انتخاب درایو برای موتورهای سنکرون

در دنیای صنعتی امروز، موتورهای سنکرون به دلیل بازدهی بالا، پایداری سرعت و عملکرد دقیق محبوبیت بسیاری یافته‌اند. اما برای بهره‌برداری کامل از قابلیت‌های آن‌ها، باید درایوی متناسب با نوع موتور، توان کاری و ساختار کنترلی انتخاب شود. در زمان انتخاب درایو برای موتورهای سنکرون، معمولاً اولین سوالی که از خود می‌پرسیم این است که : «قدرت موتور چند کیلووات است؟» و بعد هم بدون هیچ بررسی دیگری، توان درایو را دقیقاً برابر با توان موتور در نظر می‌گیریم. در حالی‌ که این نگاه، یک اشتباه رایج و خطرناک است. زیرا انتخاب درایو فقط با تکیه بر یک پارامتر، می‌تواند باعث بروز آسیب‌های جدی و بعضاً جبران‌ناپذیر در فرآیندهای صنعتی و عملکرد دستگاه‌ها شود.

در این مقاله، تمام نکات لازم برای یک انتخاب هوشمندانه را به صورت ساده، علمی و کاربردی بررسی می‌کنیم.

چرا انتخاب صحیح درایو مهم است؟

فرض کنید در یک کارخانه تولید رنگ، یک میکسر پرقدرت داریم که وظیفه‌اش هم زدن مواد غلیظ داخل دیگ است. روی این میکسر، یک الکتروموتور 11کیلووات نصب شده و برای کنترل بهتر سرعت و راه‌اندازی نرم، تصمیم می‌گیریم برای آن اینورتر استفاده کنیم.
مثل همیشه فقط به «توان نامی» نگاه می‌کنیم و یک درایو 11کیلووات معمولی (برای کاربری‌های سبک‌تر) انتخاب و نصب می‌کنیم.

در روز راه‌اندازی، همه‌چیز در ابتدا عادی به‌نظر می‌رسد؛ درایو استارت می‌کند، موتور شروع به چرخش می‌کند و پره‌های میکسر آرام حرکت می‌کنند. اما به محض این‌که مواد غلیظ وارد دیگ می‌شوند و میکسر زیر بار واقعی قرار می‌گیرد، جریان موتور بالا می‌رود، گشتاور موردنیاز زیاد می‌شود و درایو در چند ثانیه خطای اضافه‌بار (Overload) می‌دهد و میکسر می‌ایستد. اپراتور چند بار  استارت می‌کند، اما هر بار با افزایش غلظت یا کمی تغییر در شرایط فرآیند، همان خطای اضافه‌بار تکرار می‌شود.

حالا سوال‌ها شروع می‌شوند:
آیا موتور ضعیف است؟
آیا درایو معیوب است؟
آیا مشکل از برق ورودی است؟

در حالی که نه موتور خراب است، نه برق مشکل دارد؛ بلکه  علت اصلی این است که میکسر یک بار گشتاور ثابت و سنگین‌کار است و برای راه‌اندازی و کار در دور نامی، به جریان و گشتاور بیشتری نسبت به یک موتور 11کیلووات معمولی با بار سبک نیاز دارد. درایوی که صرفاً بر اساس «کیلووات» و بدون توجه به نوع بار، ضریب سرویس، گشتاور راه‌اندازی و ظرفیت اضافه‌بار انتخاب شده، در عمل نمی‌تواند جریان موردنیاز این بار سنگین را تأمین کند.

در چنین کاربردی باید به‌جای انتخاب یک درایو 11کیلووات  Normal-duty، از درایوی استفاده شود که برای Heavy-duty طراحی شده یا حتی یک سایز بالاتر در نظر گرفته شود تا ظرفیت کافی برای تأمین جریان و گشتاور لازم در شرایط واقعی فرآیند را داشته باشد. این مثال  نشان می‌دهد که انتخاب صحیح برای خربد درایو، فقط معادل‌گرفتن «کیلووات موتور» و «کیلووات درایو» نیست؛ بلکه باید نوع بار، پروفایل گشتاور، شرایط راه‌اندازی و ظرفیت اضافه‌بار درایو به ‌دقت بررسی شود.

