ درایو تک‌‌موتوره، درایو موتور گروهی و درایو چندموتوره تقسیم می‌شود. درایو تک‌موتوره ساده‌ترین و پایه‌ای‌ترین نوع درایو است که بیشتر در سیستم‌های لوازم خانگی و صنایع کار با فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. درایوهای موتور گروهی به دلیل پیچیدگی زیاد، در تکنولوژی‌های مدرن به کار می‌روند. درایو چندموتوره در صنایع سنگین یا جاهایی که چند واحد موتوری مورد نیاز است، مانند حمل و نقل ریلی کاربرد دارند. اما اگر تقسیم‌بندی را از جنبه دیگری انجام دهیم، دو نوع اصلی برای درایوها وجود دارد:

  1. درایوهای برگشت‌‌ پذیر
  2. درایوهای برگشت‌‌ ناپذیر

این ویژگی اساسا به این بستگی دارد که آیا سیستم درایو توانایی تغییر جهت شار تولید شده را دارد یا خیر. علاوه بر این موارد، درایوها بر اساس پارامترهای مختلف که در ادامه آمده‌اند، در دسته‌های بزرگ‌تری نیز دسته‌بندی می‌شوند:

  • درایوهای الکتریکی بر اساس منبع به دو دسته درایوهای AC و درایوهای DC دسته‌بندی می‌شوند.
  • درایوهای الکتریکی بر اساس سرعت کاری به دو دسته سرعت ثابت و سرعت متغیر دسته‌بندی می‌شوند.
  • درایوهای الکتریکی بر اساس تعداد موتورها به دو دسته تک‌موتوره و چندموتوره تقسیم می‌شوند.
  • درایوهای الکتریکی بر اساس پارامتر کنترل به دو دسته گشتاور پایدار و توان پایدار دسته‌بندی می‌شوند.

در ادامه این مطلب، بخش‌های مختلف یک سیستم درایو مانند بار، موتور، مدولاتور توان، واحد کنترل و منبع تغذیه را بررسی می‌کنیم و به بیان مزایای استفاده از درایو الکتریکی می‌پردازیم.

قسمت‌های مختلف انواع درایو الکتریکی

دیاگرام شکل زیر طراحی پایه مدار و عناصر درایو را نشان می‌دهد، همچنین بیان می‌کند که درایو شامل قسمت‌های ثابتی مانند بار، موتور، مدولاتور توان، واحد کنترل و منبع تغذیه است. این عناصر به عنوان اجزای سیستم درایو شناخته می‌شوند. بارها انواع مختلفی دارند. به عبارت دیگر، بارها می‌توانند ملزومات خاص و شرایط چندگانه داشته باشند. در ادامه سایر قسمت‌های درایو را بررسی می‌کنیم.

دیاگرام سیستم درایو الکتریکی
دیاگرام سیستم درایو الکتریکی

موتورهای الکتریکی

موتورهای الکتریکی دارای انواع مختلفی هستند. موتورهای جریان مستقیم (DC) خود به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شوند: موتور جریان مستقیم شنت سیم‌پیچی شده، موتور جریان مستقیم سری سیم‌پیچی شده، موتور جریان مستقیم کمپوند و موتور جریان مستقیم مغناطیس دائم. موتورهای جریان متناوب (AC) نیز دو نوع اصلی دارند: موتور القایی آسنکرون و موتور القایی سنکرون. موتورهای سنکرون دارای دو نوع میدان چرخشی و مغناطیس دائم هستند. موتورهای القایی نیز خود دو نوع دارند: موتور قفس سنجابی و موتور سیم پیچی شده. علاوه بر این موارد، موتورهای پله‌ای و موتورهای رلوکتانسی نیز بخشی از سیستم درایو در نظر گرفته می‌شوند.

بنابراین انواع مختلفی از موتورهای الکتریکی وجود دارد که تعیین نوع آن‌ها بر اساس کاربرد و مشخصه‌های موتورها انجام می‌شود. زمانی که درایوهای الکتریکی هنوز به صورت امروزی متداول نشده بودند، موتورهای القایی و سنکرون فقط در شرایطی که به سرعت ثابتی نیاز بود، مورد استفاده قرار می‌گرفتند و برای کاربردهای سرعت متغیر، از موتورهای جریان مستقیم استفاده می‌شد. اما همان‌طور که می‌دانیم، موتورهای القایی با توان برابر با موتورهای جریان مستقیم، مزایای زیادی مانند وزن کم، قیمت پایین، حجم کمتر، محدودیت کمتر روی حداکثر ولتاژ، سرعت و توان نامی دارند. به دلیل این ویژگی‌ها، موتورهای القایی به سرعت جایگزین موتورهای جریان مستقیم شدند.

