معمولا عباراتی چون درایو کردن، تنظیم سرعت، راه‌اندازی نرم و کنترل دور الکتروموتور، در کارخانجات و مصارف صنعتی و هر جایی که الکتروموتور سه فاز و نیز تک فاز وجود دارد، زیاد شنیده می‌شود. اگر نگوییم تمام، اما بیشتر ماشین آلات صنعتی و دستگاه‌هایی چون جرثقیل‌ها، نوارهای نقاله، آسانسورها، فن‌ها و پمپ‌ها با سرعت‌های متغیر کار میکنند.
منظور از کنترل دور الکتروموتور، کنترل سرعت یا RPM آن است و هدف اصلی، افزایش کنترل بهینه روی فرایندهایی است که با موتور انجام می‌شود. در کنار آن میتوان به مزایایی چون صرفه‌جویی در انرژی مصرفی و کاهش سر و صدای موتور هم دست یافت. بنابراین کنترل دور را میتوان مهم‌ترین موضوع مرتبط با الکتروموتورها دانست.
انواع روشهای کنترل موتور تکفاز
بیشتر موتورهای AC از نوع القایی (یا آسنکرون) قفس سنجابی هستند. برای به حرکت درآوردن این نوع موتورها بایستی میدان الکترومغناطیسی دوار در اطراف روتور آن‌ها ایجاد شود. برای ایجاد این میدان دوار و گشتاور اولیه در الکتروموتور تک فاز، لازم است علاوه بر سیم‌پیچ اصلی، یک سیم‌پیچ کمکی یا راه‌انداز هم در استاتور پیچیده می‌شود. بسته به اتصال این سیم‌پیچ‌ها به یکدیگر و نوع کاربرد موتور، روشهای مختلفی برای راه‌اندازی الکتروموتور تک فاز وجود دارد:
- استفاده از سیم‌پیچ کمکی و کلید گریز از مرکز
- استفاده از سیم‌پیچ کمکی، خازن موقت و کلید گریز از مرکز
- استفاده از سیم‌پیچ کمکی، خازن دائم و کلید گریز از مرکز
- استفاده از سیم‌پیچ کمکی، خازن دائم، خازن موقت و کلید گریز از مرکز
- استفاده از قطب چاک‌دار
اما برای کنترل دور الکتروموتور تک فاز القایی گزینه زیادی پیش رو نداریم. برای این منظور دو روش معرفی می‌شود:
- روش مقاومتی: استفاده از یک مقاومت متغیر در مدار سیم‌پیچ استاتور. در این روش با افزایش مقاومت، ولتاژ دو سر سیم‌پیچ استاتور کاهش و در نتیجه سرعت موتور نیز کاهش می‌یابد. البته این روش به علت ایجاد تلفات و نیز گرما، خیلی بهینه نیست.
- استفاده از اینورتر فرکانس متغیر (VFD): بر اساس رابطه مستقیم سرعت موتور با فرکانس ورودی، درایو با تغییر فرکانس اعمالی به الکتروموتور تک فاز، سرعت آن را تغییر می‌دهد.
در کنار موتورهای تک فاز القایی، نوع دیگری از موتورها به نام موتورهای یونیورسال نیز هستند که تغذیه آن‌ها هم AC و هم DC است. یک مزیت مهم این موتورها نسبت به موتورهای القایی، امکان تغییر سرعت با تغییر ولتاژ اعمالی است. در موتور یونیورسال، سیم‌پیچ روتور با استاتور سری می‌شود. برای تغییر سرعت تنها باید محل اتصال سیم‌پیچ روتور را تغییر داد. از موتورهای یونیورسال در لوازم خانگی مانند آب‌میوه‌گیری، هم‌زن برقی، سشوار و جاروبرقی استفاده می‌شود.
انواع روشهای کنترل موتور سه فاز
برای کنترل سرعت موتورهای سه فاز آسنکرون، هفت روش وجود دارد:
1) تغییر در تعداد قطب‌ها:
میتوان با تغییر تعداد قطب‌ها، سرعت الکتروموتور را تنظیم کرد. برای این کار بایستی اتصالات سیم‌پیچ‌های موتور را تغییر داد، یا تحریک مغناطیسی خارجی به موتور اعمال کرد. البته در این روش، گام‌های کنترل سرعت محدود است.
2) تنظیم ولتاژ:
با تغییر ولتاژ و فرکانس تغذیه، میتوان گشتاور و سرعت موتور را کنترل کرد.
3) تغییر فرکانس:
رایج‌ترین روش کنترل دور، استفاده از یک درایو (VFD) برای تغییر ولتاژ و فرکانس ورودی موتور است. با این روش میتوان سرعت موتور را در بازه گسترده‌ای کنترل کرد.
4) استفاده از چوک (سلف) سری:
در موتورهای کم توان، میتوان با سری کردن یک سلف یا ترانس با سیم‌پیچ موتور، سرعت را تنظیم کرد.