عوامل موثر در انتخاب درایو برای موتورهای سنکرون

 مشخصات شبکه

برای این‌که یک درایو بتواند موتور را بدون مشکل در  راه‌اندازی کند، قبل از هر چیز باید ببینیم «شبکه برقی که در اختیار داریم چه ویژگی‌هایی دارد؟». در واقع، درایوی مناسب است که از نظر نوع و سطح ولتاژ، کاملاً با شبکه موجود هماهنگ باشد. در این بخش دو مؤلفه اصلی شبکه را بررسی می‌کنیم:

نوع برق ورودی

در صنایع، تغذیه معمولاً از برق AC تأمین می‌شود و این برق از نظر تعداد فاز به دو گروه تک‌فاز و سه‌فاز تقسیم می‌گردد. هماهنگی بین نوع برق ورودی و نوع درایو، شرط اولیه انتخاب است.
به‌عنوان نمونه، فرض کنید در یک سالن تولید کوچک فقط انشعاب تک‌فاز در دسترس باشد، اما برای یک نوار نقاله، موتور سه‌فاز در نظر گرفته‌ایم. در چنین شرایطی، اگر بخواهیم بدون تغییر در زیرساخت برق، موتور را با درایو راه‌اندازی کنیم، باید از درایوی استفاده کنیم که ورودی تک‌فاز را به خروجی سه‌فاز تبدیل کند.
بنابراین اگر در نقش فروشنده درایو یا طراح و مجری سیستم‌های اتوماسیون کار می‌کنید، قبل از پیشنهاد هر مدل، نوع تغذیه در محل نصب (تک‌فاز یا سه‌فاز) را دقیق و قطعی بررسی کنید.

ولتاژ شبکه

سطح ولتاژ شبکه در انتخاب درایو تعیین‌کننده است. ولتاژهای مرسوم در هر کشور با کشور دیگر متفاوت است؛ در ایران معمولاً 220–230V برای تک‌فاز و 380–400V برای سه‌فاز متداول است، در حالی‌که در برخی کشورها ولتاژهایی مثل 115V تک‌فاز یا 220V سه‌فاز نیز استفاده می‌شوند.
اهمیت این موضوع را با یک مثال ببینید: فرض کنید در یک کارخانه، شبکه سه‌فاز 400V داریم، اما بدون توجه به ولتاژ شبکه، یک درایو سه‌فاز با رنج 220V تهیه می‌کنیم. به‌محض این‌که کابل‌ها را متصل کرده و برق را وصل کنیم، ولتاژ ورودی بالاتر از محدوده مجاز، به بخش قدرت درایو آسیب می‌زند و احتمال سوختن فیوزها، ماژول یکسوکننده و حتی IGBTها بسیار بالاست.
پس هنگام انتخاب درایو، هم «تعداد فاز» و هم «رنج ولتاژ ورودی مجاز» در دیتاشیت درایو باید با مشخصات واقعی شبکه تطبیق داده شود.

پارامترهای موتور

هر موتور AC روی پلاک خود مجموعه‌ای از مشخصات الکتریکی و مکانیکی را ارائه می‌دهد. درایوی که بیشترین هم‌خوانی را با این داده‌ها داشته باشد، گزینه مناسب‌تری برای آن موتور است. در بین این مشخصات، سه پارامتر زیر برای انتخاب درایو اهمیت ویژه دارند:

توان موتور

توان نامی موتور که معمولاً بر حسب کیلووات (kW) یا اسب بخار (HP) بیان می‌شود، اولین عددی است که توجه را جلب می‌کند. به‌طور کلی توان موتور نباید از توان نامی درایو بیشتر باشد.
مثلاً اگر موتوری با توان 11kW داشته باشیم و برای آن درایو 7.5kW انتخاب کنیم، در شرایط بار نامی، درایو مجبور می‌شود بالاتر از ظرفیت خود جریان بدهد و خیلی سریع وارد حالت اضافه‌بار شده و تریپ می‌کند؛ در نتیجه موتور به گشتاور نامی خود نمی‌رسد.
نکته مهم دیگر این است که اگر توان درایو را بیش از حد نسبت به توان موتور بزرگ بگیریم، ممکن است بخشی از حفاظت‌های جریان‌محور درایو (مثل حفاظت اضافه‌بار یا حرارتی بر مبنای جریان) دقت کافی نداشته باشند و موتور در شرایط غیرعادی، قبل از عمل‌کردن حفاظت‌ها، داغ یا معیوب شود.