علاوه بر موارد بیان شده، موتورهای القایی از نظر مکانیکی نیز مقاوم‌تر بوده و نیاز کمتری به تعمیرات دارند. از طرف دیگر، موتورهای سنکرون که شامل مغناطیس دائم و میدان سیم‌پیچی هستند، دارای بهره بار کامل و ضریب توان بالاتری نسبت به موتورهای القایی هستند، اما این موتورها قیمت و اندازه بزرگ‌تری نسبت به موتورهای القایی برای یک توان نامی یکسان دارند.

موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) بسیار شبیه به موتورهای سنکرون مغناطیس دائم هستند. این موتورها در کاربردهای خودتنظیم (Servo) به کار می‌روند و امروزه به عنوان جایگزینی موثر برای موتورهای سرو جریان مستقیم در نظر گرفته می‌شوند، زیرا معایب موتورهای جریان مستقیم مانند کموتاسیون مکانیکی را حذف می‌کنند. در کنار تمام این موارد، موتورهای پله‌ای برای کنترل موقعیت و موتورهای رلوکتانسی نیز برای کنترل سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدولاتورهای توان

مدولاتورهای توان تجهیزاتی هستند که برای تغییر فرکانس و همین‌طور تغییر شدت توان، به منظور کنترل درایوهای الکتریکی مورد استفاه قرار می‌گیرند. مدولاتورهای توان معمولا به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

  1. مبدل‌ها
  2. مدارهای امپدانس متغیر
  3. مدارهای کلیدزنی (Switching)

مبدل

همان‌طور که از نام آن‌ها نیز مشخص است، مبدل‌ها برای تبدیل توان مورد استفاده قرار می‌گیرند. بسته به نوع کاربرد، مبدل‌ها به 5 دسته اساسی تقسیم‌بندی می‌شوند:

  1. مبدل AC به DC
  2. تنظیم‌کننده یا رگولاتور AC
  3. برش‌دهنده (Chopper) یا مبدل DC به DC
  4. اینورتر (Inverter)
  5. سیکلوکانورتر (Cycloconverter)

مبدل‌ AC به DC

مبدل‌های AC به DC برای به دست آوردن ولتاژ تغذیه ثابت DC از ولتاژ تغذیه ثابت AC مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک دیاگرام بسیار ابتدایی از این نوع مبدل‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.

مبدل AC به DC
مبدل AC به DC

تنظیم‌کننده AC

تنظیم‌کننده‌های AC برای به دست آوردن یک ولتاژ AC تنظیم‌ شده مورد استفاده قرار می‌گیرند و در این نوع از مبدل‌ها اغلب از اتوترانسفورمرها (Auto-transformers) یا ترانسفورماتورهای تغییر‌دهنده سر وسط (Tap Changer Transformers) استفاده می‌شود.

تنظیم‌کننده AC یا مبدل AC به AC
تنظیم‌کننده AC یا مبدل AC به AC

مبدل DC به DC

مبدل‌های DC به DC یک ولتاژ DC متغیر را دریافت کرده و یک ولتاژ DC ثابت تولید می‌کنند. ترانزیستورهای قدرت، IGBT ،GPO و ماسفت‌های (MOSFET) قدرت به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مبدل DC به DC
مبدل DC به DC

اینورتر

اینورترها برای دریافت ولتاژ AC از ولتاژ DC به کار می‌روند و عملکرد آن‌ها دقیقا عکس مبدل‌های AC به DC است. نیمه‌رساناهای PWM در تغییر جهت و دامنه جریان کاربرد دارند.

مبدل DC به AC
مبدل DC به AC

سیکلوکانورتر

سیکلوکانورترها برای تبدیل ولتاژ AC با دامنه و فرکانس ثابت به یک ولتاژ AC با دامنه و فرکانس متغیر به کار می‌روند. در این مبدل، تریستورها (Thyristor) برای کنترل سیگنال آتش مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیکلوکانورتر یا مبدل AC به AC
سیکلوکانورتر یا مبدل AC به AC

مدارهای امپدانس متغیر

این مدارها برای کنترل سرعت از طریق تغییر مقاومت یا امپدانس مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما این روش کنترل در درایوهای DC یا AC ارزان قیمت به کار می‌رود. به منظور کنترل موتور، دو یا تعداد بیشتری پله وجود دارند که می‌توانند به صورت دستی یا اتوماتیک به وسیله کنتاکتور (Contactor) کنترل شوند. برای محدود کردن جریان راه‌اندازی در موتورهای AC از سلف‌ها استفاده می‌شود.

مدارهای کلیدزنی

در موتورها و درایو‌های الکتریکی برای راه‌اندازی نرم موتور از مدارهای کلیدزنی استفاده می‌شود. همچنین این مدارات در زمان‌هایی که عیبی اتفاق بیفتد، از موتور محافظت می‌کنند. کاربرد دیگر مدارات کلیدزنی، برای تغییر عملیات سیستم کنترل موتور در حالت کار عادی آن است.

