صنایع از انواع ماشین‌آلات استفاده می‌کنند. موتور القایی یکی از پرکاربردترین موتورهای سه‌فاز AC است که تقریباً 70 درصد موتورهای مورد استفاده در صنایع را تشکیل می‌دهد. ساخت قوی و راندمان بالا این موتور را به بهترین انتخاب برای هر بخش صنعتی تبدیل می‌کند. اما این موتورها به وسایل حفاظتی و تجهیزات مورد استفاده برای عملکرد ایمن نیاز دارند تا بتوانند با خیال راحت کار کنند و علاوه بر جلوگیری از آسیب احتمالی به موتور، طول عمر آن‌ها افزایش یابد. یکی از ضروری‌ترین تجهیزات مورد استفاده موتور القایی سه‌فاز، استارتر موتور است.
محتویات مقاله
استارتر موتور
استارتر موتور یک وسیله الکتریکی است که برای راه‌اندازی و توقف ایمن موتور الکتریکی استفاده میشود. همچنین در برابر اضافه‌جریان و افت ولتاژ از موتور محافظت می‌کند.
از آنجا که موتور القایی به طور گسترده برای انواع مختلف کاربردها در صنایع استفاده میشود، برای راه‌اندازی و و توقف ایمن آن به استارتر موتور نیاز است. موتورهای القایی در هنگام راه‌اندازی مقدار زیادی جریان می‌کشند که این امر به دلیل امپدانس کم سیم‌پیچ‌های موتور در حالت سکون 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. امپدانس با لغزش موتور نسبت معکوس دارد.
در حالت سکون (موقعیت استراحت)، لغزش موتور القایی حداکثر (یعنی 1) است. بنابراین، امپدانس روتور حداقل است. اتصال موتور به منبع تغذیه، به دلیل امپدانس کم جریان زیادی را از سیم‌پیچ استاتور می‌کشد که جریان هجومی نام دارد. جریان متناوب در استاتور یک میدان مغناطیسی چرخشی (RMF) ایجاد می‌کند که موجب القای جریان در سیم‌پیچ‌های روتور میشود.
جریان روتور میدان مغناطیسی خود را ایجاد می‌کند که سعی دارد علت به وجود آوردنش را خنثی کند و شروع به چرخش در جهت RMF می‌کند. بنابراین، روتور گشتاور می‌گیرد و با شروع سرعت آن، لغزش موتور کاهش می‌یابد (یعنی سرعت RMF روتور به سرعت RMF استاتور نزدیک میشود). از آنجا که لغزش کاهش می‌یابد، امپدانس روتور افزایش پیدا کرده و موتور شروع به کشیدن جریان نامی نرمال می‌کند.
جریان هجومی ۵ تا ۸ برابر بزرگ‌تر از جریان نامی بار کامل موتور است. موتور القایی نمی‌تواند چنین جریان زیادی را تحمل کند، زیرا این جریان می‌تواند به‌سرعت سیم‌پیچ‌‌ها را خراب کند 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 زیادی، از استارترها استفاده می‌کنیم که جریان اولیه را برای مدت کوتاهی کاهش می‌دهند. هنگامی که موتور سرعت مشخصی به دست آورد، تغذیه عادی موتور از سر گرفته میشود. همچنین، استارترها در برابر ولتاژ پایین و اضافه‌جریان از موتور محافظت می‌کند.
استارترهای موتور معمولاً برای موتورهای با توان بالا به کار می‌روند. موتورهای کوچک زیر یک اسب بخار به دلیل امپدانس بالا نیازی به استارتر ندارند. با این حال، این نوع موتورها به حفاظت اضافه‌جریان نیاز دارند که در استارتر DOL موجود است.
در استارتر از تکنیک‌های مختلف برای راه‌اندازی موتور استفاده میشود:
تکنیک راه‌اندازی ولتاژ کامل
در این روش، موتور را به ولتاژ کامل منبع تغذیه متصل می‌کنند. برای موتورهای کوچک از این روش استفاده میشود.
راه‌اندازی ولتاژ کاهش‌یافته
در این روش، ولتاژ تغذیه را در هنگام راه‌اندازی موتور کاهش می‌دهند تا جریان هجومی کاهش یابد. سافت استارتر از این تکنیک برای راه‌اندازی موتور القایی استفاده می‌کند.
