حذف کنتاکتورهای اصلی با استفاده از درایوهای نسل جدید

حضور درایوهای الکتریکی در صنعت آسانسور به اواسط دهه 90 میلادی بر می گردد. با ورود درایوها به این بازار، بستری مناسب برای آسانسورهای کششی کم صدا و با راندمان بالا آماده شد. برای سالها، شرکتهای آسانسوری از درایوهای صنعتی استفاده می کردند. در نگاه اول این درایوها تنها راه حل مقرون به صرفه بودند. زمانبر بودن تنظیم این درایوها، فقدان توابع مناسب کاربرد آسانسوری و امکانات عیب یابی محدود مهمترین اشکالات این دستگاه ها بودند. پس از آن کم کم درایوهای خاص آسانسوری وارد بازار شدند که محدودیت های درایوهای نسل قبل را نداشتند و تنظیم آنها نیز ساده تر بود .
اینک در آستانه دوره جدیدی از عرضه درایوها هستیم. این درایوها با قابلیت کنترلی بالا و عدم نیاز به کنتاکتور موتور و بالطبع عملکرد بدون صدا ، فصل جدیدی را در دنیای آسانسور باز خواهند کرد .
تا پیش از این تاریخ، مطابق با استاندارد ایران و البته استانداردهای جهانی، در مسیر بین درایو و موتور باید از دو عدد کنتاکتور استفاده می شد. مطابق شکل 1 عملکرد این کنتاکتورها به عوامل متعددی وابسته هستند که بالاترین اولویت مربوط به مدار ایمنی است .

وجود این کنتاکتورها و قطع و وصل شدن پی در پی آنها سبب ایجاد سر و صدا می شود. سر و صدای حاصل از عملکرد کنتاکتورها سبب ناراحتی ساکنین ساختمان ها می شود. این موضوع در ساختمان های با ارتفاع زیاد یا تراکم بالا که به موتور با توان بالاتر نیاز دارد، بیشتر احساس می شود، زیرا با افزایش توان موتور، کنتاکتورهای آن هم باید بزرگتر انتخاب شوند و به همین علت سر و صدای بیشتری ایجاد می شود. بارها مشاهده شده که ساکنین طبقات آخر چنین ساختمان هایی از وجود سر و صدای آسانسور که عمدتا مربوط به صدای کنتاکتورهاست شاکی بوده اند. وقتی پای آسانسورهای بدون موتورخانه (MRL) که موتور و درایو درون چاه آسانسور نصب شده اند به میان می آید، مشکل دو چندان می شود .
وجود صدای ناشی از قطع و وصل کنتاکتورها، هزینه به کار گیری، نصب و سیم کشی آنها به علاوه فضای مورد نیاز نصب که سبب بزرگتر شدن اندازه تابلو کنترل می شود همه دلایلی هستند که راه را برای ورود تابلوهای بدون کنتاکتور باز می کنند .
از سوی دیگر وجود این کنتاکتورها و بازخورد آنها به سیستم کنترلی سبب ایجاد ایمنی بالاتری می شود. یکی از مهمترین استفاده های کنتاکتور اتصال کوتاه کردن سه فاز موتور گیرلس در زمان عدم استفاده از موتور است. اتصال کوتاه شدن فازهای موتور، سبب ایجاد نوعی خاصیت ترمزی وابسته به سرعت می شود. در نتیجه سرعت موتور در مقدار کمی ثابت خواهد ماند و از سرعت گرفتن بیش از حد آن جلوگیری می کند .
حال سوال این است که چگونه می توان بدون از دست دادن ایمنی و برآورده کردن خواسته های استاندارد، کنتاکتورهای موتور را از تابلوی کنترل خط زد؟ پیشرفت تکنولوژی، بکار گیری آنالیز ریسک و انجام تستهای متعدد و پیچیده توسط سازمانهای بین المللی معتبر بر روی درایوها این امکان را فراهم نموده که بدون از دست دادن ایمنی، کنتاکتورهای اصلی حذف شوند .
تطابق با استاندارد:
مطابق با استاندارد EN 81-1 تغذیه موتور باید توسط دو کنتاکتور مستقل قطع شود. کنتاکت های هر کدام باید به صورت سری در مسیر تغذیه موتور قرار داشته باشند. اگر در حالی که آسانسور فرمان حرکت ندارد، حداقل یکی از کنتاکتورها باز نشده باشد، باید از حرکت کابین جلوگیری شود .
تا به این تاریخ، امکان بهره برداری از آسانسور بدون استفاده از کنتاکتور موتور در استاندارد EN81-1 بیان نشده است. با به کار بردن استانداردهای دیگری با الزامات ایمنی بالاتر، امکان استفاده از آسانسور بدون استفاده از کنتاکتور میسر است .
برخی سازندگان درایو، نسلهای جدید خود را به بازار ارائه نموده اند و بیش از یک سال است که این محصولات در اروپا و سایر کشورهای پیشرفته در حال کار می باشند. این شرکتها بر اساس آنالیز ریسک و استانداردهای زیر مجوز استفاده از درایوهای خود را بدون استفاده از کنتاکتور گرفته اند .
• — EN / IEC 61800-5-2 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 5-2: Safety requirements – Functional (IEC 61800-5-2:2007)
• — EN ISO 13849-1 Safety of machinery – Safety-related parts of control systems – Part 1: General principles for design

