وکتور کنترل در اینورتر چیست و چه کاربردهایی دارد؟

اینورتر یکی از کاربردی‌ترین دستگاه‌ها برای بهبود عملکرد موتور است که این کار را با استفاده از تنظیمات خاص خود انجام می‌دهد. یکی از پرکاربردترین مدهای کنترلی موجود در اینورتر که به ما برای داشتن گشتاور بیشینه در فرکانس‌های پایین کمک می‌کند، مد وکتور کنترل نام دارد. در این مقاله از پینیون می‌خواهیم به این سوال پاسخ دهیم که Vector Control چیست، چه انواعی دارد و در چه مواردی از آن استفاده می‌شود؟ پس تا انتها با ما همراه باشید.

منظور از وکتور کنترل چیست؟

وکتور کنترل در اینورتر وظیفه کنترل اندازه و سرعت شار مغناطیسی را در یک موتور AC بر عهده دارد و این کار را با کمک یک تنظیم‌کننده الکتریکی و حلقه‌های کنترل مستقل انجام می‌دهد. برای آشنایی با دیگر مدهای کنترلی اینورتر می‌توانید مقاله ما را در این باره مطالعه کنید. برای اینکه بهتر متوجه شیوه عملکرد مد کنترل برداری در اینورتر شوید، باید بدانید که در موتورهای DC جریان تولیدکننده گشتاور و جریان تولید کننده­ی میدان مغناطیسی، به دو سیم‌پیچ مجزا به نام استاتور و آرمیچر وارد می‌شود. این در حالی است که در موتورهای القایی AC، هردوی این جریان‌ها به سیم‌پیچ استاتور اعمال می‌شوند و به همین دلیل نیاز به روش دیگری برای جداسازی آن‌ها وجود دارد.

در زمان اتصال اینورتر به موتور، جریان اعمال‌شده به استاتور به آن وارد شده که به عنوان یک کمیت برداری در نظر گرفته خواهد شد. این بردار ورودی توسط اینورتر به دو جزء متعامد تجزیه می‌شود که یکی از آن‌ها برای کنترل میدان مغناطیسی روتور به صورت مستقیم کاربرد دارد و دیگری برای کنترل میدان مغناطیسی استاتور استفاده می‌شود. وظیفه مد VC در اینورتر این است که زاویه میان بردار شار استاتور و روتور را همواره 90 درجه نگه دارد و تنها با تغییر دامنه بردار جریان، به گشتاور مورد نظر برسد. به این ترتیب درایو می‌تواند سرعت و گشتاور موتور را به خوبی کنترل کرده و در هر فرکانسی، گشتاور نامی را ارائه دهد.

نحوه عملکرد مد کنترلی VC (FOC)

در مدار داخلی یک اینورتر ساده، شش دیود ورودی وجود دارد که ولتاژ ورودی را یکسو کرده و سپس با استفاده از فیلترهای خازنی آن را صاف می‌کنند. پس از آن این سیگنال وارد IGBT ها شده و به سیگنال ورودی موتور تبدیل خواهد شد. اگر اینورتر دارای قابلیت وکتور کنترل باشد، دو حلقه کنترل جداگانه هم به این مدار اضافه می‌شود که می‌توانند با اندازه‌گیری سرعت و جریان واقعی موتور، گشتاور تولیدشده را تخمین بزنند و به این ترتیب همواره سرعت را بر روی مقدار ثابتی نگه دارند.

در این حالت به محض اینکه از سرعت مطلوب منحرف شدیم، حلقه‌های کنترل PI داخل اینورتر وارد عمل شده و متغیرهای لازم را برای بازگشت به حالت استاندارد تغییر می‌دهند. برای مثال اگر در حین کار موتور گشتاور بار افزایش یابد، ولتاژ و جریان خروجی به گونه‌ه­ای تصحیح خواهد شد که در نتیجه آن سرعت شفت موتور ثابت باقی بماند. به همین ترتیب اگر با گرم شدن استاتور شار مغناطیسی کم شود، ولتاژ افزایش پیدا کرده و به این ترتیب شار میدان مغناطیسی اصلاح می‌شود تا شرایط به حالت مطلوب برسد.

