قطع ایمن گشتاور(Safe Torque Off) در درایوهای فرکانس متغیر

عملکرد قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر که به اختصار STO نامیده می‌شود، یک ویژگی و عملکرد ایمنی جهت قطع جریان خروجی درایو برای جلوگیری از تولید گشتاور است.

۲۹ آذر ۱۴۰۱

یونس نجف نیا، کابین نیوز – با ادامه پیشرفت فناوری، آسانسورها بواسطه افزایش وابستگی به ریزپردازنده ها و قطعاتی که به منظور عملکردهای ایمنی طراحی شده‌اند، پیچیده‌تر می‌شوند. یکی از قطعاتی که امروزه بدلیل قابلیت ها و مزایای آن نقش اساسی و جدایی ناپذیری در سیستم آسانسورها ایفا می‌کند، درایوهای فرکانس متغیر(Variable Frequency Drives) است. امروزه شاهد آن هستیم که درایوهای فرکانس متغیر(VFD) به صورت فزاینده‌ای توانمند و پیچیده شده‌اند و عملکردهای ایمنی بیشتری مستقیماً در آنها گنجانده شده است.
پیشرفت در فناوری ساخت ریزپردازنده‌ها و سایر فناوری‌ها این امکان را فراهم نموده تا درایوها با ایمنی بسیار بالاتر و پیشرفته‌تری از گذشته عمل نمایند. این ویژگی‌های جدید درایوها، بسته به موقعیت و نوع طراحی، می‌تواند این اجازه را به کنترلر آسانسور بدهد تا بخشی از وظایف ایمنی سیستم را به درایو محول نماید. در این مقاله قصد داریم به مبحث قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر بپردازیم.

شکل 1 – درایو الکتریکی

شکل 2 – اینورتر

موتورهای AC مورد استفاده در صنعت آسانسور، اعم از القایی(آسنکرون) یا مغناطیس دائم(سنکرون) توسط درایوهای فرکانس متغیر(از این پس در این متن “درایو” ذکر خواهد شد) راه اندازی می‌شوند. موتورهای سنکرون و آسنکرون سه فاز برای راه اندازی نیاز به یک میدان مغناطیسی دوار سه فاز دارند که توسط یک اینورتر ایجاد می‌شود. در اینورتر، IGBT ها(insulated-gate bipolar transistors) با استفاده از فرمانی که از خروجی واحد مدولاسیون عرض پالس(pulse-width modulation) دریافت می‌کنند، میدان مغناطیسی دوار را ایجاد می‌نمایند. در صورتیکه یک IGBT در درایو از کار بیفتد، یک میدان DC به موتور اعمال می‌شود. ایجاد چنین میدانی به این معناست که در یک موتور AC آسنکرون هیچ میدان مغناطیسی دواری ایجاد نمی‌شود و در نتیجه شفت موتور به چرخش در نخواهد آمد.

در یک موتور سنکرون نیز، یک میدان DC به موتور اعمال خواهد گردید که در صورت امکان، میدان موتور با میدان DC هم راستا خواهد شد. این هم راستایی ممکن است باعث چرخشی معادل نیمی از چرخش ایجاد شده از یک جفت قطب شود. به عنوان مثال یک موتور سنکرون 20 قطبی را در نظر بگیرید که دارای 10 جفت قطب است. در صورت اعمال یک میدان DC به این موتور، شفت موتور می‌تواند تا دور بچرخد. البته ایجاد این چرخش به عوامل خارجی از جمله ترمز و بارگذاری مکانیکی مانند نیروی گرانشی وارد بر بار بستگی دارد.

شکل 3 – IGBT ها در اینورتر

شکل 4 – مدولاسیون عرض پالس

استانداردها که به ساده‌تر کردن زندگی و افزایش اطمینان و اثر بخشی بسیاری از کالاها و خدماتی که استفاده می‌کنیم کمک می‌کنند نیز همگام با پیشرفت‌های فناوری و تأثیر آن در صنعت در حال تغییر و بروزرسانی هستند.

