در مقالات قبل به مباحث تئوری درایوهای کنترل دور پرداختیم؛ حال به طراحی کاربردی و عملی درایوها می پردازیم.
در مقاله قبل توضیح داده شد که یک درایو از ماژول های IGBT، لینک DC متشکل از یک خازن و مدارات مجتمع پیشرفته الکترونیکی ساخته شده است. حال این ماژول ها باید به شکلی بهینه کنار هم قرار بگیرند و در یک پکیج جای داده شوند تا بتوان در یک محل صنعتی از آن بهره برداری کرد.
مدارهای الکترونیک قدرت معمولا روی یک بُرد کنار هم قرار می گیرند و به آن برد ماژول قدرت می گویند. از آنجا که بخشی از تلفات این ادوات به صورت حرارت است، یک هیتسینک باید روی آن قرار بگیرد که معمولا از آلومینیوم یا آلیاژ آن است. هیتسینک نیز توسط یک فن خنک خواهد شد مگر این که درایو خیلی کوچک باشد که در آن صورت فن نخواهد داشت. سازندگان خوب درایوها فن ها را به صورتی طراحی می کنند که تنها در صورت داغ شدن هیتسینک وارد عمل شوند، این بدین دلیل است که فن ها با گذشت زمان و کارکرد زیاد زودتر خراب می شوند و عیب بعدی آن ها این است که ممکن است گرد و خاک و ذرات نامطلوب را وارد درایو کنند.
در کنار ماژول قدرت معمولا یک بُرد قدرت قرار می گیرد که حاوی مدارات مربوط به IGBT است. این بُرد متشکل از مدارات IGBT، منبع تغذیه، مدارات اندازه گیری جریان و مدار جریان هجومی خواهد بود. همه اینها سپس به بُرد کنترلی مرتبط خواهند شد.
هر IGBT یک مدار فرمان آتش نیاز دارد. این مدارات IGBT را متناسب با نیاز خاموش یا روشن می کنند و به همین دلیل مستقیما به IGBT ها و بخش قدرت درایو متصل هستند. این مدارات فرمان خود نیاز به تغذیه دارند، در نتیجه چهار تغذیه جداگانه مورد نیاز هستند، برای هر IGBT بالایی یک عدد و برای سه IGBT پایینی یک عدد. از آنجا که منبع تغذیه مورد نظر باید مدارات کنترلی، فن ها و سایر مصرف کننده ها را تغذیه کند، کمی کار پیچیده می شود. برای حل این مساله معمولا از یک IGBT کوچک استفاده می شود که یک ترانس فرکانس بالا را از طریق لینک DC تغذیه می کند و از ثانویه چندگانه این ترانسفورماتور برای تغذیه قسمت های مختلف استفاده می شود.
اندازه گیری جریان در درایو اهمیت بالایی دارد و کار چالش برانگیزی است. از آن جهت حائز اهمیت است که برای کنترل مناسب موتور و اعمال حفاظت مناسب، نیاز به پایش جریان های خروجی وجود دارد. چالش اصلی این اندازه گیری نیز از این جهت است که نقاط اندازه گیری یا در خروجی درایو یا در لینک DC هستند و نیاز به تغذیه و ایزولاسیون دارند تا بتوانند سیگنال را به مدار کنترل بفرستند. پیاده سازی عملی چنین ملزوماتی نیازمند چندین سنسور اثر هال برای اندازه گیری جریان خروجی و همچنین یک یا دو سنسور یا شنت مقاومتی سریع در لینک DC است.
خازن لینک DC نیز روی یک بُرد قدرت قرار می گیرد و زمانی که درایو برای اولین بار روشن شود دشارژ می شود، بنابراین از مداری متشکل از یک رله و مقاومت برای محدود کردن جریان هجومی استفاده می شود. خازن از طریق مقاومت شارژ می شود و پس از حدود دو ثانیه رله بسته می شود تا مقاومت اتصال کوتاه شود و عملکرد عادی کار ادامه یابد.
تا به اینجا در رابطه با بُردهای قدرت حرف زدیم. در درایوهای بزرگ این بُردها از طریق کابل ها یا شینه ها به IGBT ها و خازن های متصل می شوند. در درایوهای کوچکتر همه این ادوات روی خود بُردهای قدرت سوار می شوند.