5) استفاده از مقاومت در روتور:
با سری کردن یک مقاومت با سیم‌پیچ روتور و کنترل جریان روتور، میتوان سرعت آن را تغییر داد.
6) استفاده از اتوترانس:
در برخی از کاربردهای خاص صنعتی، میتوان با استفاده از اتوترانس، ولتاژ سیم‌پیچ موتور و در نتیجه سرعت آن را تنظیم کرد.
7) روش قطب متغیر:
در برخی از کاربردهای خاص، میتوان با تغییر مد تحریک یا توزیع میدان مغناطیسی بین قطب‌ها، سرعت موتور را تنظیم کرد.
انواع روشهای کنترل دور موتور AC و DC
کنترل دور موتور AC
در الکتروموتورهای AC تک فاز و سه فاز، تعداد قطب‌ها ثابت و مشخص است. بنا به فرمول زیر، سرعت موتور با فرکانس تغذیه رابطه مستقیم و با تعداد قطب‌های موتور رابطه معکوس دارد:
طبق این رابطه، در موتورهای 2، 4، 6 و 8 قطبی، سرعت سنکرون موتور به ترتیب 3000، 1500، 1000 و 750 دور بر دقیقه (RPM) خواهد بود. آسان‌ترین و عملی‌ترین راه برای تغییر سرعت موتور، تغییر فرکانس اعمالی خواهد بود. برای این منظور از دستگاهی به نام اینورتر یا درایو (VFD) استفاده می‌شود.
اینورتر برای کنترل دور موتور، از مدهای کنترلی مختلفی استفاده می‌کند:
1) مد کنترلی اسکالر (V/F):
مد کنترلی ولتاژ به فرکانس، پرکاربردترین مد کنترلی موتورهای القایی است که در آن نسبت ولتاژ به فرکانس در سرعت‌های مختلف موتور، ثابت نگه داشته می‌شود. گفتیم که سرعت موتور، نسبت مستقیم با فرکانس آن دارد. چنانچه اندازه ولتاژ اعمال شده به موتور ثابت بماند و فرکانس آن کاهش یابد، شار مغناطیسی به مقدار زیادی افزایش و مدار مغناطیسی، اشباع شود. در این حالت امکان سوختن موتور وجود دارد.
اگر نسبت ولتاژ به فرکانس، ثابت نگه داشته شود، قدرت میدان مغناطیسی مستقل از سرعت موتور، ثابت می‌ماند. این مد کنترلی مناسب کاربردهایی است که نیاز به گشتاور بالایی ندارند مانند فن، پمپ و نوار نقاله. همچنین در مد کنترلی ولتاژ به فرکانس، اینورتر از خروجی فیدبک نمی‌گیرد و بنابراین برای کاربردهای دقیق مناسب نیست. برای مثال اگر درایو فرکانس 27 هرتز را به موتور اعمال کند، نمی‌تواند اطمینان یابد که آیا واقعا موتور به این فرکانس رسیده یا خیر.
2) مد برداری حلقه باز (بدون سنسور یا SVC):
در این مد کنترلی، پردازنده اینورتر بر اساس روابط ریاضی و پارامترهایی که از پیش برایش تعریف شده، از جریان موتور نمونه‌گیری و اصلاحات لازم را اعمال می‌کند. در این حالت چون از مقدار واقعی خروجی (سرعت موتور)، فیدبکی به اینورتر داده نمی‌شود بایستی پارامترهای درایو دقیق و صحیح تنظیم شود تا امکان خطا کمتر شود. در این حالت، ولتاژ و فرکانس مستقل از هم کنترل می‌شوند، بنابراین میتوان در فرکانس‌های پایین، ولتاژ بالا و نیز گشتاور بالا ایجاد کرد.
این حالت برای بارهای سنگین مانند جرثقیل، بالابر و اکسترودر که در لحظه راه‌اندازی یا در سرعت پایین نیاز به گشتاور بالا دارند، مناسب است. همچنین در کاربردهایی که بار ثابت است و نیاز به دقت و کنترل پیچیده‌ای ندارد، روش کنترلی حلقه باز، یک گزینه مناسب و اقتصادی است.
3) مد برداری حلقه بسته (کنترل برداری یا VC):
دیدیم که در سیستم حلقه باز، درایو به طور مداوم به موتور خروجی می‌دهد اما نمی‌تواند از عملکرد صحیح آن اطمینان یابد. اما اگر یک انکدر (سنسور) به موتور وصل شود، سرعت دقیق موتور برای درایو معلوم می‌شود. با اضافه شدن سنسور، یک فیدبک به سیستم اضافه می‌شود و در نتیجه سیستم حلقه بسته خواهیم داشت. اینورتر سرعت واقعی موتور را در الگوریتم کنترلی خود وارد، و خروجی لازم را برای رسیدن به سرعت و گشتاور مطلوب، به موتور ارسال می‌کند.
