روش‌های راه‌اندازی موتور

روش‌های راه‌اندازی موتور – آسنکرون (القایی)

موتورهای آسنکرون را می‌توان به‌صورت مستقیم به شبکه‌ی سه فاز وصل کرد. در این صورت در لحظه‌ی راه‌اندازی، جریان خیلی زیادی (حدود ۴ تا ۷ برابر جریان نامی موتور) از سیم‌پیچی‌های موتور عبور می‌کند. اگر قدرت و یا به عبارتی جریان نامی موتور بالا باشد، جریان زیاد راه‌اندازی می‌تواند صدماتی به موتور وارد کند.

ازاین‌رو موتورهای آسنکرون باید به طریقی راه‌اندازی شوند که جریان راه‌اندازی کمتری از شبکه دریافت کنند. به همین دلیل راه‌اندازی با وسایلی به نام راه انداز انجام می‌شود.

موتورهای قفس سنجابی غالبأ مستقیماً به شبکه وصل می‌شوند. البته گاهی ممکن است در لحظه راه‌اندازی، موتور جریانی معادل ۵ تا ۸ برابر جریان اسمی از شبکه بکشد. اگر این جریان شدید در خط تغذیه افت ولتاژ قابل‌ملاحظه ایجاد کند، ممکن است بر عملکرد مصرف‌کننده‌های دیگر متصل به خط تغذیه اثر نامطلوب بگذارد. همچنین اگر جریان شدید در مرحله راه‌اندازی به مدت طولانی در موتور برقرار شود، ممکن است سیم‌پیچ‌های استاتور را داغ کند و به عایق‌ها صدمه بزند. در این شرایط از ولتاژ کمتری جهت راه‌اندازی استفاده می‌کنند.

یکی از روش‌های دیگر جهت راه‌اندازی موتورها در شرایط ولتاژ کاهش‌یافته، استفاده از روش ستاره مثلث (Δ – Y) است. در لحظه راه‌اندازی استاتور به‌صورت ستاره (Y) به شبکه وصل می‌شود لذا ولتاژ اعمال به استاتور کاهش‌یافته و جریان راه‌اندازی کم می‌شود. هرگاه سرعت به حوالی سرعت مطلوب (سرعت اسمی) رسید استاتور را به‌صورت مثلث (Δ) به شبکه وصل می‌کنیم.

همچنین می‌توان از یک کنترل‌کننده ولتاژ الکترونیکی جهت کاهش ولتاژ اعمالی به موتور در لحظه راه‌اندازی استفاده نمود. این سیستم کنترل یک راه‌اندازی نرم را مهیا می‌سازد. باید دانست با آنکه روش کاهش ولتاژ در هنگام راه‌اندازی، جریان راه‌انداز را کم می‌کند، اما گشتاور نیز کاهش می‌یابد، زیرا گشتاور با مجذور ولتاژ متناسب است.

روش­‌های راه‌­اندازی متداول شامل موارد زیر می­‌شود:

راه‌اندازی به‌صورت مستقیم:

راه‌انداز مستقیم (Direct On-line Strarter) یا به اختصار DOL Strarter ساده‌ترین و ارزان‌ترین روش راه‌اندازی است و معمولاً برای موتورهای القایی قفس سنجابی استفاده می‌شود. مکانیزم­های ایمنی در داخل راه‌انداز DOL وجود دارد که از موتور و همچنین اپراتور موتور محافظت می‌کند.