مدارات کنترلی معمولا بین بُردهای مداری قدرت و کنترلی تقسیم می شوند. یک مدار مجتمع IC مخصوص روی یکی از بردهای قدرت سیگنال های روشن و خاموش را برای گیت های آتش صادر می کنند. این کنترل توسط پردازنده مرکزی روی یک برد کنترلی جداگانه صورت می گیرد و ارتباط بین این دو ماژول از طریق یک لینک سریال بسیار سریع صورت می پذیرد. این کار ایزولاسیون برد کنترلی را آسان تر می کند. . از آن جا که برد قدرت به لینک DC و در نتیجه ولتاژ تغذیه متصل است، ایزولاسیون که با استفاده از اپتوکوپلر انجام می پذیرد در اینجا اهمیت بسیار بالایی دارد.
شکل زیر ظاهر یک درایو کنترل دور کوچک را نشان می دهد. با برداشتن کاور پلاستیکی بالایی می توان المان های اصلی درایو را در شکل های بعد مشاهده کرد.
تا به اینجا المان های داخلی یک درایو را کاملا مورد بررسی قرار دادیم. در این قسمت به بررسی رابط کاربری آن می پردازیم.
ترمینال های قدرت روی یک بُرد قدرت قرار می گیرند، به راحتی قابل دسترسی هستند و به گونه ای طراحی می شوند که برای استفاده برای سایز مورد نظر کابل به اندازه کافی محکم باشند.
ترمینال های روی برد کنترلی کوچکتر خواهند بود چرا که با ولتاژها و جریان های کمتری سر و کار دارند. درایوهای کنترل دور عموما اتصالات متعدد کنترلی و پایشی دارند. این اتصالات شامل ورودی های دیجیتال، ورودی های آنالوگ، خروجی های آنالوگ و اتصالات رله های خروجی هستند. با استفاده از ورودی های دیجیتال می توان اعمال کنترلی مختلفی همچون راه اندازی و توقف درایو، تغییر جهت چرخش، تعیین مراجع ثابت سرعت و … بهره برد. با استفاده از ورودی های آنالوگ نیز می توان برای کنترل سرعت موتور و یا اتصال سنسورهای مختلف برای پیاده سازی انواع فرایندهای اتوماسیونی بهره برد. از خروجی های آنالوگ و رله ها می توان برای اعلام خطا و یا وضعیت های مختلفی همچون روشن/خاموش بودن موتور و یا سرعت موتور و … استفاده کرد. همه این اتصالات را می توان به نحوی پیکربندی کرد که فرآیند اتوماسیونی مورد نظر کاربر حاصل شود. اغلب درایوها همچنین نوعی ارتباط سریال دارند مثل MODBUS که یک شبکه مخابراتی رایج در ایران است. این ارتباط را می توان از طریق یک اتصال مستقل مثلا RJ45 برقرار کرد.
در صفحه جلویی درایو باید تعدادی کلید و یک صفحه نمایش ساده برای تنظیمات و کنترل درایو قرار داشته باشد. صفحه نمایش می تواند به صورت ال ای دی های 7-Seg رایج باشد یا یک صفحه نمایش کامل که اطلاعات کاملتری را به زبان های مختلف ارائه می کند. تمامی این اتصالات کنترلی، کلیدها و صفحه نمایش روی بُرد کنترلی اصلی قرار داده می شوند.
حال تمام المان ها باید در کنار هم در یک پکیج قرار بگیرند. برای درایوهای کوچک تر ممکن است از پوشش های پلاستیکی استفاده شود. برای درایوهای بزرگتر یک محفظه فولادی ممکن است مورد استفاده قرار بگیرد.
اگر قرار باشد درایو داخل یک تابلو قرار بگیرد، احتمالا یک درایو با درجه حفاظت در برابر گردوغبار و رطوبت IP20 کافی است. اما اگر قرار باشد درایو در محیط باز و در معرض محیط صنعتی یا آلوده قرار داشته باشد، سطح بالاتری از حفاظت باید در نظر گرفته شود، مثلا IP55. تقریبا تمامی سازندگان درایو های کنترل دور چنین درجات حفاظتی را ارائه می کنند. این مساله اهمیت بسیار بالایی دارد چرا که در بسیاری از موارد آلودگی های محیطی موجب خرابی درایو می شوند.
در مقاله بعدی به این می پردازیم که چگونه می توانید یک درایو مناسب را انتخاب کرده، و برای نصب و استفاده از آن آماده شوید.
