فن اکسین ویرا

در قسمت قبل دیدیم سرعت چرخش موتور را می توان با تغییر فرکانس اعمالی به آن کنترل کرد. برای کنترل سرعت موتور، باید فرکانس را تغییر دهیم و ولتاژ اعمالی را نیز به گونه ای کنترل کنیم که شار میدان مغناطیسی در مقدار بهینه خود باقی بماند.
تقریبا تمامی درایو های کنترل دور بر این اساس کار می کنند که تغذیه AC ورودی را دریافت می کنند، با یکسوسازی آن را به برق DC تبدیل می کنند و با استفاده از اینورتر برق DC موجود را به برق AC با فرکانس های دلخواه تبدیل می کنند و به عنوان خروجی تحویل می دهند. اینورتر بخش کلیدی آن فرایند است، به همین دلیل است که به درایوهای کنترل دور گاها اینورتر نیز می گویند.
اینورترها و تا حدودی یکسوسازها نیز به نیمه رساناهای مدرن قدرت وابسته هستند که وظیفه شان کلیدزنی و هدایت ولتاژهای بالا و جریان های چند صد آمپری هستند. درایو ها همچنین به ریزپردازنده های قدرتمندی برای کنترل شان نیازمندند. از حدود سه دهه قبل این المان ها با قیمت مناسب و قابلیت اطمینان بالا در اختیار صنایع قرار گرفته اند، در نتیجه درایوها را می توان ادوات صنعتی مدرنی دانست.

اساس عملکرد المان های تشکیل دهنده درایو

از یکسو ساز شروع می کنیم. شکل زیر یک یکسوساز سه فاز متشکل از 6 دیود را نشان می دهد که به یک خازن و مقاومت به عنوان باری ساده متصل هستند.

دیودها تنها در یک جهت هدایت می کنند؛ خازن انرژی را تقریبا مانند باتری ذخیره می کند و مقاومت نیز مثل یک بار عمل می کند. با اتصال منبع تغذیه در سمت چپ تصویر، جریان به خازن تزریق می شود و ولتاژ خازن افزایش می یابد که منجر به شارش جریان در مقاومت می شود.
در حالت ماندگار ولتاژ روی خازن نزدیک به پیک موج ولتاژ سینوسی ورودی خواهد بود. با توجه به این که دیود ها تنها زمانی هدایت می کنند که ولتاژ ورودی از ولتاژ روی خازن بیشتر باشد. متعاقبا، یک پالس کوتاه جریان در هر دیود وجود خواهد داشت که منجر به مشخصه دو قله ای جریان در هر کدام از فازها می شود. اگر از برق تکفاز ورودی استفاده شود تنها چهار دیود مورد نیاز هستند و هر نیم سیکل یک پیک خواهیم داشت، بنابراین به خازن بزرگتری برای نگهداری فاصله بین پیک های ولتاژ نیاز خواهیم داشت.
در سیستم های تکفاز یا سه فاز، این پالس ها می توانند عواقبی برای شبکه داشته باشند که محل بحث در مقاله ای دیگر است. به هر حال، در حال حاضر یک ولتاژ DC تقریبا یکنواخت روی خازن داریم. اگر مقاومت را برداریم و به جای آن یک اینورتر بگذاریم، به مدار اساسی تشکیل دهنده یک درایو کنترل دور می رسیم. به قسمت DC گاهی اوقات لینک DC می گویند که ارتباط دهنده یکسوساز با اینورتر است.

حال به ماژول اصلی درایو می رسیم، یعنی اینورتر. اینورتر از 6 ترانزیستور دوقطبی با درگاه عایقی یا به اختصار IGBT تشکیل شده است. IGBT به عنوان کلید های قدرت بسیار سریع عمل می کنند.
حال می توان یک IGBT از بالا و دیگری از پاین را آتش کرد تا جریان بین هر دو اتصال از اتصالات موتور جاری شود. برای آتش کردن IGBT (به معنی کلیدزنی آن) تنها کافی است چند ولت به درگاه (گیت) آن اعمال شود. با آتش شدن آن، IGBT در جهت فلش روی آن هدایت می کند و بدین شکل می توان جهت جریان مثبت یا منفی را به سمت موتور ایجاد کرد. بدین شکل می توان از DC برق AC ساخت.
آنچه که اهمیت دارد این است که هیچگاه نباید دو IGBT که دقیقا بالای یکدیگر قرار دارند همزمان روشن شوند چرا که این کار موجب اتصال کوتاه دو سر لینک DC می شود. به جای آن، اگه بتوان با دقت IGBT ها را با نظم خاصی روشن و خاموش کرد، می توانیم جریان سه فاز را برای سیم پیچ های موتور فراهم کنیم. اگر بازه زمانی روشن و خاموش ماندن IGBT ها را تغییر دهیم، می توان جریان تزریقی به موتور را کنترل کرد. این بدین دلیل است که از آنجا که جریان موتور خیلی سریع تغییر نمی کند، با تغییر بازه زمانی روشن ماندن IGBT ها می توانیم یک موج جریان سینوسی با فرکانس دلخواه پدید آورد. این کنترل جریان منجر به کنترل سرعت موتور می شود و با همین روش می توان ولتاژ اعمالی به موتور را کهروی میدان مغناطیسی تاثیرگذار است، کنترل کرد.
به کنترل زمان روشن/خاموش بودن IGBT ها مدولاسیون پهنای پالس یا PWM می گویند؛ این تکنیک به صورت ساده تر در شکل زیر به نمایش در آمده است.

در صورتی که ما IGBT ها را چندین هزار بار در ثانیه آتش کنیم (معمولا با سرعتی برای با 4-16kHz) می توانیم موج سینوسی خروجی یکنواخت و با ریپل پایینی بسازیم که در شکل زیر به نمایش در آمده است.

در شکل بالا دیده می شود که ولتاژ خروجی به سمت موتور به جای این که یک موج سینوسی یکنواخت باشد، از تعداد بالایی پالس ساخته شده است. جریانی که موتور می کشد کمی یکنواخت تر است، اما ولتاژ تماما ساخته شده از موج های پالسی IGBT ها هستند. به هرحال موج جریان به وجود آمده برای به حرکت در آوردن موتور در سرعت مورد نظر مناسب است. همانطور که دیده می شود جریان موتوربه دلیل ضریب توان نسبت به ولتاژ آن کمی پس فاز است.
کنترل اینورتر ها بسیار چالش برانگیز است. به دلیل سرعت بالای کلیدزنی، اینورتر ها مانند تجهیزاتی هستند که در صورت کنترل نادرست هر لحظه ممکن است اتصال کوتاه شوند. اما نیمه رساناهای مدرن بسیار قابل اطمینان هستند و توسط پردازنده های سریع و قدرتمندی کنترل می شوند که عملکرد مطمئن و دقیق کلیدزنی های IGBT ها را به ارمغان می آورند.