این روش راه‌اندازی ساده‌ترین حالت است که در آن استاتور مستقیماً به منبع تغذیه وصل می‌شود و موتور شروع به کار می‌کند. هنگامی‌که موتور روش می‌شود، مانند یک ترانسفورماتور رفتار می‌کند که ثانویه آن توسط قفس روتور با مقاومت بسیار کم اتصال کوتاه شده است. در این حالت جریان القایی بالایی در روتور وجود دارد که منجر به پیک جریان در منبع اصلی می‌شود:

جریان راه‌اندازی = 5 تا 8 برابر جریان نامی

گشتاور راه‌اندازی = 0.5 تا 1.5 برابر گشتاور نامی

با وجود مزایایی که این روش راه‌اندازی (شامل: تجهیزات ساده، گشتاور راه‌اندازی بالا، استارت سریع و هزینه کم) دارد، تنها زمانی مناسب است که:

1. قدرت موتور در مقایسه با برق شهری کم است که تداخل جریان هجومی را محدود می‌کند.
2. ماشین برای راندن نیازی به افزایش تدریجی سرعت ندارد یا دارای یک دستگاه میرایی برای محدود کردن شوک ناشی از راه‌اندازی است.
3. گشتاور راه‌اندازی می‌تواند زیاد باشد بدون اینکه بر عملکرد ماشین یا باری که رانده می‌شود تأثیر بگذارد.

راه‌اندازی موتور القایی با روش DOL در شکل نشان زیر داده ‌شده است.

بنابراین راه‌اندازی موتور به این روش، طراحی بسیار ساده و مقرون‌به‌صرفه‌ای دارد، کار با آن بسیار آسان است و به دلیل جریان راه‌اندازی بالا، گشتاور راه‌اندازی بالایی را نیز فراهم می‌کند. اما جریان هجومی زیاد آن می‌تواند به سیم‌پیچ‌ها آسیب برساند و باعث افت ولتاژ در خط برق شود. این روش برای موتورهای سنگین مناسب نیست و می‌تواند طول عمر موتور را کاهش دهد.

کاربردهای راه‌انداز مستقیم یا DOL

• راه‌انداز DOL حداکثر برای موتورهای القایی 7.5 کیلووات استفاده می‌شود.
• راه‌انداز DOL به طور معمول به عنوان کلید ON/OFF عمل می‌کند، بنابراین در جاهایی که به طور مکرر به راه‌اندازی و توقف موتور نیاز است استفاده می‌شود.
• راه‌انداز DOL در تسمه نقاله و کمپرسور استفاده می‌شود.

مزایای راه‌انداز مستقیم یا DOL

• در ساخت بسیار ساده است.
• نسبت به سایر راه‌اندازها بسیار ارزان‌تر است.
• می‌تواند از اضافه بار و اتصال کوتاه محافظت نماید.

معایب راه‌انداز مستقیم یا DOL

• برای موتورهای بیش از 7.5 کیلووات قابل استفاده نیست.
• قادر به کاهش اندازه جریان راه‌اندازی موتور نیست و فقط به عنوان یک کلیدمعمولی  ON/OFF عمل می‌کند.

 راه‌انداز ستاره مثلث:

راه‌انداز ستاره مثلث (Star-Delta Starter)، بسیار رایج است و در مقایسه با انواع دیگر راه‌اندازها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش از کاهش ولتاژ تغذیه در راه‌اندازی استفاده می‌شود.

در این نوع از راه‌اندازی، موتور ابتدا به صورت ستاره وارد مدار می‌شود که به آن این اجازه را می‌دهد تا سرعت خود را بدون کشیدن جریان بیش از حد افزایش دهد. با این کار جریان راه‌اندازی به حدود 33 درصد جریان راه‌اندازی در حالت مستقیم (DOL) می‌رسد. اما چون در حالت ستاره گشتاور موتور کم است، لازم است زمانی که دور موتور به 75 تا 80 درصد دور نامی خود رسید به حالت مثلث تغییر وضعیت دهد. در حین تغییر وضعیت به مثلث شاهد یک پیک جریان گذرا و کوتاه اما قوی خواهیم بود.

شکل زیر اتصال یک موتور القایی 3 فاز با راه‌انداز ستاره مثلث را نشان می‌دهد.

کاربرد راه‌انداز ستاره-مثلث

• در صنایع سنگین برای راه‌اندازی موتورهای با کیلووات بالا استفاده می‌شود.

مزایای راه‌انداز ستاره-مثلث

• راه‌انداز ستاره-مثلث را می‌توان با استفاده مدارهای الکترونیکی به‌طور خودکار کنترل کرد.
• تلفات توان کم.
• دارای عملکرد و بهره‌برداری نرم.
• جریان راه‌اندازی به یک‌سوم جریان بار کامل کاهش می‌یابد.

معایب راه‌انداز ستاره-مثلث

• گشتاور راه‌اندازی کم.
• موتور با شش ترمینال مورد نیاز است.

راه‌انداز اتوترانسفورمر (Auto Transformer Starter):

برای راه‌اندازی موتورهای خیلی بزرگ که از لحظه استارت تا رسیدن به دور نامی کمی بیشتر طول می‌کشد و نیز باعث افت شدید ولتاژ خط می‌شوند، از این روش استفاده می‌شود. ترانسفورمرهایی که بدین منظور استفاده می‌شوند مشابه ترانسفورمرهای معمولی نیستند که دارای سیم‌پیچ اولیه و ثانویه باشند و فقط دارای یک سیم‌پیچ هستند.

در این روش، ابتدای کار ولتاژ با استفاده از اتوترانس کاهش می‌یابد، بنابراین ولتاژ اولیه‌ای که به موتور اعمال می‌شود تمام ولتاژی نیست که روی شبکه سه‌فاز داریم. اتوترانس 50 تا 80 درصد ولتاژ اولیه را به موتور اعمال می‌نماید. به‌تبع جریان راه‌اندازی و گشتاور راه‌اندازی نیز کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه به هدف خود که کاهش جریان ‌راه‌اندازی است دست می‌یابیم.

اصل عملکرد روش اتوترانسفورمر مشابه روش راه‌انداز ستاره-مثلث است. جریان راه‌اندازی با کاهش ولتاژ اولیه استاتور (با استفاده از اتوترانسفورمر سه فاز) کاهش می‌یابد. راه‌انداز اتوترانسفورمر در مقایسه با روش ستاره – مثلث گران‌تر، پیچیده‌تر و در ساخت حجیم‌تر است. شکل زیر اتصالات یک موتور القایی 3 فاز با راه‌انداز اتوترانسفورمر را نشان می‌دهد.

در اینجا از یک اتو ترانسفورماتور به‌عنوان ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش ولتاژ اعمال‌شده به استاتور در مرحله راه‌اندازی استفاده می‌شود.

کاربردهای راه‌انداز اتوترانسفورمر

• برای کاهش ولتاژ راه‌اندازی در موتورهای القایی استفاده می‌شود.
• استفاده به عنوان راه‌انداز در نوع خاصی از تجهیزات روشنایی فلورسنت
• برای کاربردهایی ایده‌آل هستند که جریان راه‌اندازی موجود محدود است اما حداقل کاهش در گشتاور راه‌اندازی مورد نیاز است.
• از آنجایی که اتوترانسفورمر بالاترین بازده گشتاور را ارائه می‌دهد، برای کاربری‌هایی که ممکن است از نیروی ژنراتور استفاده کنند نیز مناسب است.
• کاربرد در راه‌اندازی: پمپ‌های گریز از مرکز – فن‌ها – کمپرسورها – نوارنقاله

مزایای راه‌انداز اتوترانسفورمر

• بهره‌برداری ساده.
• تلفات توان بسیار کم.
• به سادگی کنترل می‌شود.

معایب راه‌انداز اتوترانسفورمر

• گشتاور راه‌اندازی موتور را کاهش می‌دهد.
• احتمال جرقه وجود دارد.

راه‌اندازی به روش اضافه کردن مقاومت در مدار استاتور (Stator Resistance starter):

راه‌انداز مقاومت استاتور از تکنیک RVS (ولتاژ کاهش‌یافته) برای راه‌اندازی موتور استفاده می‌کند. در این روش، موتور با ولتاژ کاهش یافته شروع به کار می‌کند زیرا مقاومت‌ها به صورت سری با سیم‌پیچ‌ها وارد می‌شوند. بنابراین وظیفه مقاومت کاهش ولتاژ خط (درنتیجه کاهش جریان اولیه) اعمال‌شده به استاتور است.

در ابتدا، مقاومت متغیر در حداکثر حالت قرار می‌گیرد؛ بنابراین ولتاژ دو طرف موتور به دلیل افت ولتاژ در مقاومت در حداقل قرار می‌گیرد و ولتاژ پایین استاتور جریان هجومی راه‌اندازی را محدود می‌کند. با افزایش سرعت موتور، مقاومت کاهش می‌یابد و فاز استاتور مستقیماً به خطوط برق متصل می‌شود. از آنجایی‌ که جریان با ولتاژ رابطه مستقیم دارد و گشتاور با مجذور جریان تغییر می‌کند، کاهش 2 برابری ولتاژ باعث کاهش 4 برابری گشتاور می‌شود؛ بنابراین گشتاور راه‌اندازی با استفاده از چنین راه‌اندازی بسیار کم است.

کاربردهای راه‌انداز مقاومت استاتور

• این نوع از راه‌انداز برای موتورهای با بیش از 7.5 کیلووات مناسب است.

مزایای راه‌انداز مقاومت استاتور

• در ساخت بسیار ساده است.
• ولتاژ ترمینال موتور را در طول زمان راه‌اندازی کاهش می‌دهد و در نتیجه جریان راه‌اندازی نیز کاهش می‌یابد.
• یک راه‌انداز کم هزینه است.

معایب راه‌انداز مقاومت استاتور

• گشتاور راه‌اندازی موتور را کاهش می‌دهد.
• زمان شتاب‌گیری موتور را افزایش می‌دهد.
• مقدار زیادی تلفات توان توسط مقاومت راه‌انداز

راه‌اندازی به روش افزایش مقاومت در مسیر روتور (Rotor Resistance starter):

در موتورهای روتور سیم‌پیچی، در هنگام راه‌اندازی به کمک حلقه‎‌های لغزنده و وارد کردن مقاومت در مسیر هر دسته سیم‌پیچی روتور، مقاومت روتور افزایش یافته و در نتیجه جریان راه‌اندازی کاهش می‌یابد.

در این روش مقاومت‌های خارجی به شکل ستاره (همانند شکل زیر) از طریق حلقه‌های لغزنده به صورت سری در مدار روتور سیم‌پیچی قرار می‌گیرند. در لحظه راه‌اندازی، ولتاژ شبکه پس از عبور از مقاومت‌ها وارد سیم‌پیچ استاتور شده، در نتیجه موجب کاهش ولتاژ ورودی موتور شده و به تبع آن جریان راه‌اندازی نیز کاهش می‌یابد. پس از اینکه موتور به دور نامی خود رسید، به تدریج مقاومت موجود در مدار روتور را کاهش می‌دهیم و در نهایت از مدار خارج می‌کنیم.

کاربردهای راه‌انداز مقاومت روتور

• این نوع از راه‌انداز برای موتورهای القایی روتور سیم‌پیچی شده استفاده می‌شوند.

مزایای راه‌انداز مقاومت روتور

• با استفاده از این روش گشتاور راه‌اندازی بالا ممکن است به دست آید.
• ضریب توان روتور را بهبود می‌بخشد.
• عدم وجود هارمونیک جریان خط.
• کاهش جریان راه‌اندازی موتور.
• راه‌اندازی نرم‌تر موتور نسبت به موتورهای القایی مشابه.

معایب راه‌انداز مقاومت روتور

• راندمان کمتر به دلیل تلفات I²R در مقاومت خارجی متصل به مدار روتور.
• این راه‌انداز فقط برای راه‌اندازی موتورهای القایی روتور سیم‌پیچی شده قابل استفاده است.
• به دلیل وجود حلقه‌های لغزنده و برس‌های کربنی نیاز به نگه‌داری مکرر دارد.

راه‌اندازی موتورهای سه‌فاز آسنکرون در شبکه تک‌فاز:

در صورت عدم دسترسی به شبکه‌ی سه فاز، می‌توان یک موتور سه فاز آسنكرون را در شبکه‌ی تک‌فاز راه‌اندازی کرد. برای این‌که در این شرایط موتور دارای قدرت و گشتاور راه‌اندازی مناسب باشد معمولاً از یک خازن روغنی در مدار سیم‌پیچی استاتور استفاده می‌شود. چون وضعیت اتصال سیم‌پیچی‌های موتور به‌صورت ستاره یا مثلث است، نحوه‌ی قرار گرفتن خازن در مسیر سیم‌پیچی‌های استاتور موتور نیز به دو صورت می‌تواند باشد. شکل‌های 1 و 2 وضعیت سیم‌پیچی‌های موتور را در حالت ستاره راست‌گرد و شکل‌های 3 و 4 وضعیت سیم‌پیچی‌های موتور در حالت ستاره چپ‌گرد را نشان می‌دهد.

سافت استارتر:

سافت استارتر نیز از تکنیک کاهش ولتاژ استفاده کرده و از کلیدهای نیمه‌هادی مانند Thyristor برای کنترل ولتاژ و همچنین جریان راه‌اندازی استفاده می‌کند.

در این حالت، کنترل بهتری بر جریان و ولتاژ راه‌اندازی وجود دارد، نوسانات برق در سیستم کاهش پیدا می‌کند، طول عمر سیستم افزایش میابد و نیاز به تعمیر و نگهداری نیز کاهش می‌یابد، بعلاوه اندازه آن کوچک است؛ اما نسبتاً گران است و اتلاف انرژی به شکل گرما وجود دارد.

کاربردهای سافت استارتر یا راه‌انداز نرم

• در صنعت برای کارکرد موتورهای نوار نقاله کاربرد دارند.
• در دمنده‌ها برای افزایش زمان شتاب استفاده می‌شوند.
• این راه‌اندازها برای پمپ‌ها نیز استفاده می‌شوند.

مزایای سافت استارتر یا راه‌انداز نرم

• این راه‌انداز مشکلات توزیع برق در صنایع را از بین می‌برد.
• قادر به اداره کردن چندین موتور به طور هم‌زمان می‌باشد.
• زمان شتاب‌گیری موتور را کاهش می‌دهد.
• تلفات توان بسیار کم.
• راه‌اندازی نرم‌تر موتور نسبت به موتورهای القایی مشابه.

معایب سافت استارتر یا راه‌انداز نرم

• نسبتاً گران هستند.
• اتلاف انرژی به شکل گرما وجود دارد.

درایو کنترل دور:

درایو فرکانس متغیر (VFD) درست مانند سافت استارتر می‌تواند ولتاژ و فرکانس را در خروجی خود تغییر دهد. و از آن برای راه‌اندازی و کنترل سرعت موتور القایی استفاده می‌شود.

به این صورت که ولتاژ خط AC با استفاده از یکسوکننده‌ها به ولتاژ باس DC تبدیل می‌شود. DC خالص با فرکانس و ولتاز قابل تنظیم با استفاده از روش مدولاسیون عرض پالس (PWM) از طریق ترانزیستور قدرت مانند IGBT به خروجی AC تبدیل می‌شود.

کاربردهای درایو کنترل‌دور

• بهترین گزینه برای آسانسور، پله برقی، سنگ‌شکن، میکسر و … می‌باشند که در آن‌ها باید سرعت را علی‌رغم تغییرات بار حفظ کرد.
• در کاربری‌های با گشتاور بالا استفاده می‌شوند.
• جایی که هزینه اولیه و اندازه مشکلی ندارد.

مزایای درایو کنترل‌دور

• صرفه‌جویی در مصرف برق.
• کنترل کامل روی سرعت موتور.
• VFD را می‌توان به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که سرعت موتوری که کنترل می‌کند را براساس عواملی مانند جریان، فشار و غیره تغییر دهد.
• کنترل گشتاور دینامیکی.

