روش های کنترل در موتورهای القایی

بهترین روش کنترل دور به وسیله کنترل همزمان ولتاژ و فرکانس می باشد. چون مقدار فوران میدان مغناطیسی دوار موتورهای القایی متناسب با نسبت ولتاژ به فرکانس می باشد. بنا براین در صورتی که به همان نسبت که ولتاژ را تغییر می دهیم مقدار فرکانس را نیز تغییر دهیم ، در نتیجه مقدار دامنه ی میدان مغناطیسی دوار موتور تغییری نمی نماید و در نتیجه در کار ماشین اختلالی وجود نخواهد داشت. از طرف دیگر با تغییر مشخصات منبع تغذیه منحنی گشتاور بر حسب سرعت تغییر خواهد نمود. عیب این روش در قیمت بسیار بالای مبدل هایی می باشند که به صورت همزمان فرکانس و ولتاژ را کنترل می نمایند و همچنین دارای ساختمان پیچیده ای هستند و تعمیر و نگهداری آن ها مشکل می باشد و بعضا هزینه های مربوط به این مبدل ها از هزینه مربوط به خود موتور بیشتر می گردد . بنابراین در بسیاری از مواقع از لحاظ اقتصادی استفاده از این روش برای کنترل سرعت موتور القایی مقرون به صرفه نمی باشد.

کنترل کننده های دور موتورهای الکتریکی هر چند که ادوات پیچیده ای هستند ولی چون در ساختمان آن ها از مدارات الکترونیک قدرت استاتیک استفاده می شود و فاقد قطعات متحرک می باشند،  از عمر مفید بالایی برخوردار هستند. مزیت دیگر کنترل کننده های دور موتور توانایی آن ها در عودت دادن انرژی مصرفی در ترمزهای مکانیکی و یا مقاومت های الکتریکی به شبکه می باشد. در چنین شرایطی با استفاده از کنترل کننده های دور مدرن می توان از اتلاف این نوع انرژی جلوگیری نمود. کنترل کننده های دور موتور انواع مختلفی دارند. آن ها قادر هستند انواع موتورهای AC و DC را کنترل کنند. البته در نوعی دیگری از طبقه بندی می توان روش عملکرد کنترل کننده های سرعت را به صورت زیر طبقه بندی نمود:

 

 

روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس (یا کنترل V/F ثابت)

ساده ترین روش کنترل موتورهای AC روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس می باشد. این روش، به طور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع کنترلرهااز نوع اسکالر بوده و به صورت حلقه باز با پایداری خوب عمل می کنند. مزیت این روش سادگی سیستمهای کنترلی آن است. در مقابل این نوع کنترلرها برای کاربردهای با پاسخ سریع مناسب نمی باشند.

در این روش مقدار V/F ثابت است بنابراین با افزایش فرکانس ، ولتاژ افزایش می یابد و در نهایت همانطوری که مشاهده می شود ، در این حالت کنترلی روی گشتاور موتور وجود ندارد و متغیرهای کنترلی ولتاژ و فرکانس هستند که بطور غیر مستقیم موتور را کنترل می کنند به علت عدم استفاده از فیدیک ، کنترلی روی موفقیت یا سرعت شافت موتور وجود ندارد.

این روش به منظور کارهای ساده و اهداف کلی به کار برده می‌شود و از یک جدول تناسب استفاده می‌کند که ولتاژ مشخصی را متناسب با فرکانس به خروجی می‌دهد.
این بدان معناست که می‌توانیم سرعت موتور را متناسب با فرکانسی که به جریان برق می‌دهیم، تنظیم کنیم.

تغییرات ولتاژ و فرکانس متناسب با هم بوده و سرعت نیز به صورت خطی تغییر می‌کند.

یک درایو V/f داریم که در بالاترین سرعت، می‌تواند با ولتاژ 460v و فرکانس 60Hz موتور را به گردش درآورد در نتیجه این موتور در نصفِ سرعت خود، با ولتاژ 230v و فرکانس 30Hz کار می‌کند.

پس تا اینجا فهمیدیم که روش V/f ، روشی عددی است که با نسبت ثابت ولتاژ و فرکانس، سرعت را کنترل می‌کند.

این روش دارای محدودیت‌هایی در کاربرد است و از این روش برای مواردی که تغییرات بار ناگهانی و زیاد بوده(مثلا جدا شدن محموله از جرثقیل) نمی‌توان استفاده کرد. ولیکن در مواردی که تغییرات ناگهانی نداشته و بارهای قابل‌پیشبینی داریم، استفاده از این روش برای کنترل موتورها بسیار به‌صرفه‌تر است.

از جمله مواردی که از V/f استفاده می‌شود می‌توان به پمپ‌های گریز از مرکز، فَن‌ها ، نوار نقاله‌ها و میکسرها اشاره کرد.

این روش بدون فیدبک است زیرا هیچ راهی برای بررسی آنکه سرعت موتور به مقدار مطلوب ما رسیده است یا نه و تنظیم سرعت به طور دقیق، وجود ندارد؛ بلکه صرفاً در این روش درایو وظیفه‌ی رساندن برق به موتور را دارد.
در نتیجه این روش در درایوها برای مواردی که نیازی به داشتن وضعیت مشخصی یا رسیدن به سرعت قانونی‌ معینی نداریم، مناسب می باشد.

 

روش کنترل برداری (vector control  )

 روبات ها و ماشین های ابزار نمونه هایی از کاربردهای با دینامیک بالا هستند. در این کاربردها روش های کنترلی برداری استفاده می شود. در روش های کنترلی برداری با تفکیک مولفه های جریان استاتور به دو مولفه تورک ساز و فلو ساز، و کنترل آنها با استفاده از رگولاتورهای PI  ترتیبی داده می شود که موتور AC نظیر موتور DC کنترل شود و به این ترتیب تمام مزایای موتور DC از جمله پاسخ گشتاور سریع آن ها در موتورهای AC نیز در دسترس خواهد بود.

در این روش جریان میدان (تولید کننده شار میدان) و جریان آرمیچر (تولید کننده گشتاور) به صورت هم زمان و مستقل کنترل می شوند. کنترل مستقل این دو جریان سبب کارایی بهتر، کنترل گشتاور در سرعت پایین و پاسخ سریع به تغییرات بار خواهد شد.

 

در موتور القایی جریان سیم پیچ استاتور تعیین کننده شار میدان و گشتاور موتور است. بنابراین برای کنترل مستقل گشتاور و شار میدان نیاز به کنترل اندازه و اختلاف فاز جریان و به عبارت دیگر بردار جریان می باشد. برای تشکیل بردار جریان نیز نیاز به داشتن موقغیت روتور می باشد.

 

Sensorless vector control (کنترل برداری بدون سنسور)

این شیوه در نحوه گرفتن فیدبک با شیوه بالا متفاوت است. به دلیل هزینه اضافی و پیچیدگی استفاده از انکودر به عنوان فیدبک موقعیت ، در این شیوه فیدبک موقعیت حذف شده و موقعیت واقعی روتور توسط یک مدل ریاضی محاسبه می شود و بدین منظور اینورتر باید :

- مقادیر ولتاژ و جریان خروجی را با دقت بالا اندازه گیری کند.

- اطلاعات دقیق از موتور شامل مقاومت استاتور و موتور داشته باشد.

- تاریخچه ای از عملکرد موتور برای پیشبینی رفتار موتور به لحاظ دمایی داشته باشد.

- قابلیت انجام محاسبات با سرعت بسیار بالا داشته باشد.

تا بتواند موقعیت روتور را بدون استفاده از سنسور محاسبه کند.

 

روش کنترل مستقیم گشتاور (Direct Torque Control)

همان طور که از اسم این روش مشخص است در این روش مستقیماً گشتاور کنترل می‌شود.

در این روش دیگر احتیاجی به بلوک‌های مجزاسازی ولتاژ و حلقه کنترل جریان برای کنترل موتور القایی نمی‌باشد. در این روش حلقه کنترل جریان وجود ندارد بنابراین بردار ولتاژ طوری انتخاب می‌شود که خطای گشتاور و شار حداقل شود.

مزیت‌های این روش عبارت اند از:

ساختار ساده
وابسته نبودن به پارامتر‌های ماشین
سرعت عملکرد دینامیکی خوب برای گشتاور و شار

پاسخ گشتاور در روشهای برداری حدود  10 تا 20 میلی ثانیه و در روش های کنترل مستقیم گشتاور (Direct Torque Control) این زمان حدود 5میلی ثانیه است.