سافت استارتر چیست؟ کار، نمودار و کاربردهای آن

ما در صنایع از انواع ماشین آلات استفاده می کنیم. دستگاه القایی یکی از پرکاربردترین دستگاه های سه فاز AC است که تقریباً 70 درصد موتورهای مورد استفاده در صنایع را تشکیل می دهد. ساخت و ساز قوی و راندمان بالا آن را به بهترین انتخاب برای هر بخش صنعتی تبدیل می کند. اما آنها نیاز به تجهیزات حفاظتی و تجهیزات مورد استفاده برای عملکرد ایمن خود دارند تا بتوانند با خیال راحت عمل کنند و از آسیب احتمالی به موتور جلوگیری کنند و همچنین طول عمر آنها را افزایش دهند. ضروری ترین تجهیزات مورد استفاده برای موتور القایی سه فاز، استارت موتور است.

استارت موتور

استارت موتور یک وسیله الکتریکی است که برای راه اندازی و توقف ایمن موتور الکتریکی استفاده می شود. همچنین محافظت در برابر جریان اضافه و ولتاژ پایین را ارائه می دهد.

از آنجایی که موتور القایی به طور گسترده برای انواع مختلف کاربردها در صنایع استفاده می شود، آنها برای راه اندازی و توقف ایمن به استارت موتور نیاز دارند. موتورهای القایی در هنگام راه اندازی مقدار زیادی جریان می کشند. این به دلیل امپدانس کم سیم پیچ های موتور در حالت سکون است.

برای عملکرد ایمن موتور القایی بسیار ضروری است. این به دلیل امپدانس کم روتور موتور در حالت استراحت است. امپدانس روتور به لغزش (سرعت نسبی بین روتور و استاتور) موتور القایی بستگی دارد. لغزش موتور القایی ثابت نیست و در طول عملکرد آن تغییر می کند، بنابراین امپدانس روتور نیز متفاوت است. با لغزش موتور نسبت معکوس دارد.

در حالت سکون (موقعیت استراحت)، لغزش موتور القایی حداکثر است، یعنی 1، بنابراین امپدانس روتور حداقل است. اتصال موتور به منبع تغذیه به دلیل امپدانس کم به نام جریان هجومی، جریان زیادی را در سیم پیچ استاتور می کشد. جریان متناوب در استاتور یک میدان مغناطیسی چرخشی (RMF) ایجاد می کند که جریان را در سیم پیچ های روتور القا می کند.

جریان روتور میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند که سعی می کند علت آن را خنثی کند و شروع به چرخش در جهت RMF می کند. بنابراین، گشتاور روتور تجربه می‌کند و با شروع سرعت آن، لغزش موتور کاهش می‌یابد (یعنی سرعت RMF روتور به سرعت RMF استاتور نزدیک می‌شود). از آنجایی که لغزش کاهش می یابد، امپدانس روتور افزایش می یابد و موتور شروع به کشیدن جریان نامی نرمال می کند.

جریان هجومی زیاد 5-8 بار بزرگتر از جریان نامی بار کامل موتور است. موتور القایی نمی تواند چنین جریانی را تحمل کند زیرا می تواند به سرعت سیم پیچ ها را خراب یا بسوزاند و کارایی و طول عمر موتور را کاهش دهد. چنین جریان‌های بالایی می‌تواند باعث افت شدید ولتاژ خط شود که برای سایر وسایل متصل به همان خط خطرناک است.

برای جلوگیری از چنین جریان هجومی زیاد، از استارت‌های موتور استفاده می‌کنیم که جریان اولیه را برای مدت کوتاهی کاهش می‌دهند. هنگامی که موتور سرعت مشخصی به دست آورد، منبع تغذیه عادی از سر گرفته می شود. همچنین محافظت در برابر ولتاژ پایین و جریان اضافه را ارائه می دهد.

این استارت‌های موتور معمولاً برای موتورهای با قدرت سنگین استفاده می‌شوند. موتورهای کوچک زیر 1Hp به دلیل امپدانس بالا نیازی به استارت موتور ندارند. با این حال، آنها نیاز به حفاظت اضافه جریان دارند که در استارت DOL موجود است.

استارت موتور از انواع تکنیک ها برای راه اندازی موتور استفاده می کند مانند

• تکنیک شروع ولتاژ کامل یا در سراسر خط. موتور را به ولتاژ کامل منبع تغذیه متصل می کند. برای موتورهای کوچک استفاده می شود
• استارت ولتاژ کاهش یافته؛ ولتاژ تغذیه را در هنگام راه اندازی موتور کاهش می دهد تا جریان هجومی کاهش یابد. سافت استارتر از این تکنیک برای راه اندازی موتور القایی استفاده می کند.
• استارت چند سرعته؛ موتور طوری طراحی شده است که دارای چندین سرعت از پیش انتخاب شده است که از طریق پیکربندی قطب (سیم پیچ) به دست می آید. افزایش تدریجی سرعت جریان هجومی را کاهش می دهد.

سافت استارتر چیست؟

سافت استارتر زیمنس نوعی استارت موتور است که از تکنیک کاهش ولتاژ برای کاهش ولتاژ در هنگام راه اندازی موتور استفاده می کند.

سافت استارتر افزایش تدریجی ولتاژ را در طول راه اندازی موتور ارائه می دهد. این به موتور اجازه می دهد تا به آرامی شتاب بگیرد و سرعت را به صورت صاف افزایش دهد. از هرگونه پارگی و تکان های مکانیکی ناشی از تامین ناگهانی ولتاژ کامل جلوگیری می کند.

گشتاور یک موتور القایی با مجذور جریان نسبت مستقیم دارد. و جریان به ولتاژ تغذیه بستگی دارد. بنابراین می توان از ولتاژ تغذیه برای کنترل گشتاور راه اندازی استفاده کرد. در یک موتور معمولی استارت، اعمال ولتاژ کامل به موتور حداکثر گشتاور راه اندازی را ایجاد می کند که خطر مکانیکی برای موتور دارد.

بنابراین می‌توان گفت سافت استارتر وسیله‌ای است که گشتاور راه‌اندازی را کاهش داده و به‌تدریج آن را به صورت مطمئن افزایش می‌دهد تا به سرعت نامی خود برسد. هنگامی که موتور به سرعت نامی خود می رسد، سافت استارتر تغذیه کامل ولتاژ را از طریق آن از سر می گیرد.

در هنگام توقف موتور، ولتاژ تغذیه به تدریج کاهش می یابد تا سرعت موتور به آرامی کاهش یابد. هنگامی که سرعت به صفر می رسد، منبع ولتاژ ورودی موتور را قطع می کند.

جزء اصلی مورد استفاده برای تنظیم ولتاژ در سافت استارتر یک کلید نیمه هادی مانند تریستور (SCR) است. تنظیم فرشته شلیک تریستور ولتاژ تغذیه از طریق آن را تنظیم می کند. قطعات دیگری مانند OLR (رله اضافه بار) که برای محافظت در برابر جریان اضافه استفاده می شود نیز استفاده می شود.

نمودار سافت استارتر

در یک موتور القایی سه فاز، دو SCR در یک پیکربندی ضد موازی در امتداد هر فاز موتور به هم متصل می‌شوند که در مجموع 6 SCR می‌شود. این SCR ها با استفاده از یک مدار منطقی جداگانه کنترل می شوند که می تواند یک کنترل کننده PID یا یک میکروکنترلر باشد. مدار منطقی با استفاده از مدار یکسو کننده همانطور که در شکل نشان داده شده است از شبکه برق تغذیه می شود.

به غیر از کلیدهای پاور و مدارهای منطقی، از قطعات حفاظتی دیگری مانند کلید یا فیوز، کنتاکتور زیمنس مغناطیسی برای جداسازی و OLR (رله اضافه بار) برای جلوگیری از اضافه جریان استفاده می شود.

یک سوئیچ بای پس نیز برای از سرگیری ولتاژ کامل در سراسر موتور هنگامی که به سرعت نامی کامل رسید استفاده می شود.

اصل کار سافت استارتر

جزء اصلی مورد استفاده برای کنترل ولتاژ در سافت استارتر یک تریستور است. این یکسو کننده کنترل شده است که با اعمال یک پالس گیت به نام پالس شلیک، هدایت جریان را تنها در یک جهت شروع می کند.

زاویه پالس شلیک تعیین می کند که چه مقدار از چرخه ولتاژ ورودی باید از آن عبور کند. از آنجایی که AC بین حداکثر و حداقل پیک نوسان می کند و یک سیکل کامل 360 درجه را تشکیل می دهد، می توانیم از زاویه پالس شلیک برای روشن کردن تریستور برای مدت زمان مشخص و کنترل ولتاژ تغذیه استفاده کنیم.

پالس های شلیک می تواند بین 0 تا 180 درجه متفاوت باشد. کاهش زاویه پالس شلیک، دوره هدایت تریستور را افزایش می دهد، بنابراین ولتاژ بالا از آن عبور می کند.

دو تریستور از این دست به صورت پشت سر هم برای هر فاز به هم متصل می شوند. بنابراین می تواند جریان را در هر دو جهت کنترل کند. هر نیم چرخه، زاویه شلیک

سه جفت تریستور، هر جفت برای فاز جداگانه برای کنترل ولتاژ برای راه اندازی و توقف موتور استفاده می شود. دوره هدایت تریستور به زاویه شلیک کنترل شده توسط مدار منطقی بستگی دارد.

مدار منطقی شامل کنترل کننده PID یا یک میکروکنترلر ساده است که برای تولید پالس برنامه ریزی شده است. کنترل کننده با استفاده از اپتو ایزولاتور از شبکه تغذیه جدا می شود و برای تامین منبع DC از یکسو کننده استفاده می شود. پالس های تولید شده توسط میکروکنترلر به مدار شلیک تریستور تغذیه می شود که قبل از شروع SCR آن را تقویت می کند.

هنگامی که موتور راه اندازی می شود، کنترل کننده پالس هایی را برای هر SCR تولید می کند. پالس بر اساس عبور از صفر که با استفاده از یک آشکارساز عبور صفر تشخیص داده می شود، تولید می شود. اولین زاویه پالس شلیک تقریباً نزدیک به 180 درجه (دوره هدایت بسیار کم) است تا حداقل ولتاژ را مجاز کند.

به تدریج پس از هر عبور از صفر، زاویه پالس های شلیک شروع به کاهش می کند و دوره هدایت تریستور را افزایش می دهد. ولتاژ تریستور شروع به افزایش می کند. از این رو سرعت موتور به تدریج افزایش می یابد.

هنگامی که موتور به سرعت نامی کامل خود (در زاویه شلیک 0 درجه) رسید، تریستورها با استفاده از یک کنتاکتور بای پس تحت عملکرد عادی به طور کامل دور زده می شوند. از آنجایی که SCR شلیک را متوقف می کند، کارایی سافت استارتر را افزایش می دهد. در حین توقف موتور، SCR کنترل را در دست می گیرد و برای کاهش ولتاژ تغذیه شروع به شلیک می کند.

کنتاکتورهای بای پس می توانند داخلی یا خارجی باشند. کنتاکتورهای بای پس داخلی در داخل کلیدهای برق تعبیه شده اند. هر SCR دارای یک سوئیچ بای پس موازی است که جریان را در شرایط عادی تامین می کند. چنین پیکربندی کنتاکتورها فضای کمی را اشغال می کند و استارت ها در طراحی فشرده هستند. در حالی که کنتاکتورهای بای پس خارجی به موازات سافت استارتر به صورت خارجی متصل می شوند. چنین استارترهای نرمی حجیم هستند.

کنتاکتورهای بای پس برای شکستن یا تامین جریان جریان به مدار نیستند، بنابراین می توانند کنتاکتورهایی با رتبه پایین باشند.

مزایای Soft Starter

راه اندازی صاف: بر خلاف استارت موتور معمولی، افزایش بسیار تدریجی ولتاژ را فراهم می کند، بنابراین سرعتی که منجر به راه اندازی بسیار روان می شود. هیچ گونه فشار مکانیکی یا تکان هایی که می تواند به موتور آسیب برساند وجود ندارد.

کنترل شتاب و کاهش سرعت: شتاب و کاهش سرعت موتور را کاملاً قابل تنظیم ارائه می دهد. تغییر زاویه شلیک به آرامی یا سریع می تواند شتاب در هنگام راه اندازی و کاهش سرعت در هنگام توقف موتور را کنترل کند. این در برنامه هایی استفاده می شود که شتاب راه اندازی نیاز به تنظیم دارد.

بدون نوسان برق: از آنجایی که استارت موتور معمولی اجازه ولتاژ کامل را در سراسر موتور می دهد، جریان هجومی عظیمی به موتور وارد می شود که باعث افزایش برق در مدار می شود. سافت استارتر چنین جریانی را محدود می کند و در نتیجه از نوسانات برق جلوگیری می کند.

راه‌اندازی چندگانه: برخی از برنامه‌ها نیاز دارند که موتور چندین بار در بازه زمانی کوتاه راه‌اندازی و متوقف شود. چنین موتوری اگر با یک استارت معمولی استفاده شود، به دلیل جریان راه اندازی بالا، گرمای بیش از حد را تجربه می کند. با این حال، سافت استارترها تعداد راه اندازی یک موتور را در مدت زمان مشخصی به شدت افزایش می دهند.

کاهش گرمای بیش از حد: گرمای بیش از حد موتور یک مشکل بسیار جدی است. این به دلیل جریان بالای سیم پیچ در هنگام راه اندازی آن رخ می دهد. سافت استارتر مقدار بسیار کمی جریان راه اندازی را می دهد که از گرم شدن بیش از حد موتور جلوگیری می کند.

افزایش طول عمر: استارت نرم در مقایسه با یک استارت معمولی طول عمر موتور را بهبود می بخشد. این به دلیل عملکرد نرم و عدم وجود فشار الکتریکی و مکانیکی روی موتور است.

تعمیر و نگهداری کمتر: موتور القایی به دلیل عملکرد روان، احتمال کمتری دارد که دارای ایرادات مکانیکی باشد، به همین دلیل است که نسبت به استارت موتور معمولی به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد.

راندمان: یک استارت موتور معمولی ولتاژ کامل (جریان هجومی بسیار بالا) را به موتور می رساند که انرژی زیادی مصرف می کند. یک سافت استارتر آن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و امکان افزایش تدریجی مصرف انرژی را فراهم می کند. همچنین کلیدهای برق با استفاده از سطح ولتاژ بسیار پایین کنترل می شوند. راندمان کلی موتور را بهبود می بخشد.

جمع و جور و سایز کوچک: سافت استارتر طراحی بسیار فشرده ای دارد که فضای بسیار کمی را اشغال می کند. بر خلاف دیگر استارت های موتور، اندازه بسیار کوچکی دارد.

کم هزینه: در مقایسه با سایر استارت‌ها مانند VFD، مطمئناً هزینه کمتری دارد.

معایب سافت استارتر

بدون تنظیم سرعت: سافت استارتر فقط اجازه کنترل منبع ولتاژ ورودی را می دهد، یعنی از 0 ولت به ولتاژ خط با فرکانس خط ثابت. از آنجایی که فرکانس ثابت است، سرعت موتور ثابت است و فقط توسط بار متصل به آن تنظیم می شود. سرعت موتور القایی با تغییر فرکانس تغذیه در زیر یا بالاتر از فرکانس خط بر اساس نیاز تنظیم می شود. چنین ویژگی فقط در VFD (درایو فرکانس متغیر) موجود است.

اتلاف گرما: سوئیچ های نیمه هادی داخل سافت استارتر مقداری انرژی را به صورت گرما دفع می کند. بنابراین، برای خنک کردن کلیدهای برق نیز نیاز به هیت سینک دارد.

گشتاور راه اندازی کاهش یافته: از آنجایی که ولتاژ ورودی مربوط به جریان ورودی را کاهش می دهد که به طور مستقیم با گشتاور راه اندازی موتور القایی متناسب است، گشتاور راه اندازی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. به همین دلیل است که استارترهای نرم برای اعمال گشتاور راه اندازی کم یا متوسط استفاده می شوند.

کاربردهای سافت استارتر

سافت استارتر در صنایع استفاده می شود و برای موتورهایی که با سرعت ثابت کار می کنند مناسب تر است.

فن ها: فن های عظیم مورد استفاده در صنایع با سرعت ثابتی کار می کنند. با این حال، آنها به حفاظت راه اندازی نیاز دارند. سافت استارتر بهترین گزینه برای چنین طرفدارانی است.

تسمه نقاله: تسمه نقاله در صنایع برای جابجایی اجسام استفاده می شود و نیاز به مراقبت بیشتری دارد. تکان‌های ناگهانی در هنگام استارت یا توقف با استفاده از استارت معمولی ممکن است تسمه‌ها را نامناسب قرار دهند، به دلیل تنش مکانیکی به تسمه آسیب برساند و به اجسام قرار داده شده روی آن آسیب برساند. این نیاز به یک شروع و توقف آرام ارائه شده توسط یک شروع کننده نرم دارد

موتورهایی که از تسمه و قرقره استفاده می کنند: موتوری که بار را از طریق تسمه و قرقره هدایت می کند، نمی تواند تکان های ناگهانی را تحمل کند. کمربند را می بندد که آن را به بار متصل می کند. یک استارت نرم راه اندازی نرمی را برای چنین کاربردهای موتوری ارائه می دهد.

پمپ آب یا مایع: هر نوع پمپ متصل به موتور به دلیل ایجاد فشار ناگهانی در داخل لوله ها نیاز به راه اندازی و توقف نرم دارد. یک استارت معمولی ممکن است در هنگام راه اندازی فشار کافی برای شکستن خط ایجاد کند. یک سافت استارتر باعث افزایش تدریجی فشار به چنین پمپ های مایع می شود. با این حال، کنترل سرعت پمپ در طول کار عادی وجود ندارد. VFD برای سرعت متغیر پمپ انتخاب بهتری است.