مدارهای کلیدزنی برای راه‌اندازی موتور و درایو آن بر اساس یک برنامه از قبل تعیین شده پیاده‌سازی می‌شوند و امکاناتی نظیر قفل داخلی (اینترلاک: جلوگیری از ایجاد دو حالت متناقض در موتور مانند ارسال همزمان فرمان چپ‌گرد و راست‌گرد) و قطع‌ کردن موتور از مدار اصلی را در شرایط رخ‌ دادن عیب یا عملکرد غیرطبیعی فراهم می‌سازند.

منبع تغذیه

منبع تغذیه می‌تواند تک فاز یا سه فاز باشد. منبع تغذیه AC سه فاز 50 هرتز رایج‌ترین نوع منبع تغذیه الکتریکی در کاربردهای خانگی و صنعتی است. موتورهای سنکرون که با منبع 50 هرتز تغذیه می‌شوند، دارای بیشینه سرعت 3000rpm هستند. برای سرعت‌های بیشتر از این مقدار، به منبع تغذیه با فرکانس بالاتر نیاز است. موتورهایی با توان کم و متوسط، با منابع تغذیه 400V تغذیه می‌شوند. البته مقادیر بزرگ‌تر ولتاژ مانند 3٫3KV یا 6٫6KV یا 11KV نیز وجود دارند.

واحد کنترل

انتخاب واحد کنترل به نوع مدولاتور قدرتی که استفاده می‌شود، بستگی دارد. مخصوصا موقع استفاده از مبدل‌های نیمه‌هادی، واحدهای کنترلی تنوع زیادی دارند. در این شرایط واحد کنترل، شامل یک مدار آتش‌زنی (کلیدزنی) است که در آن از المان‌های خطی و میکروپروسسورها استفاده می‌شود.

تا اینجا با قسمت‌های مختلف سیستم درایو آشنا شدیم. در ادامه مزایای درایوهای الکتریکی و کاربردهای آن‌ها را بیان می‌کنیم.

مزایای درایو‌های الکتریکی

درایوهای الکتریکی امروزه بیشتر برای اهداف کنترل مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما مزیت درایوهای الکتریکی فقط به این مورد محدود نمی‌شود. سایر مزیت‌های درایوهای الکتریکی به صورت زیر هستند:

  • درایوهای الکتریکی در بازه وسیعی از سرعت‌ها، گشتاورها و توان‌ها وجود دارند.
  • مشخصه‌های کنترلی این تجهیزات انعطاف‌پذیر هستند. بسته به شرایط بار، مبدل می‌تواند در وضعیت حالت دائمی یا پاسخ دینامیکی (حالت گذرا) تنظیم شود. علاوه بر این، امکان تحقق کنترل سرعت، ترمز الکتریکی، گیربکس (تغییر سطح گشتاور و سرعت) و یا راه‌اندازی نیز وجود دارد.
  • با شرایط کاری متنوعی سازگار هستند و سخت بودن شرایط آن‌ها اهمیت ندارد.
  • می‌توانند در تمام چهار ناحیه مشخصه سرعت-گشتاور کار کنند.
  • محیط را آلوده نمی‌کنند.
  • احتیاجی به سوخت‌گیری و پیش‌گرمایش (Preheating) ندارند و می‌توانند فوراً راه‌اندازی و بارگیری شوند.
  • توسط انرژی الکتریکی تغذیه می‌شوند که سازگار با محیط زیست و منبع انرژی ارزانی است.
  • انتقال توان از یک محل به محل دیگر را به جای محورهای طویل می‌توان با کمک کابل انجام داد.
  • کنترل توسط درایو الکتریکی بسیار ساده و نرم است.
  • طرح آن انعطاف پذیر است.
  • قابلیت کنترل از راه دور دارد.
  • هزینه درایو الکتریکی در مقایسه با یک سیستم درایو دیگر بسیار کم است.
  • هزینه تعمیر و نگهداری درایو الکتریکی بسیار کم است.

به دلیل این مزایا، درایوهای الکتریکی روز به روز محبوب‌تر می‌شوند و به کاربردهای آن‌ها افزوده می‌شود.

کاربردهای درایوهای الکتریکی

درایوهای الکتریکی امروزه در گستره وسیعی از کاربردهای خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم‌های حمل و نقل و جابه‌جایی مانند بالابر، جرثقیل‌ و خودروهای الکتریکی، یکی از حوزه‌های کاربردی درایوهای الکتریکی است. سیستم‌های کششی، ربات‌ها، پمپ، پنکه و لوازم خانگی مانند لباس‌شویی از سایر موارد کاربردهای درایو الکتریکی هستند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

مرضیه آقایی (+)

«مرضیه آقایی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه کنترل پیش‌بین موتورهای الکتریکی بوده و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 15 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *