درایو با سرعت قابل تنظیم (adjustable speed drive) یا ASD یا درایو سرعت متغیر (variable-speed drive) یا VSD، تجهیزی است که برای کنترل سرعت ماشین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند خطوط مونتاژ باید برای محصولات مختلف در سرعت‌های مختلفی به کار گرفته شوند. زمانی که شرایط فرآیند نیازمند تنظیم جریان یک پمپ (pump)، فن (fan) و یا کمپرسور (compressor) باشد، درایو سرعت متغیر در مقایسه با روش‌های دیگر کنترل جریان انرژی بیش‌تری ذخیره می‌کند.

زمانی که سرعت‌ها در چند گام از پیش تنظیم شده انتخاب شده باشند، معمولا به درایوها، درایو با سرعت قابل تنظیم (adjustable speed drive) گفته می‌شود. اگر سرعت خروجی را بتوان به صورت پیوسته در یک طیف و بدون پله تغییر داد، درایو معمولا به عنوان درایو سرعت متغیر (variable speed drive)‌ نامیده می‌شود.

درایوهای سرعت قابل تنظیم و متغیر ممکن است کاملا مکانیکی باشند که به آن‌ها واریاتور (variators) گفته می‌شود و یا الکترومکانیکی، هیدرولیکی، یا الکترونیکی باشند.

دلایل استفاده از VSD

کنترل فرآیند و صرفه‌جویی در مصرف انرژی دو دلیل اصلی برای استفاده از یک درایو با سرعت قابل تنظیم هستند. از لحاظ تاریخی، ASDها برای کنترل فرآیند توسعه داده شدند؛ اما صرفه‌جویی در مصرف انرژی به عنوان یک هدف به همان اندازه مهم پدید آمده است.

تنظیم سرعت به عنوان ابزاری برای کنترل یک فرآیند

در زیر مزایای کنترل فرآیند که توسط یک ASD به دست می‌آید بیان شده است:

• کارکرد نرم‌تر
• کنترل شتاب
• سرعت‌های کاری مختلف برای هر دستور فرآیندی
• جبران تغییر متغیرهای فرآیندی
• اجازه کارکرد آهسته به منظور راه‌اندازی
• تنظیم میزان تولید
• تعیین موقعیت دقیق
• کنترل گشتاور یا تنش
• امکان گرفتن دوباره بار در حال چرخش (به عنوان مثال، ستون آب) پس از قطع شدن
• کاهش مصرف انرژی با استفاده از درایوهای با سرعت قابل تنظیم کارآمد

برخی از کاربردهای رانش با سرعت قابل تنظیم نسبت به بارهای با کارکرد سرعت ثابت انرژی کم‌تری مصرف می‌کنند. فن‌های سانتریفوژ (centrifugal pump) و پمپ‌های سانتریفوژ (centrifugal fan) پر شدت‌ترین بارهای مصرفی در دنیا هستند. از آن‌جا که بیش‌تر انرژی مورد استفاده برای چنین فن‌ها و پمپ‌هایی در حال حاضر از ماشین‌هایی با سرعت ثابت گرفته می‌شود، استفاده از درایوهای با سرعت قابل تنظیم کارآمد برای این بارها در دستگاه‌های نوسازی شده و یا جدید بیش‌ترین پتانسیل صرفه‌جویی انرژی در آینده را ایجاد می‌کند. برای مثال وقتی یک فن به طور مستقیم توسط یک موتور سرعت ثابت رانده می‌شود، جریان هوا همواره بالاتر مقداری است که باید باشد. جریان هوا می‌تواند با استفاده از یک دمپر (damper) تنظیم شود؛ ولی کارآمدتر آن است که به طور مستقیم سرعت موتور فن تنظیم شود. با توجه به قوانین وابستگی (affinity laws) کاهش سرعت فن به ۵۰ درصد سرعت کامل می‌تواند منجر به افت مصرف توان به حدود ۱۲٫۵ درصد از توان کامل شود.

VSDهای مکانیکی

دو نوع درایو مکانیکی وجود دارد:

• درایوهای با گام متغیر (variable pitch drives)
• درایوهای تراکشن (traction drives)

درایوهای با گام متغیر درایوهای پولی و تسمه‌ای هستند که در آن قطر گام یک یا هر دو پولی را می‌توان تنظیم کرد. درایوهای کششی (traction drives) از طریق چند غلتک فلزی جفت شده با یکدیگر می‌چرخند و توان را منتقل می‌کنند. نسبت سرعت ورودی/خروجی با حرکت دادن غلتک‌ها برای تغییر قطر مسیر تماس تنظیم می‌شود. اشکال و طرح‌های مختلفی از غلتک‌های مکانیکی استفاده شده است.