در کاربردهایی مانند ماشین‌های CNC و سیستم‌های نوار نقاله که به کنترل دقیق گشتاور و سرعت نیاز است، از حالت کنترلی برداری یا حلقه بسته استفاده می‌شود.
کنترل دور موتور DC
در مواقعی که نیاز به کنترل سرعت دقیق باشد میتوان از موتورهای DC استفاده کرد. این موتورها به آسانی و به شکلی بهینه، امکان ایجاد حرکت دورانی را از حالت توقف تا سرعت کامل، فراهم میکنند.
در موتورهای DC سری که میدان مغناطیسی با آرمیچر سری است، با افزایش یا کاهش ولتاژ اعمالی به مدار، سرعت نیز تغییر می‌کند. اما در موتورهای DC شنت، کنترل سرعت با تغییر ولتاژ اعمالی به آرمیچر، به کمک مقاومت متغیر یا SCR انجام می‌شود.
روشهای مقاومت آرمیچر و شنت، جزو کم‌هزینه‌ترین راه‌های کنترل دور موتور DC به شمار می‌روند؛ اما بازدهی آن‌ها نسبت به سایر روش‌ها پایین‌تر است و مقدار زیادی از توان موتور در مقاومت‌های متغیر تلف می‌شود. در این روش‌ها ممکن است موتور در سرعت‌های پایین دچار افت توان شود و حتی از کار بیفتد.
از روشهای کنترل سرعت موتور DC با مقاومت آرمیچر و شنت، در کاربردهای ساده و موتورهای کمتوان استفاده می‌شود. برای کاربردهای صنعتی و پیشرفته‌تر، باید از روشهای دیگر کنترل دور موتور DC استفاده کرد.
جمع‌بندی
برای آن‌که بتوانیم از الکتروموتورها استفاده کنیم بایستی بتوانیم سرعت یا دور آن‌ها را کنترل کنیم. منظور از کنترل دور این است که بتوانیم هر زمان که لازم است یک موتور را راه‌اندازی کنیم، سرعت آن را زیاد یا کم کنیم و آن را خاموش کنیم.
دیدیم که موتورهای AC، تک فاز و سه فاز برای راه‌اندازی نیاز به یک میدان دوار دارند.
برای کنترل دور موتور تک فاز دو روش وجود دارد: روش مقاومتی و استفاده از یک مقاومت متغیر در سیم‌پیچ استاتور؛ و استفاده از اینورتر. روش مقاومتی به علت تلفات و گرمایی که ایجاد می‌کند روش مناسبی نیست. از طرفی با توجه به کمیاب بودن اینورتر تک فاز به تک فاز و بصرفه نبودن آن، در صورت امکان بهتر است موتور تک فاز را با یک الکتروموتور سه فاز جایگزین کنیم.
برای کنترل دور موتور سه فاز نیز با وجود روشهای مختلف، استفاده از اینورتر رایج‌ترین و بهینه‌ترین گزینه است.
اینورترها به سه روش کنترلی، سرعت یا دور موتورها را کنترل میکنند:
- مد کنترلی اسکالر (V/F)
- مد کنترلی حلقه باز (SVC)
- مد کنترلی حلقه بسته (برداری یا VC).
برای کنترل دور دقیق میتوان از موتورهای DC هم استفاده کرد. برای کاربردهای ساده و توان‌های کم، میتوان از روش مقاومت آرمیچر و مقاومت شنت استفاده کرد که البته برای کاربردهای پیشرفته مناسب نیست و بایستی از روش های دیگری که در مقاله معرفی شده، کمک گرفت.
کنترل دور الکتروموتور که در قالب کلماتی چون درایو نمودن موتور ،راه اندازی نرم موتور ،تنظیم سرعت موتور می آید در کارخانجات و مصارف صنعتی و هر جایی که الکتروموتور سه فاز وجود دارد معنادار می‌شود. چرا که راه اندازی موتورهای سه فاز همواره جزو مواردی هستند که صنایع را به خود درگیر کرده اند کنترل دور الکتروموتور یا همان اینورتر ها به لحاظ تنوعی که دارند و نیز تنظیمات متفاوتی که دارند ، به راحتی توانسته اند این معضل را حل کنند.
از جمله روشهای ساده جهت کنترل دور الکترو موتورهای ac همواره ثابت نگهداشتن نسبت تبدیل پتانسیل به فرکانس می باشد. لازم به توضیح است که روش مذکور از آن دسته مواردی است که در کارخانجات و مصارف صنعتی مکرر استفاده می شود. از مزیت های این مدل راه اندازی، راحت بودن آن و اینکه از نوع اسکالر است ،یعنی به طور حلقه باز(open loop) دارای ماندگاری قابل قبولی است. در عوض ایرادی که میتوان از این روش گرفت، باید بگوییم که برای مصارف و ساختارهای نیازمند پاسخ سریع مطلوب نمی باشد.