در نسخه‌های قدیمی‌تر استانداردهای معتبر بین المللی از جمله EN 81-2014 یا ASME A17.1-2010 روش‌های ایمن و مجاز قطع تغذیه موتور شامل موارد ذیل است.

استفاده از دو کنتاکتور مستقل
استفاده از یک کنتاکتور به همراه یک وسیله کنترلی که شار انرژی را در اجزای استاتیک مسدود می‌کند و نیز یک وسیله پایش برای تأیید قطع شار انرژی هنگامی که آسانسور متوقف است.

در نسخه‌های جدید این استانداردها از جمله EN 81-20:2020 علاوه بر روش‌های فوق می‌توان از قطعاتی دارای سطح یکپارچگی ایمنی(Safety Integrity Level) از درجه سوم(SIL3) نیز برای قطع تغذیه موتور استفاده نمود.

مطابق با استاندارد ملی ایران شماره 20-6303 چاپ اول، سال 1399(مقررات ایمنی ساخت و نصب آسانسورها – آسانسورهای حمل نفر و بار قسمت 20: آسانسورهای مسافری و باری مسافری) بند 5-9-2-5-4 ت که ترجمه ای از استاندارد EN 81-20:2020 است نیز استفاده از چنین قطعاتی مجاز دانسته شده است.

” بند 5-9-2-5-4 ت: یک سیستم درایو قدرت برقی با سرعت قابل تنظیم، با بهره گیری از عملکرد قطع ایمن گشتاور(STO)، مطابق زیربند 4-2-2-2 استاندارد ملی ایران شماره 2-5-61800، سال 1392، که سطح یکپارچگی ایمنی سوم(SIL3) را برآورده می‌کند و حداقل رواداری خطای سخت افزاری آن برابر 1 است.”

بیشتر بخوانید:

قطع ایمن گشتاور(STO) چیست؟

عملکرد “قطع ایمن گشتاور”(Safe Torque Off) که به اختصار STO نامیده می‌شود، یک ویژگی و عملکرد ایمنی در درایوهای فرکانس متغیر جدیدتر است که جریان خروجی درایو را به گونه‌ای قطع می‌کند تا از تولید گشتاور در موتور جلوگیری شود. این عمل جهت اطمینان از صحت عملکرد آن، از طریق مدار سخت افزاری درایو انجام می‌شود. STO یک روش توقف اضطراری مطرح است که سبب توقف کنترل شده موتور توسط درایو می‌شود.

STO چگونه کار می کند؟

هنگامی که مکانیزم قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر(STO) فعال می‌شود، به دلیل قطع شدن مدار ایمنی STO که مستقیماً به پایه گیت(Gate) IGBT متصل است، خروجی IGBT مسدود شده و در نتیجه ارسال جریان به موتور قطع می‌شود. از آنجا که IGBT در این حالت نمی‌تواند فعال و روشن شود، لذا جریانی به موتور نمی‌رسد و در نتیجه هیچ گشتاوری در موتور ایجاد نمی‌شود. با این وجود، باید به این نکته مهم توجه داشت که مدارات خروجی تشکیل دهنده درایو، از قطعات حالت جامد و کلیدهای استاتیک تشکیل شده است و مدار از نظر فیزیکی باز نمی‌شود. بنابراین ممکن است در ترمینال‌های خروجی درایو همچنان ولتاژ داشته باشیم. علیرغم نکته ذکر شده، از آنجایی که مدار STO با و از طریق سخت‌افزار عمل می‌نماید و نرم‌افزار درگیر آن نیست، همچنان ایمن و قابل اطمینان دانسته می‌شود.

غالباً STO در درایو از یک مدار دو کاناله، معمولاً بسته، تشکیل شده است. اگر یک یا هر دو کانال باز شود، عملکرد قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر فعال شده و درایو از ارسال جریان به موتور جلوگیری می‌کند. گشتاوری در موتور ایجاد نخواهد شد و موتور متوقف خواهد شد. پس از فعال شدن STO، درایو تا زمانی که مدار ریست و آماده بکار نشود(هر دو کانال بسته شود)، مجدداً راه اندازی نخواهد شد. بنابراین موتور ناخواسته راه اندازی نمی‌شود.

درک این نکته مهم است که در یک درایو قدرت، بهره گیری از عملکرد “قطع ایمن گشتاور” (STO)، جریان خروجی درایو به موتور را بگونه ای قطع می‌کند که دیگر موتور توانایی ایجاد هیچ گشتاوری نداشته باشد. این سریع‌ترین و ایمن‌ترین راه برای قطع برق موتور است. به عنوان مثال اگر شما به منظور قطع تغذیه موتور، برق ورودی به درایو را قطع نمایید(که اتفاقاً هرگز نباید چنین کاری انجام دهید)، درایو بلافاصله پس از قطع برق ورودی خاموش نمی‌شود و بسته به مدت زمانی که طول می‌کشد تا خازن‌های باس DC به طور کامل تخلیه شوند، که ممکن است چندین ثانیه یا حتی بیش از آن هم به طول بیانجامد، درایو به انجام فرمانی که در حال اجرای آن بوده ادامه می‌دهد که می‌تواند باعث صدمه به قطعات داخلی آن و رفتار غیر قابل پیش بینی موتور شود.

همچنین چنانچه جهت قطع تغذیه موتور، به جای قطع ورودی درایو، روش‌های توصیه شده در نسخه‌های قدیمی‌تر استانداردها، مثلاً استفاده از 2 کنتاکتور مستقل در خروجی درایو جهت قطع تغذیه موتور بکار برده شود، اگرچه موتور بصورت ایمن متوقف خواهد شد و گشتاوری در موتور ایجاد نخواهد شد و آسیبی به موتور وارد نمی‌شود؛ اما در حالت توقف اضطراری، قطع یکباره خروجی درایو از باری که در حال تغذیه آن است می‌تواند باعث آسیب‌های دائمی و جدی به درایو شود.

بنابراین اگر احتیاج دارید تا حد امکان موتور را سریع و ایمن غیر فعال نمایید، قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر(STO) گزینه‌ای ست که به آن نیازمندید. زیرا هم فوراً برق موتور را بطور کامل، مستقل از آنچه در درایو می‌گذرد قطع می‌نماید و هم آسیبی به موتور و درایو نمی‌رساند. همچنین باعث رفتار ناخواسته و کنترل نشده موتور نمی‌شود. از این رو به آن “قطع ایمن گشتاور” گفته می‌شود.

هنگامی که مکانیزم STO فعال می‌شود درایو دیگر کنترلی بر موتور نخواهد داشت و موتور به چرخش آزاد خود ادامه خواهد داد. چنانچه در این حالت موتور دارای اینرسی حرکتی بالایی باشد یا بار موتور دارای برآیند نیروهایی باشد که محور موتور را در حال چرخش نگهدارد(مانند نیروی گرانشی وارد بر بار)، توقف موتور ممکن است کمی زمانبر شود که در برخی از کاربردها می‌تواند مشکل آفرین یا حتی خطرناک باشد. بنابراین در صورت نیاز به استفاده از عملکرد STO، باید روش‌های مناسبی برای توقف چرخش آزاد موتور پیش بینی شود. مثلاً از جمله روش‌های متداول در صنعت آسانسور، افزودن ترمز الکترمکانیکی به موتور برای توقف چرخش آزاد موتور است.