با استفاده از تحلیل ریسک منطبق با استانداردهای فوق، استانداردهای ایمنی زیر در یک سیستم آسانسوری لازم الاجرا می باشند:
• IEC 61800-5-2: SIL 3 with STO (Safe Torque Off)
• EN ISO 13849-1 : Safety Integrity Level (SIL) 3 according to EN 61800-5-2

با استفاده از تابع STO نیاز به کنتاکتور های اصلی به طور کلی برطرف می شود. این درایوهای نسل جدید مطابق با تمام استانداردهای ایمنی بوده و تمام الزامات مربوط به عملکرد ایمن یک موتور آسانسور را برآورده می سازد .

تابع STO (Safe Torque Off) :
این تابع برای برآورده کردن الزامات استاندارد در هنگام عملکرد بدون کنتاکتور کاربرد دارد و از حرکت ناخواسته کابین جلوگیری می کند. این تابع دارای یک یا دو ورودی مشروط به مدار ایمنی است. هر کدام از این ورودی ها به صورت مستقل از هم به مدار ایمنی وابسته هستند. در حالتی که دو ورودی مستقل برای STO در نظر گرفته شده باشد، برای انجام هر حرکت، باید هر دو ورودی فعال شوند. در زمانهای استراحت نیز باید هر دو ورودی قطع باشند. فعال بودن تنها یک ورودی در هر شرایطی نشان از وجود خطا در سیستم است. در طول حرکت به محض قطع شدن ورودیها، حرکت متوقف شده و کنتاکتورهای ترمز و موتور غیر فعال و ولتاژ خروجی برداشته می شود .
در حقیقت تابع STO بر روی مدارات تحریک کننده گیت IGBT های درایو عمل می کند. در صورتی که این تابع (ورودی های آن) فعال نباشد، عملا IGBT ها روشن نمی شوند و ولتاژ خروجی درایو قطع خواهد شد. می توان گفت این تابع عملکردی نسبتا مستقل از سایر توابع درایو دارد. شرط لازم برای به کارگیری STO کم بودن احتمال رخداد خطا و ایمن بودن آن نسبت به اغتشاشات الکترومغناطیسی پیرامون است. به عنوان مثال احتمال رخداد خطا در یک ساعت کاری برای یک درایو نمونه حدود 3*10-10 است. یا میانگین زمانی رخداد یک خطای خطرناک برای هر کدام از ورودی های STO حدود 410 سال است !
برای رسیدن به چنین نتایجی آزمایشهای متعددی بر اساس Risk Analysis روی درایو انجام می شود .
نکته دیگر آنکه هر چند عملکرد این تابع به صورت سخت افزاری است اما نباید این تابع را مشابه تابع Enable دانست. شکلهای 2 و 3 تفاوت بین تابع STO و Enable (Base Block) را نشان می دهد .

شکل 2: نحوه عملکرد تابع Enable ( Base Block یا Hardware Enable)

شکل3: نحوه عملکرد تابع STO

نجات اضطراری ایمن در آسانسورهای گیرلس

اتصال کوتاه کردن سه فاز موتور سنکرون (Gearless) از شتاب گرفتن کنترل نشده موتور جلوگیری می کند و سرعت آن را در مقدار کمی محدود خواهد کرد. این ویژگی سبب ایمن شدن نجات اضطراری در زمان باز شدن ترمز مکانیکی موتور می شود. تا پیش از این، در کاربردهای بدون کنتاکتور از یک وسیله الکترو مغناطیسی برای اتصال کوتاه کردن سه فاز موتور استفاده می شد. استفاده از این وسیله (کنتاکتور) بسیاری از مزایای استفاده از “عملکرد بدون کنتاکتور” مانند عملکرد بی صدا و مصرف انرژی کمتر را از بین می برد. درایوهای نسل جدید از “مدارات اتصال کوتاه الکترونیکی” بهره می برند. برخی از ویژگی های این قابلیت عبارتند از:
1- حفاظت اتصال کوتاه 4 قطب ارزان قیمت
2- عدم وجود نویز الکتریکی
3- مصرف انرژی کمتر
4- نیاز به فضای کمتر و در نتیجه کوچکتر شدن تابلو کنترل
این نوع اتصال کوتاه سه فاز موتور، حتی زمانی که فک ترمز بسته است نیز فعال است و عملکردی مشابه با اتصال کوتاه شدن از طریق کنتاکتور دارد .