مزیت های استفاده از روش وکتور کنترل

• قابلیت کنترل دقیق سرعت شفت موتور از سرعت صفر تا سرعت‌های بسیار بالا
• قابلیت ایجاد گشتاور کامل در فرکانس صفر برای نگه داشتن بار متصل به شفت
• رفتار دینامیکی خوب در حالت acceleration و deceleration موتور قابلیت تنظیم سرعت حلقه بسته با دقت بسیار زیاد
• یکنواخت بودن حرکت شفت موتور در سرعت‌های کم و زیاد حتی با وجود متغیر بودن بار
• افزایش حد گشتاور شکستگی
• توانایی سازگاری با موتورهای سنکرون و آسنکرون

تفاوت مد کنترلی وکتور با V/f

یکی از سوالات اصلی که همواره در بررسی مد وکتور کنترل مطرح می‌شود، این است که تفاوت میان V/f و VC چیست و چه لزومی دارد که از حالت برداری برای کنترل موتور استفاده کنیم؟ برای بررسی این موضوع باید در ابتدا نحوه عملکرد درایوهای اسکالر را در نظر بگیریم. در یک VFD استاندارد که در اینجا درایو اسکالر نامیده شده است، نسبت ولتاژ به فرکانس برای رسیدن به گشتاور دلخواه، همیشه ثابت نگه داشته می‌شود. اما اینورتر هیچ فیدبکی از موتور نمی‌گیرد که آیا گشتاور مورد نظر به وجود آمده است یا نه؟ برای مثال فرض کنید که فرکانس 40 هرتز به موتور داده شده و انتظار می‌رود که گشتاوری متناسب با آن ایجاد شود؛ اما در درایو اسکالر، به خصوص در فرکانس‌های پایین، هیچ راهی برای فهمیدن این موضوع نیست.

همین مشکل ناتوانی درایو اسکالر در تغییر خروجی خود متناسب با شرایط تغییر بار، باعث شده که نیاز به استفاده از فناوری برداری در درایوهای کنترلی بسیار احساس شود. به همین دلیل مد وکتور کنترل به مدار داخلی اینورتر اضافه شد که با استفاده از فیدبک‌های دریافتی بتوانید مقدار گشتاور را بررسی کنید و ببینید که آیا با میزان موردنظر شما همخوانی دارد یا نه تا بر اساس آن توان ورودی به موتور برای جبران افت سرعت ناشی از افزایش گشتاور جبران شود. بنابراین اصلی‌ترین تفاوت میان VC و V/f در توانایی گرفتن فیدبک از موتور است.

انواع وکتور کنترل در اینورتر

به طور کلی فرایند کنترل برداری در اینورتر به دو شکل انجام می‌شود که به نام‌های VC و SVC شناخته می‌شوند و در ادامه هر کدام از آن‌ها را توضیح خواهیم داد.

– مد VC یا مدار بسته

مد VC که مخفف کلمه Vector Control است و به آن حالت حلقه بسته هم گفته می‌شود، در واقع روشی برای کنترل برداری با استفاده از فیدبک است. به همین دلیل برای راه‌اندازی مد VC نیاز به نصب انکودر در پشت موتور یا در خط وجود دارد. اینورتر دارای مد Vector Control می‌تواند با کمک Encoder از جریان خروجی موتور فیدبک بگیرد و به این ترتیب تغییرات مورد نیاز را در خروجی اعمالی به موتور ایجاد کند که به بهبود عملکرد آن کمک خواهد کرد. به عبارت بهتر این فیدبک به میکروکنترلر داخل درایو اجازه می‌دهد تا الگو را طوری تنظیم کند که بدون توجه به سرعت، گشتاور همچنان ثابت بماند. در این حالت به دلیل استفاده از انکودر، دقت محاسبات بسیار بالا بوده و احتمال خطا تا حد زیادی کاهش پیدا می‌کند؛ به همین دلیل است که از اینورترهای مجهز به مد VC در کارهای بسیار دقیق استفاده می‌شود.

– مد SVC یا بدون سنسور مدار باز

نوع دیگری از اینورترها با قابلیت کنترل برداری، با نام SVC یا Sensorless Vector Control شناخته می‌شوند. در این نوع از درایورهای موتور که به نام Open Loop هم مشهور هستند، دیگر نیازی به نصب انکودر وجود ندارد و فقط از جریان موتور به عنوان فیدبک استفاده می‌شود. به عبارت بهتر در این دسته از اینورترها، ریزپردازنده یک مدل ریاضی از پارامترهای عملکردی موتور ایجاد کرده و آن را در حافظه خود ذخیره می‌کند. همین‌طور که موتور به کار خود ادامه می‌دهد، این میکروکنترلر به طور دائمی جریان خروجی را با مدلی که در حافظه دارد مقایسه کرده و اصلاحات لازم را برای بهبود عملکرد اعمال خواهد کرد.

مد SVC دقت بسیار بیشتری در مقایسه با V/f دارد؛ اما در مقابل VC قدری ضعیف‌تر است. زیرا در حالت کنترل برداری بدون سنسور، با کاهش سرعت، توانایی ریزپردازنده برای تشخیص تغییرات ظریف مغناطیسی و در نتیجه تنظیم پارامترها قدری کمتر خواهد شد.

رابطه اتوتیون کردن موتور با کنترل برداری

یکی از موارد بسیار مهمی که در زمان راه‌اندازی اینورترهایی با قابلیت وکتور کنترل بدون سنسور باید بدانید، این است که قبل از هر چیز باید موتور را اتوتیون کنید. منظور از Auto tune کردن این است که ابتدا ویژگی‌های موتور بر اساس مشخصات درج‌شده بر روی پلاک آن برای درایو تعریف می‌شود. و پس از اتوتیون می­توان به اطلاعات دیگری مانند مقاومت اهمی استاتور، اندوکتانس اصلی و پراکندگی و تلفات آهنی دست پیدا کرد که از طریق پلاک خوانی موتور قابل دسترسی نیستند. اتوتیون کردن موتور، باعث می‌شود که مد SVC راحت‌تر بتواند پارامترهای مورد نیاز مانند موقعیت روتور را ارزیابی کرده و از این داده‌ها برای تنظیم سرعت و گشتاور استفاده کند. البته بیشتر درایوها مانند اینورتر ال اس مدل ic5 و اینورتر یونیک استنسون، دارای این قابلیت هستند که در افزایش دقت کار به شما کمک می‌کنند.

کاربردهای وکتور کنترل در اینورتر

به طور کلی در هر جایی که نیاز به دقت زیادی برای تنظیم سرعت و گشتاور وجود داشته باشد، می‌توان از درایوهایی با قابلیت کنترل برداری استفاده کرد. به ویژه در جرثقیل‌ها و بالابرها مود VC بسیار پرکاربرد است. علاوه بر این برای کنترل موتورهای بسیار بزرگ مانند ماشین‌های سانتریفیوژ و دستگاه‌های قالب‌گیری تزریقی هم می‌توان از اینورترهایی با قابلیت SVC استفاده کرد. اگر در جایی کار می‌کنید که برای کنترل دستگاه‌های خود نیاز به یک اینورتر با قابلیت کنترل برداری دارید، می‌توانید برای خرید اینورتر صنعتی با بهترین قیمت بر روی لینک درج شده کلیک کنید.

سخن پایانی

با پیشرفت تکنولوژی، دستگاه‌هایی با تکنولوژی ساخت بسیار بالایی ساخته شدند که برای کنترل سرعت و گشتاور خود نیاز به تجهیزات قوی‌تری داشتند. به همین دلیل سازندگان قابلیتی را به نام وکتور کنترل به اینورترها اضافه کردند. این مد کنترلی می‌تواند به راحتی در فرکانس‌ها و سرعت‌های پایین، همواره گشتاور مدار را بر روی یک مقدار ثابت نگه داشته و به این ترتیب به بهبود عملکرد موتور کمک کند.

سوالات متداول

• آیا قیمت اینورتر دارای مد کنترل برداری از مدل های معمولی بیشتر است؟

به دلیل اینکه این مورد عمدتا یک قابلیت نرم افزاری بوده و در تمامی درایو­های صنعتی ما لحاظ شده است، در قیمت کلی اینورتر نیز لحاظ شده و می­تواند توسط کاربر فعال یا غیرفعال شود. لذا این قابلیت را تقریبا تمامی اینورترهای ما دارا هستند و تفاوتی در قیمت اینورتر برای مشتری ایجاد نمی­کنند. اما در صورتی که برای کاربرد خاصی نیاز داشته باشید که از مد حلقه بسته استفاده نمایید لازم است که برای خرید سنسور و کارت انکدر و اتصال آن به اینورتر هزینه­ای به صورت مجزا پرداخت نمایید.

• اینورترهای دارای قابلیت وکتور کنترل در چه مواردی استفاده می شوند؟

این نوع از اینورترها بیشتر برای کاربردهای دقیق و ماشین‌آلات سنگین کاربرد دارند که گشتاور و سرعت به ویژه در سرعت‌های پایین در آن‌ها بسیار اهمیت دارد.