نقش وکتور کنترل در اینورتر چیست + کاربرد آن

اینورتر یکی از تجهیزات کاربردی برای بهبود عملکرد موتورهای الکتریکی است که این بهبود را با تنظیمات خاص خود انجام می‌دهد. یکی از پرکاربردترین مدهای کنترلی در اینورتر که به بهبود گشتاور موتور در فرکانس‌های پایین کمک می‌کند، مد وکتور کنترل (Vector Control) است. در این مقاله قصد داریم به این سوالات پاسخ دهیم که وکتور کنترل چیست، چه انواعی دارد و در چه مواردی استفاده می‌شود. پس تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

وکتور کنترل چیست

وکتور کنترل (Vector Control) در اینورتر، وظیفه کنترل اندازه و سرعت شار مغناطیسی را در یک موتور AC بر عهده دارد و این کار را با استفاده از یک تنظیم‌کننده الکتریکی و حلقه‌های کنترل مستقل انجام می‌دهد. برای آشنایی بیشتر با سایر مدهای کنترلی اینورتر، می‌توانید به مقاله‌های مرتبط ما مراجعه کنید.

برای درک بهتر نحوه عملکرد مد کنترل برداری در اینورتر، باید به این نکته توجه کنید که در موتورهای DC، جریان تولیدکننده گشتاور و جریان تولیدکننده میدان مغناطیسی به دو سیم‌پیچ جداگانه به نام‌های استاتور و آرمیچر وارد می‌شود. اما در موتورهای القایی AC، هر دو جریان به سیم‌پیچ استاتور اعمال می‌شوند، بنابراین نیاز به روشی برای جداسازی این دو جریان وجود دارد.

وقتی اینورتر به موتور متصل می‌شود، جریان وارد شده به استاتور به عنوان یک کمیت برداری در نظر گرفته می‌شود. این بردار جریان ورودی توسط اینورتر به دو جزء متعامد تجزیه می‌شود: یکی برای کنترل میدان مغناطیسی روتور و دیگری برای کنترل میدان مغناطیسی استاتور.

وظیفه مد وکتور کنترل (VC) در اینورتر این است که زاویه بین بردار شار استاتور و روتور را همیشه در 90 درجه نگه دارد. این تنظیم به اینورتر اجازه می‌دهد تا تنها با تغییر دامنه بردار جریان، گشتاور مطلوب را تولید کند. بدین ترتیب، درایو قادر خواهد بود که سرعت و گشتاور موتور را به خوبی کنترل کرده و در هر فرکانسی، گشتاور نامی را ارائه دهد.

مزیت استفاده از مد وکتور در اینورتر

قابلیت‌های مد وکتور کنترل (VC) در اینورترها شامل موارد زیر است:

1. کنترل دقیق سرعت شفت موتور از صفر تا سرعت‌های بسیار بالا.

2. ایجاد گشتاور کامل در فرکانس صفر برای نگه‌داشتن بار متصل به شفت.

3. رفتار دینامیکی مناسب در حالت‌های شتاب‌دهی (acceleration) و کاهش سرعت (deceleration) موتور.

4. تنظیم دقیق سرعت حلقه بسته با دقت بسیار بالا.

5. حرکت یکنواخت شفت موتور در سرعت‌های کم و زیاد، حتی با تغییر بار.

6. افزایش حد گشتاور شکستگی برای بهبود عملکرد موتور.

7. سازگاری با موتورهای سنکرون و آسنکرون.

تفاوت مد کنترلی وکتور (VC) با V/f

یکی از سوالات متداول در مورد مد وکتور کنترل این است که تفاوت بین V/f و VC چیست و چرا باید از حالت برداری برای کنترل موتور استفاده کنیم؟ برای پاسخ به این سوال، باید ابتدا نحوه عملکرد درایوهای اسکالر را در نظر بگیریم.

در یک درایو VFD استاندارد، که به آن درایو اسکالر نیز گفته می‌شود، نسبت ولتاژ به فرکانس (V/f) برای رسیدن به گشتاور دلخواه همواره ثابت نگه داشته می‌شود. اما مشکل اینجا است که اینورتر هیچ فیدبکی از موتور نمی‌گیرد که ببیند آیا گشتاور مورد نظر واقعاً تولید شده است یا نه. برای مثال، اگر فرکانس 40 هرتز به موتور داده شود، انتظار می‌رود گشتاوری متناسب با آن ایجاد شود؛ اما در درایو اسکالر، به‌ویژه در فرکانس‌های پایین، هیچ راهی برای فهمیدن این موضوع وجود ندارد.

این ناتوانی درایو اسکالر در تغییر خروجی خود متناسب با تغییر بار، نیاز به استفاده از فناوری برداری در درایوهای کنترلی را ایجاد کرده است. بنابراین، مد وکتور کنترل به مدار داخلی اینورتر اضافه شده است تا با استفاده از فیدبک‌های دریافتی، مقدار گشتاور بررسی شود و در صورت عدم تطابق با مقدار مورد نظر، توان ورودی به موتور برای جبران افت سرعت ناشی از افزایش گشتاور تنظیم شود.

به طور خلاصه، تفاوت اصلی میان VC و V/f در این است که مد وکتور کنترل (VC) می‌تواند از فیدبک موتور استفاده کند تا گشتاور واقعی را بررسی کرده و تنظیمات لازم را انجام دهد، در حالی که مد V/f چنین قابلیتی را ندارد.

انواع وکتور کنترل در اینورتر

کنترل برداری (Vector Control) در اینورترها به دو روش اصلی انجام می‌شود: VC (Vector Control) و SVC (Sensorless Vector Control). هر یک از این روش‌ها برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند و ویژگی‌های متفاوتی دارند. در ادامه به توضیح هر یک از این روش‌ها می‌پردازیم:

1. مد VC (Vector Control) یا حلقه بسته

مد VC که مخفف Vector Control است و به آن حالت حلقه بسته (Closed Loop) نیز گفته می‌شود، یک روش پیشرفته برای کنترل برداری است که از فیدبک استفاده می‌کند. در این روش، برای راه‌اندازی نیاز به نصب انکودر (Encoder) در پشت موتور یا در مسیر خط وجود دارد.

نحوه عملکرد:

در اینورترهایی که دارای مد VC هستند، انکودر به عنوان یک حسگر عمل می‌کند که اطلاعات دقیق در مورد موقعیت و سرعت موتور را فراهم می‌آورد.

این اطلاعات به اینورتر ارسال می‌شود و اینورتر با استفاده از این فیدبک‌ها، جریان خروجی موتور را تنظیم می‌کند تا بهترین عملکرد ممکن حاصل شود.

این فرآیند به میکروکنترلر داخل درایو اجازه می‌دهد تا الگوهای ولتاژ و جریان را به گونه‌ای تنظیم کند که گشتاور موتور، بدون توجه به تغییرات سرعت، ثابت بماند.

به دلیل استفاده از فیدبک مستقیم و دقت بالای محاسبات، احتمال خطا به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

کاربردها: از این روش در مواردی که نیاز به کنترل دقیق و حساس موتور داریم، استفاده می‌شود، مانند دستگاه‌های CNC، روباتیک و کاربردهای صنعتی با دقت بالا.

2. مد SVC (Sensorless Vector Control) یا بدون سنسور مدار باز

مد SVC که مخفف Sensorless Vector Control است و به آن حالت بدون سنسور مدار باز (Open Loop) نیز گفته می‌شود، نوع دیگری از کنترل برداری است که نیازی به انکودر ندارد و تنها از جریان موتور به عنوان فیدبک استفاده می‌کند.

نحوه عملکرد:

در اینورترهای دارای مد SVC، یک مدل ریاضی از پارامترهای عملکردی موتور در حافظه میکروکنترلر ذخیره می‌شود.

میکروکنترلر به صورت مداوم جریان خروجی موتور را با این مدل ریاضی مقایسه می‌کند و بر اساس تغییرات جریان، تنظیمات لازم برای بهبود عملکرد موتور را اعمال می‌کند.

این روش نیازی به نصب انکودر ندارد و تنها با استفاده از داده‌های جریان موتور، کنترل برداری را انجام می‌دهد.

دقت مد SVC نسبت به روش V/f بیشتر است، اما همچنان دقت آن کمتر از مد VC است.

به خصوص در سرعت‌های پایین، دقت مد SVC کاهش می‌یابد، زیرا توانایی تشخیص تغییرات ظریف مغناطیسی توسط میکروکنترلر در این شرایط کمتر می‌شود.

کاربردها: این روش برای کاربردهایی مناسب است که نیازی به دقت بسیار بالا ندارند، اما همچنان به کنترل بهتری نسبت به V/f نیاز دارند، مانند فن‌ها، پمپ‌ها، و برخی ماشین‌آلات صنعتی.

کاربردهای وکتور کنترل در اینورتر

کنترل برداری (Vector Control) در اینورترها، به دلیل دقت بالا در کنترل سرعت و گشتاور، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. در زیر به برخی از کاربردهای مهم آن اشاره می‌کنیم:

1. جرثقیل‌ها و بالابرها: در این نوع از تجهیزات، نیاز به کنترل دقیق سرعت و گشتاور برای حرکت‌های ایمن و کنترل‌شده وجود دارد. به همین دلیل، استفاده از مد VC (Vector Control) بسیار متداول است. این روش کنترل به ویژه برای حرکت‌های دقیق و جلوگیری از نوسانات و لرزش‌های ناخواسته در حین بلند کردن یا پایین آوردن بار، بسیار مؤثر است.

2. ماشین‌های سانتریفیوژ: در صنایعی مانند نفت و گاز، شیمیایی و غذایی، ماشین‌های سانتریفیوژ برای جداسازی مواد با سرعت بالا استفاده می‌شوند. کنترل دقیق سرعت و گشتاور در این ماشین‌ها حیاتی است تا از آسیب به دستگاه و مواد جلوگیری شود. اینورترهایی با قابلیت SVC (Sensorless Vector Control) برای کنترل این ماشین‌ها مناسب هستند زیرا نیاز به دقت بالا دارند ولی نصب انکودر ممکن است دشوار یا پرهزینه باشد.

3. دستگاه‌های قالب‌گیری تزریقی: در صنایع پلاستیک و تولید محصولات قالب‌گیری شده، نیاز به کنترل دقیق حرکت و فشار در هنگام تزریق مواد به قالب وجود دارد. اینورترهای با مد SVC می‌توانند با دقت خوبی جریان و گشتاور را کنترل کنند، بدون نیاز به انکودر، که باعث کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری می‌شود.

4. پمپ‌ها و فن‌ها: اگرچه ممکن است کنترل برداری برای تمام پمپ‌ها و فن‌ها لازم نباشد، اما در کاربردهایی که نیاز به تغییرات سریع در سرعت و گشتاور برای تنظیم فشار یا جریان وجود دارد، اینورترهای دارای قابلیت SVC بسیار کارآمد هستند. این کاربردها معمولاً در سیستم‌های HVAC، آب‌رسانی شهری و تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب مشاهده می‌شوند.

سخن پایانی

با توجه به پیشرفت تکنولوژی و نیاز به دقت بالا در کنترل سرعت و گشتاور، استفاده از اینورترهای دارای قابلیت کنترل برداری (VC و SVC) در صنایع مختلف رو به افزایش است. این مدهای کنترلی به ویژه در سرعت‌ها و فرکانس‌های پایین، عملکرد بهتری در حفظ گشتاور و بهبود عملکرد موتور دارند و در کاربردهای صنعتی که نیاز به دقت و کنترل بیشتری دارند، به کار گرفته می‌شوند. بنابراین، انتخاب نوع مناسب اینورتر با توجه به نیازهای خاص صنعتی، می‌تواند تأثیر زیادی بر بهره‌وری و کارایی سیستم‌ها داشته باشد. شما عزیزان می توانید با مراجعه به نمایندگی های معتبر اینورتر همچون نمایندگی اینورتر پنتاکس، نمایندگی اینورتر ال اس، نمایندگی اینورتر اینوت ، نمایندگی اینورتر هایتک، و… اقدام به خرید اینورتر مناسب حوزه خود نمایید.