مزایای “عملکرد بدون کنتاکتور:
“عملکرد بدون کنتاکتور” برای تولید کننده و مشتری نهایی مزایای زیادی دارد. در ادامه این مزایا فهرست شده اند :
• کاهش قطعات مورد استفاده
• مصرف انرژی کمتر
• کاهش آلودگی صوتی ناشی از قطع و وصل کنتاکتورها
• کاهش فضای مورد نیاز تابلو کنترل
• صرفه اقتصادی
• هزینه سیم کشی کمتر
• اغتشاشات الکترومغناطیسی کمتر
• عملکرد بهینه زمانی در start وstop

شکل 4 بخشی از نقشه سیم کشی یک نمونه کنترل بدون کنتاکتور را نشان می دهد.

شکل 4: بخشی از نقشه سیم کشی عملکرد بدون کنتاکتور

سازگاری با امواج الکترومغناطیسی (EMC)

برای عملکرد مطمئن، درایو باید در مقابل اغتشاشات مغناطیسی پیرامون محافظت شود. همچنین اغتشاشات مغناطیسی حاصل از عملکرد درایو نباید منجر به مختل شدن عملکرد سایر تجهیزات پیرامون درایو شود. این موضوع نیاز به استفاده از فیلترینگ مناسب را توجیه می کند.
حتی با تجربه ترین متخصصین نیز پاسخ مناسبی برای انتخاب و طراحی ادوات فیلترینگ مناسب در مواجهه با مسئله اغتشاشات الکترومغناطیسی و فائق آمدن بر آنها ندارند.
به دلایل اقتصادی برخی تولید کنندگان قطعات، حتی فیلترهای خط دیگر تولید کنندگان را پیشنهاد نمی دهند.
اما مطابق با الزامات استاندارد های معتبر اروپایی، دستگاه ها باید محدودیت های EN12015 را برآورده سازند. یکی از الزامات این استاندارد محتوای هارمونیکی کمتر از 30% برای مولفه پنجم جریان به مولفه اصلی آن است (I5/I1). بدون استفاده از فیلتر خط، چنین هدفی قابل دستیابی نیست.
به هر حال محتوای هارمونیکی بالا منجر به عملکرد نامطمئن ادوات الکترونیکی و یا کوتاه شدن عمر مفید آنها می شود.
شایان ذکر است، حذف کنتاکتور نیز منجر به کاهش امواج الکترومغناطیسی خواهد شد.
درایوهای نسل جدید با بکارگیری انواع فیلترهای ورودی و خروجی علاوه بر برآورده کردن خواسته های استاندارد، عملکردی مطمئن تر و کم نقص تری دارند.
نتیجه گیری:
مطابق با استاندارد EN81-1 استفاده از دو کنتاکتور در مسیر بین درایو تا موتور الزامی است. وجود کنتاکتورها سبب ایمنی بالاتر عملکرد سیستم آسانسوری می شود. از طرفی هزینه اضافی برای تهیه ، نصب و سیم کشی کنتاکتورها، سر و صدای حاصل از قطع و وصل شدن آنها و نیاز به فضای بیشتر در تابلو کنترل، دلایلی برای حذف آنها هستند. برای این منظور باید توابعی به درایو اضافه شوند که حفظ ایمنی را تضمین کنند. درایوهای نسل جدید این ویژگیها را با استفاده از تابعی به نام STO اجرا می کنند. همچنین می توانند سه فاز موتور را در حالتی که درایو فرمان حرکت ندارد اتصال کوتاه کند تا از شتاب گرفتن موتور جلو گیری شود. همچنین برای ایمن بودن در برابر نویز و اغتشاشات الکترومغناطیسی دارای فیلترهای مناسب و به صورت یکپارچه می باشد.
استفاده از فیلترهای مناسب، استفاده از IGBT های خاص برای اتصال کوتاه کردن سه فاز موتور گیرلس در صورت لزوم، به کارگیری تابع STO ، عملکرد بدون کنتاکتور ، توابع کنترلی قدرتمند و تحلیل ریسک ” به دنیای درایوهای جدید خوش آمدید!”