VSDهای هیدرولیکی

سه نوع درایو هیدرولیکی با سرعت متغیر وجود دارد:

• درایوهای هیدرواستاتیک (hydrostatic drives)
• درایوهای هیدرودینامیک (hydrodynamic drives)
• درایوهای هیدروویسکوز (hydroviscous drives)

درایو هیدرواستاتیک شامل یک پمپ هیدرولیک و یک موتور هیدرولیک است. از آن‌جا که از پمپ‌های جابه‌جایی مثبت (positive displacement pumps) و موتور استفاده می‌شود، یک دور تناوب پمپ و یا موتور مطابق است با یک حجم تنظیم شده از جریان سیال که بدون توجه به سرعت و یا گشتاور جابه‌جا می‌شوند. سرعت با تنظیم جریان سیال به وسیله یک ولو (valve) یا با تغییر جابه‌جایی پمپ و یا موتور تنظیم می‌شود. انواع طراحی‌های مختلفی استفاده شده‌اند. درایو صفحه لرزشی (swash plate drive) از یک پمپ پیستونی محوری و یا موتور استفاده می‌کند که در آن زاویه صفحه لرزان را می‌توان برای تنظیم جابه‌جایی و در نتیجه تنظیم سرعت تغییر داد. درایوهای هیدرودینامیکی یا کوپلینگ سیالی (fluid coupling) از روغن برای انتقال گشتاور بین پروانه موجود بر روی شافت ورودی با سرعت ثابت و روتور بر روی شافت خروجی با سرعت قابل تنظیم استفاده می‌کنند. مبدل گشتاور (torque converter) در گیربکس اتوماتیک خودرو نوعی درایو هیدرودینامیکی است.

گیربکس CVT

درایوهای با سرعت قابل تنظیم مکانیکی و هیدرولیکی زمانی که در خودروها، تجهیزات کشاورزی و برخی دیگر از انواع دیگر تجهیزات استفاده شوند، معمولا گیربکس متغیر پیوسته (continuously variable transmissions) یا CVT نامیده می‌شوند.

VSDهای الکتریکی

انواع کنترل

کنترل می‌تواند به معنی قابلیت تنظیم به صورت دستی، با استفاده از یک دستگاه پتانسیومتر و یا دستگاه‌های اثر هال خطی که نسبت به گرد و غبار و چربی مقاوم‌تر هستند باشد و یا می‌تواند به صورت اتوماتیک انجام شود؛ به عنوان مثال با استفاده از یک آشکارساز دوار همانند یک رمزگذار نوری کد خاکستری.

انواع درایوها

سه دسته کلی از درایوهای الکتریکی وجود دارند:

• درایوهای موتور جریان مستقیم
• درایوهای جریان گردابی (eddy current drives)
• درایوهای موتور جریان متناوب

هر کدام از این انواع کلی را می‌توان به گونه‌های مختلفی تقسیم کرد. درایوهای الکتریکی به طور کلی شامل یک موتور الکتریکی و یک دستگاه یا سیستم کنترل سرعت می‌شوند. عبارت درایو (drive) اغلب به کنترلر بدون موتور گفته می‌شود. در روزهای اولیه تکنولوژی درایو الکتریکی، از سیستم‌های کنترل الکترومکانیکی (electromechanical control systems) استفاده می‌شد. پس از آن کنترلرهای الکترونیکی با استفاده از انواع مختلفی از لوله‌های خلاء (vacuum tubes) طراحی شدند. زمانی که قطعات مناسب الکترونیکی حالت جامد در دسترس قرار گرفتند، طرح‌های کنترلی جدید با آخرین فن‌آوری‌های الکترونیکی به کار بسته شدند.

درایوهای DC

درایوهای DC، موتورهای DC با سیستم‌های کنترل سرعت موتور هستند. از آن‌جا که سرعت موتور DC به طور مستقیم با ولتاژ آرمیچر متناسب و با شار موتور (تابعی از جریان میدان) معکوس است، ولتاژ آرمیچر و یا جریان میدان را می‌توان برای کنترل سرعت مورد استفاده قرار داد.