جریان بار کامل (Full Load Current – FLC)

مبنای واقعی انتخاب سایز درایو، مقدار جریانی است که موتور در بار نامی مصرف می‌کند. به این مقدار، جریان بار کامل یا FLC می‌گوییم. برای عملکرد درست سیستم، باید درایوی را انتخاب کنیم که جریان خروجی نامی آن حداقل برابر، و ترجیحاً کمی بیشتر از FLC موتور باشد.
مثال: دو موتور 15kW از دو سازنده متفاوت را در نظر بگیرید؛ ممکن است روی پلاک یکی جریان 28A و روی دیگری 32A درج شده باشد. اگر تنها بر اساس 15kW درایو انتخاب کنیم، ممکن است درایوی بگیریم که برای موتور با FLC بالاتر، حاشیه کافی نداشته باشد و در کار مداوم یا هنگام پیک‌های بار، مدام وارد اضافه‌بار شود.
به همین دلیل، هنگام مقایسه مدل‌های مختلف درایو، حتماً ستون جریان خروجی نامی (Output Current) را ملاک قرار دهید، نه فقط ستون توان بر حسب kW یا HP.

سرعت موتور

هر موتور دارای یک سرعت نامی بر حسب دور بر دقیقه (rpm) است که روی پلاک نوشته می‌شود. درایو باید بتواند موتور را در این سرعت و در محدوده سرعت‌های مورد نیاز فرآیند، با گشتاور مناسب کنترل کند.
به‌عنوان نمونه، اگر موتوری با سرعت نامی 1500rpm بخواهیم در کاربردی مثل میکسر با سرعت‌های خیلی پایین هم راه‌اندازی کنیم، به درایوی نیاز داریم که در سرعت‌های پایین، گشتاور کافی را با الگوریتم مناسب (مثلاً کنترل برداری) تأمین کند. یا برعکس، اگر از یک اسپیندل 24000rpm استفاده می‌کنیم، باید درایوی انتخاب شود که فرکانس خروجی آن تا حدود 800Hz قابل تنظیم باشد.

سرعت سنکرون موتورهای القایی از رابطه زیر به دست می‌آید:

Ns = 120f / p

• N_s سرعت سنکرون بر حسب rpm
• f فرکانس تغذیه بر حسب Hz
• p تعداد قطب‌های موتور است.

با تغییر فرکانس خروجی درایو، در واقع در حال تغییر N_s هستیم و به همین دلیل اینورتر می‌تواند سرعت موتور را کنترل کند.

الف) بار گشتاور ثابت = Constant Torque (کلاس کاری سنگین Heavy Duty / HD)

اگر بخواهیم خیلی ساده بگوییم، در بار گشتاور ثابت «کار از موتور زور می‌خواهد»، نه صرفاً سرعت. یعنی چه موتور آرام بچرخد چه تندتر، بار تقریباً همان مقدار نیروی چرخشی (گشتاور) را طلب می‌کند. به همین دلیل این نوع بارها را معمولاً در دسته بارهای سنگین‌تر می‌گذارند؛ چون موتور از همان ابتدای حرکت باید گشتاور قابل‌توجهی تولید کند و این معمولاً با جریان بیشتر همراه است.

نمونه‌های رایج این گروه طبق مقاله شامل اوگر و مته، کمپرسور اسکرو (مثلاً در چیلرها)، پمپ‌های جابجایی مثبت و نوار نقاله است. در همه این‌ها یک ویژگی مشترک وجود دارد: بار «مقاومت مکانیکی» دارد و این مقاومت با کم و زیاد شدن سرعت، خیلی تغییر نمی‌کند. مثلاً نوار نقاله برای حرکت دادن وزن روی نوار، در هر سرعتی نیاز به یک زور مشخص دارد؛ یا پمپ جابجایی مثبت برای جابجا کردن حجم مشخصی از سیال در هر دور، معمولاً گشتاور ثابت‌تری می‌طلبد.

حالا رفتار توان در این بارها چطور است؟ چون گشتاور تقریباً ثابت می‌ماند، وقتی سرعت را زیاد می‌کنید، توان هم تقریباً متناسب با سرعت بالا می‌رود. یعنی اگر سرعت را دو برابر کنید، در نگاه کلی توان لازم هم نزدیک به دو برابر می‌شود. این نکته در انتخاب VFD مهم است، چون خیلی‌ها فقط به «توان نامی موتور» نگاه می‌کنند، اما در عمل ممکن است در بخشی از سرعت‌ها یا در لحظات شروع حرکت، درایو باید جریان بیشتری بدهد.

در زمان استارت و شتاب‌گیری هم معمولاً شرایط سخت‌تر می‌شود. بارهای گشتاور ثابت ممکن است از همان اول حرکت «گشتاور راه‌اندازی» بالاتری بخواهند؛ یعنی موتور باید زور بیشتری تولید کند تا بار را از حالت سکون راه بیندازد. به همین خاطر، در این کاربردها معمولاً باید VFD را طوری انتخاب کنید که تحمل اضافه‌بار الکتریکی داشته باشد و فقط روی توان اسمی حساب نکنید.

جمع‌بندی ساده: اگر بار شما از نوع کشنده/هل‌دهنده و نسبتاً سنگین است (مثل نوار نقاله، ماردون، یا پمپ‌های PD) معمولاً باید انتخاب VFD را با نگاه HD و «گشتاور ثابت» انجام دهید؛ چون فشار اصلی روی درایو و موتور، همان نیاز دائمی به گشتاور و اضافه‌بارهای شروع حرکت است.

ب) بار گشتاور متغیر = Variable Torque (کلاس کاری نرمال Normal Duty / ND)

در این نوع بارها داستان کاملاً متفاوت است. معنی ساده‌اش این است: هرچه سرعت کمتر شود، بار خیلی سبک‌تر می‌شود و زور کمتری می‌خواهد. این دقیقاً همان چیزی است که در فن‌ها و پمپ‌های سانتریفیوژ می‌بینیم. وقتی سرعت فن یا پمپ را کم می‌کنید، مقاومت هوا یا جریان سیال آن‌قدر پایین می‌آید که موتور دیگر لازم نیست مثل قبل زور بزند.

مقاله این رفتار را «Quadratic» توضیح می‌دهد؛ یعنی رابطه‌ها با سرعت به صورت توانی تغییر می‌کنند. یک عدد خیلی مهم که فهمش برای غیرمتخصص هم ساده است این است: اگر سرعت را به 50% سرعت پایه برسانید، گشتاور مورد نیاز حدود 25% می‌شود. یعنی نصف کردن سرعت، نیاز گشتاور را تقریباً یک‌چهارم می‌کند. همین یک جمله نشان می‌دهد چرا این بارها برای کنترل دور با VFD فوق‌العاده‌اند.

از آن مهم‌تر، توان مصرفی در فن و پمپ‌های سانتریفیوژ معمولاً با «مکعب سرعت» تغییر می‌کند. یعنی کاهش کوچک در سرعت، کاهش بزرگی در توان می‌دهد. برای اینکه حسش کنید: اگر سرعت از 100% به 80% برسد، توان تقریبی می‌شود 0.8³ که حدود 0.512 است؛ یعنی نزدیک 51% توان. پس فقط با 20% کم کردن سرعت، حدود نصف توان مصرفی کم می‌شود. این همان دلیل اصلی است که VFD در کاربردهای فن و پمپ معمولاً هم کنترل خوبی می‌دهد و هم صرفه‌جویی انرژی واقعی ایجاد می‌کند.

از نظر انتخاب درایو هم معمولاً فشار استارت مثل بارهای گشتاور ثابت نیست. چون در سرعت‌های پایین، بار سبک‌تر است، معمولاً نیاز به اضافه‌بار شروع زیاد ندارید و بسیاری از انتخاب‌ها در کلاس ND جواب می‌دهند. البته این «معمولاً» است؛ اگر شرایط خاص مثل راه‌اندازی زیر بار سنگین، ضربه‌های هیدرولیکی یا نیاز به شتاب‌گیری خیلی سریع داشته باشید، باز باید دقیق‌تر بررسی شود، ولی در کاربرد استاندارد فن/پمپ سانتریفیوژ نگاه غالب همان ND است.

پ) بار توان ثابت = Constant Power (CP)

در این گروه، ماشین طوری رفتار می‌کند که انگار «توان» باید تقریباً ثابت بماند، حتی اگر سرعت تغییر کند. یعنی هدف این نیست که همیشه زور ثابت باشد یا همیشه بار سبک/سنگین شود؛ هدف این است که ماشین در محدوده کاری خودش یک سطح از توان را نگه دارد. مثال‌هایی که مقاله آورده شامل ماشین‌ابزارهایی مثل سنگ‌زنی و تراش و همچنین وایندرهاست.

برای ساده فهمیدن CP یک نکته کلیدی کافی است: چون توان تقریباً ثابت است، وقتی سرعت بالا می‌رود، گشتاور باید پایین بیاید، و وقتی سرعت پایین می‌آید، گشتاور باید بالا برود. یعنی در سرعت‌های پایین، ماشین ممکن است زور بیشتری بخواهد تا همان توان خروجی را حفظ کند. به همین دلیل، در کاربردهای توان ثابت معمولاً محدوده‌های سرعت و گشتاور حساس‌ترند و انتخاب VFD و موتور باید دقیق‌تر انجام شود؛ چون ممکن است در بخشی از کار، بار از نظر گشتاور سنگین‌تر از چیزی باشد که با نگاه ساده به توان اسمی تصور می‌کنید.

جمع‌بندی خیلی ساده: در CP شما بیشتر با «تغییر نسبت گشتاور و سرعت» سروکار دارید، نه با ثابت بودن یکی از آن‌ها. برای همین هم در وایندرها و ماشین‌ابزارها انتخاب درست درایو به محدوده کاری واقعی و شرایط بار بستگی دارد و بهتر است فقط با یک عدد توان تصمیم گرفته نشود.

 نکته مهم: بسیاری از درایوها قابلیتی با عنوان Energy Saving یا مشابه آن دارند. در این حالت، درایو با توجه به بار لحظه‌ای، ولتاژ خروجی را در سرعت‌های پایین کمی کاهش می‌دهد تا تلفات مسی و آهنی موتور کم شود. این روش در کاربردهایی مانند پمپ‌ها و فن‌ها، مخصوصاً زمانی که سیستم دائماً با حداکثر ظرفیت کار نمی‌کند، منجر به کاهش محسوس مصرف برق می‌شود.

شرایط و نیازهای پروژه

علاوه بر مشخصات  شبکه، موتور و نوع بار، الزامات خاص هر پروژه نیز در انتخاب درایو نقش جدی دارند. دو پروژه با موتور و توان یکسان، ممکن است به دلیل تفاوت در نحوه کنترل و مانیتورینگ، به دو مدل درایو کاملاً متفاوت نیاز داشته باشند.

تعداد ورودی‌ها و خروجی‌ها (I/O)

فرض کنید در یک خط بسته‌بندی، قرار است سرعت موتور بر اساس چند سنسور مختلف (مثل سنسور حضور محصول، سنسور ارتفاع، و یک سنسور دما برای جلوگیری از گرم‌شدن دستگاه) کنترل شود و در عین حال، چند نوع فرمان محلی و دور از چند نقطه مختلف به درایو برسد. در این سناریو، تعداد ورودی‌های دیجیتال و آنالوگ درایو بسیار مهم می‌شود.
اگر بخواهیم افزون بر این، فشار یک مدار پنوماتیکی را نیز توسط ترانسمیتر به درایو بدهیم تا در منطق کنترلی لحاظ شود، باید مطمئن باشیم تعداد ورودی‌های آنالوگ کافی است. در غیر این صورت یا مجبور به حذف برخی سیگنال‌ها می‌شویم یا باید سراغ درایوی با I/O بیشتر برویم.

کارت‌های توسعه I/O
 بسیاری از اینورترها امکان نصب کارت‌های توسعه ورودی/خروجی را فراهم کرده‌اند. در پروژه‌هایی که تعداد سنسورها، شستی‌ها یا سیگنال‌های کنترلی زیاد است، به‌جای تعویض کامل درایو، می‌توان با افزودن این کارت‌ها، تعداد I/O قابل استفاده را افزایش داد و نیازهای کنترلی پروژه را پوشش داد.

جمع بندی نهایی

در این مقاله توضیح دادیم که انتخاب درایو برای موتور های سنکرون فقط بر اساس توان موتور کار درستی نیست.به مشخصات شبکه برق، شامل نوع برق ورودی (تک‌فاز/سه‌فاز) و ولتاژ شبکه پرداختیم.پارامترهای موتور مثل توان، جریان بار کامل (FLA) و سرعت نامی را به‌عنوان معیارهای اصلی انتخاب بررسی کردیم.نوع بار را به دو دسته گشتاور ثابت و گشتاور متغیر تقسیم کردیم و تأثیر آن بر سایزبندی درایو را گفتیم. در نهایت، شرایط پروژه مثل تعداد ورودی/خروجی‌ها و نیازهای کنترلی را به‌عنوان عامل تکمیلی در انتخاب اصولی درایو مطرح کردیم.