معایب درایو کنترل‌دور

• نسبتاً گران است مگر اینکه نیاز به کنترل سرعت باشد.
• اتلاف گرما وجود دارد.
• VFD هارمونیک‌هایی را در خطوط برق ایجاد می‌کند که می‌تواند بر تجهیزات الکترونیکی و ضریب توان تأثیر بگذارد.

دیگر کاربردهای درایو کنترل‌دور

• پمپ
• فن، دمنده.
• برج خنک‌کننده فن تهویه
• ماشین خشک‌کن (فن کوره)

• ماشن ابزارهای بزرگ مانند دوک نخ‌ریسی
• دستگاه تراش
• آسیاب برنج

• نوار نقاله
• ماشین‌آلات چوب‌کاری
• دستگاه توزین
• ماشین‌آلات بسته‌بندی

• اکسترودر
• ماشین قالب‌گیری تزریقی
• دستگاه سیم‌کشی
• همزن صنعتی
• راندن غلتک
• دستگاه تست

• راندمان بالاتر و کنترل دقیق گشتاور در ماشین‌آلات winding و unwinding

• برج‌های پارک ماشین چند طبقه
• آسانسور باری

راه‌اندازی موتورهای سنکرون:

در موتور سنکرون دو میدان مستقل روتور و استاتور وجود دارند. میدان روتور تمایل دارد که با میدان استاتور هم‌راستا شود و درنتیجه روتور شروع به چرخش می‌کند. همواره یک زاویه‌ای بین دو میدان وجود دارد که با افزایش مقدار گشتاور بار، زیاد می‌شود؛ بنابراین، روتور، میدان مغناطیسی استاتور را همواره تعقیب می‌کند، اما هیچ‌گاه به آن نمی‌رسد.

موتور سنکرون، گشتاور راه‌اندازی ندارد. ازآنجاکه میدان مغناطیسی دوار استاتور با سرعت بسیار زیادی می‌چرخد، این سرعت زیاد مانع می‌شود که روتور به علت وجود لختی بتواند تغییرات سریع میدان را دنبال نموده و به دنبال آن شروع به چرخش کند. لذا موتور سنکرون راه‌اندازی نمی‌شود.

گشتاور الکترومغناطیسی حالت دائمی در موتور سنکرون وقتی تولید می‌شود که میدان‌های روتور و استاتور باهم قفل مغناطیسی شوند. این قفل شدن (جذب قطب های غیر همنام روتور و استاتور) وقتی اتفاق می‌افتد که سرعت نسبی بین میدان‌های استاتور و روتور صفر باشد.

از مهم‌ترین روش­های راه‌اندازی موتور سنکرون می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش سرعت میدان مغناطیسی استاتور (کاهش فرکانس تغذیه استاتور): کاهش سرعت میدان استاتور تا حدی که روتور بتواند طی نیم سیکل چرخش میدان مغناطیسی شتاب گرفته و با آن قفل شود.
• استفاده از راه‌انداز یا گرداننده کمکی: که سرعت موتور را تا قدری بیش از سرعت سنکرون بالا ببرد و با طی مراحل موازی کردن، ماشین مثل ژنراتور روی خط آورده شود.
• استفاده از سیم‌پیچ‌های میرا کننده و یا دمپر (راه‌اندازی به‌صورت القایی): متداول‌ترین روش راه‌اندازی موتور سنکرون، به‌کارگیری سیم‌پیچ‌های میرائی یا دمپر است. سیم‌پیچی میرائی درواقع شبیه سیم‌پیچ قفسه سنجابی موتور القایی سه فاز است.

انواع روش‌های راه‌اندازی موتور – ویدئو

منابع:

https://faculty.kashanu.ac.ir/file/download/page/1517906413-session-7.pdf

https://www.brighthubengineering.com/hvac/74957-starting-methods-for-induction-motors/

https://www.electricaltechnology.org/2020/02/motor-starter.html

https://www.etechnog.com/2018/12/all-types-of-motor-starter-applications.html

http://www.vfds.org/vfd-application-guide-379829.html