درایوهای جریان گردابی

یک درایو جریان گردابی شامل یک موتور سرعت ثابت و یک کلاچ جریان گردابی است. کلاچ شامل یک روتور با سرعت ثابت و یک روتور با سرعت قابل تنظیم است که به وسیله یک فاصله هوایی کوچک از هم جدا شده‌اند. یک جریان مستقیم در یک سیم‌پیچ میدان (field coil) یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که تعیین‌کننده گشتاور منتقل شده از روتور ورودی به روتور خروجی می‌شود. کنترلر با تغییر جریان کلاچ امکان تنظیم سرعت حلقه بسته و به کلاچ امکان انتقال گشتاور کافی برای کار در سرعت مورد نظر را می‌دهد. فیدبک سرعت معمولا از طریق یک سرعت سنج AC یکپارچه فراهم می‌شود.

درایوهای جریان گردابی، سیستم‌های کنترل لغزش هستند و تمام انرژی لغزشی آن‌ها به صورت حرارت تلف می‌شود. به همین دلیل چنین درایوهایی معمولا نسبت به درایوهای بر مبنای تبدیل AC-DC-AC راندمان کم‌تری دارند. موتور گشتاور مورد نیاز برای بار را ایجاد و در سرعت کامل کار می‌کند. شافت خروجی همان گشتاور را به بار منتقل می‌کند اما با سرعت کندتری می‌چرخد. از آن‌جا که توان با حاصل‌ضرب گشتاور در سرعت موتور متناسب است، توان ورودی متناسب است با سرعت موتور ضرب در گشتاور در حالی است که توان خروجی برابر است با سرعت خروجی ضرب در گشتاور کاری. تفاوت بین سرعت موتور و سرعت خروجی سرعت لغزش (slip speed) نامیده می‌شود. توان متناسب با سرعت لغزش ضرب در گشتاور کاری به صورت حرارت در کلاچ از بین می‌رود.

درایوهای AC

درایوهای AC، سیستم‌های کنترل سرعت موتورهای AC هستند.

درایو موتور القایی با روتور کلافی با کنترل لغزشی (slip-controlled wound-rotor induction motor) یا درایو WRIM سرعت را با تغییر لغزش به وسیله رینگ‌های لغزشی (slip rings) روتور و از راه بازیافت الکترونیکی توان لغزش که به باس استاتور بازگشت می‌شود و یا تغییر مقاومت الکتریکی مقاومت‌های خارجی در مدار روتور کنترل می‌کند. همراه با درایوهای جریان گردابی، درایوهای مبتنی بر مقاومت WRIM محبوبیت خود را به دلیل راندمان کم‌تر نسبت به مبتنی بر AC-DC-AC از دست داده‌اند و تنها در شرایط خاص استفاده می‌شوند.

سیستم‌های بازیافت انرژی لغزش، انرژی را به باس استاتور WRIM بازگشت می‌دهند و انرژی لغزش را تبدیل و آن را به استاتور تغذیه می‌کنند. در غیر این صورت در درایوهای WRIM مبتنی بر مقاومت چنین انرژی بازیافتی به صورت حرارت تلف می‌شد. درایوهای سرعت متغیر بازیافت انرژی لغزش در کاربردهایی مانند پمپ‌ها (pumps) و فن‌های (fans) بزرگ، توربین‌های بادی (wind turbines)، سیستم‌های نیروی محرکه کشتی، پمپ‌ها و ژنراتورهای آبی بزرگ و ابزار ذخیره‌سازی انرژی در فلای‌ویل استفاده می‌شوند.

یک VFD سرعت یک موتور القایی یا سنکرون را با تنظیم فرکانس برق عرضه شده به موتور تنظیم می‌کند.

هنگامی که فرکانس VFD را در کاربردهای با گشتاور متغیر کم راندمان با استفاده از کنترل ولت در هر هرتز (V/Hz) تغییر می‌دهیم، نسبت ولتاژ به فرکانس موتور AC را می‌توان ثابت نگه داشت و توان آن را بین فرکانس‌های کاری کمینه و بیشینه تغییر داد. کارکرد با ولتاژ ثابت در بالای فرکانس پایه و در نتیجه با نسبت V/Hz کم‌تر، گشتاور کم‌تر و توان ثابت را فراهم می‌کند.