همانطور که قبلاً گفته شد، در زمان فعال بودن مکانیزم قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر(STO)، ممکن است در ترمینال‌های خروجی درایو همچنان ولتاژ داشته باشیم که خطر شوک یا برق گرفتگی دارد. بنابراین در هنگام سرویس و تعمیرات روی موتور باید بگونه‌ای ارتباط درایو با موتور قطع شود و یا ورودی درایو بطور کامل خاموش شود.(به روش‌های ذکر شده در استاندارد رجوع شود)

امروزه مکانیزم STO در درایو، انتخابی ارجح به عنوان یک روش توقف اضطراری است. همانطور که عنوان شد، پیش از ابداع مکانیزم STO فقط گزینه‌های ذکر شده در ویرایش‌های قدیمی‌تر استاندارد که قبلاً توضیح داده شد(روش های خارج از درایو) مجاز دانسته میشد.

از آنجا که مدار ورودی STO یک مدار دو کاناله است، هنگامی که این دو مدار مجزا بسته شوند، تلرانس‌های محدود و دقیقی دارد. در این حالت یک رله ایمنی با خروجی دو کاناله، بر خلاف رله عمومی، توصیه می‌شود.

شکل 5 – استفاده از رله ایمنی با خروجی 2 کاناله

درایوهای دارای عملکرد STO باید توسط آزمایشگاه یا مراجع معتبر بین المللی آزمایش و تایید شوند و دارای گواهینامه ایمنی معتبر و سطح یکپارچگی ایمنی باشند.

برخی مزایای STO در آسانسور

STO کمک می‌کند تا با بهره گیری از طراحی ساده‌تر مدارات و سخت افزار و قطعات الکترومکانیکی کمتر، سریع‌ترین و ایمن‌ترین و قابل اطمینان‌ترین راه برای قطع برق موتور در دسترس باشد.
فراهم شدن امکان طراحی و ساخت تابلوهای فرمان بدون کنتاکتور آسانسور با استفاده از عملکرد STO.
کاهش هزینه‌های تولید تابلوی فرمان بدلیل حذف کنتاکتور و مدارات مربوطه.
کوچک و سبک شدن تابلوها و حمل و نصب راحت‌تر.
کمک به کم صداتر شدن تابلوها به دلیل حذف کنتاکتور.
توانایی کار با ماشین‌های الکتریکی سنکرون و آسنکرون.
توانایی کار با سیستم‌های Open & Closs Loop.

امروزه در کشورهایی که از استانداردهای به روز رسانی شده بین المللی بهره می برند، استفاده از مکانیزم قطع ایمن گشتاور در درایوهای فرکانس متغیر، روشی مرسوم و متداول و قابل اطمینان است و نه تنها در صنعت آسانسور، بلکه در اکثر صنایع آنها از جمله سیستم‌های دارای محورهای متحرک مانند سیستم‌های جابجایی و نوار نقاله کاربرد وسیعی دارد.

کلام آخر

در کشور ما اجرای برخی استانداردهای ملی، بسته به اهمیت کاربرد آنها، اجباری و برخی دیگر تشویقی است. اجرایی شدن استانداردها توسط سازمان ملی استاندارد ایران که تنها مرجع رسمی کشور در تعیین، تدوین و نشر استانداردهای ملی(رسمی) است، از طریق آگهی رسمی در جراید عمومی اطلاع رسانی می‌شود و از تاریخ اعلام شده در آگهی رسمی لازم الاجرا است. متأسفانه علیرغم ترجمه و انتشار نسخه‌های جدید و به روز استانداردهای معتبر بین المللی صنعت آسانسور و در دسترس بودن آنها در کشورمان، به دلیل عدم انتشار آگهی رسمی و عدم اعلام اجرای اجباری آنها، استفاده از آنها تا زمان انتشار آگهی رسمی مجاز نیست و تنها از آخرین نسخه آگهی شده(1-6303) می‌توان بهره برد. لذا در حال حاضر بر اساس استعلام به عمل آمده از سازمان ملی استاندارد ایران، امکان استفاده از بندهای استاندارد ملی شماره 20-6303 در خصوص تابلوهای فرمان بدون کنتاکتور وجود ندارد.