راه‌اندازی چندسرعته
موتور طوری طراحی شده است که چندین سرعت از پیش انتخاب شده داشته باشد که از طریق پیکربندی قطب (سیم‌پیچ) به دست می‌آید. افزایش تدریجی سرعت جریان هجومی را کاهش می‌دهد.
سافت استارتر چیست؟
سافت استارتر نوعی راه‌انداز موتور است که از تکنیک کاهش ولتاژ در هنگام راه‌اندازی موتور استفاده می‌کند.
سافت استارتر ولتاژ را در طول راه‌اندازی موتور به تدریج افزایش می‌دهد. این کار به موتور اجازه می‌دهد تا به آرامی شتاب بگیرد و سرعت همواری داشته باشد. بدین صورت، از هرگونه پارگی و تکان‌های مکانیکی ناشی از برقراری ناگهانی ولتاژ کامل جلوگیری میشود.
گشتاور یک موتور القایی با مجذور جریان نسبت مستقیم دارد و جریان به ولتاژ تغذیه وابسته است. بنابراین، می‌توان از ولتاژ تغذیه برای کنترل گشتاور راه‌اندازی استفاده کرد. در یک استارتر معمولی، اعمال ولتاژ کامل به موتور، حداکثر گشتاور راه‌اندازی را ایجاد می‌کند که خطر مکانیکی برای موتور در پی 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 می‌رسد، سافت استارتر تغذیه کامل ولتاژ را از سر می‌گیرد.
در هنگام توقف موتور، ولتاژ تغذیه به‌تدریج کاهش می‌یابد تا سرعت موتور به آرامی کم شود. هنگامی که سرعت به صفر می‌رسد، منبع ولتاژ ورودی موتور را قطع می‌کند.
قطعه اصلی مورد استفاده برای تنظیم ولتاژ در سافت استارتر یک کلید نیمه‌هادی مانند تریستور (SCR) است. تنظیم زاویه آتش تریستور، ولتاژ تغذیه را تنظیم می‌کند. قطعات دیگری مانند OLR (رله اضافه بار)، که برای محافظت در برابر اضافه‌جریان از آن‌ها به کار می‌روند، در سافت استارتر به کار رفته است.
مدار سافت استارتر
در یک موتور القایی سه‌فاز، دو تریستور در یک پیکربندی پادموازی در امتداد هر فاز موتور به هم متصل می‌شوند که در مجموع شش تریستور خواهند بود. این تریستورها با استفاده از یک مدار منطقی جداگانه کنترل می‌شوند که می‌تواند یک کنترل‌کننده PID یا یک میکروکنترلر باشد. همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، مدار منطقی از طریق یک مدار یکسوکننده، از شبکه برق تغذیه میشود.
به غیر از کلیدهای پاور و مدارهای منطقی، از قطعات حفاظتی دیگری مانند کلید یا فیوز، کنتاکتور مغناطیسی برای جداسازی و OLR (رله اضافه بار) برای جلوگیری از اضافه‌جریان استفاده میشود.
یک سوئیچ بای‌پس نیز برای از سرگیری ولتاژ کامل در موتور (هنگامی که به سرعت نامی کامل می‌رسد) وجود دارد.
اصول عملکرد سافت استارتر
قطعه اصلی مورد استفاده برای کنترل ولتاژ در سافت استارتر یک تریستور است. یکسوکننده کنترل‌شده است که با اعمال یک پالس گیت به نام پالس شلیک یا آتش، هدایت جریان را تنها در یک جهت ممکن می‌کند.
زاویه پالس آتش تعیین می‌کند که چه مقدار از چرخه ولتاژ ورودی باید از آن عبور کند. از آنجا که جریان متناوب بین حداکثر و حداقل پیک نوسان می‌کند و یک سیکل کامل ۳۶۰ درجه را تشکیل می‌دهد، می‌توانیم از زاویه پالس آتش برای روشن کردن تریستور برای مدت زمان مشخص به منظور کنترل ولتاژ تغذیه استفاده کنیم.
پالس‌های آتش می‌تواند بین ۰ تا ۱۸۰ درجه باشند. کاهش زاویه پالس آتش، دوره هدایت تریستور را افزایش می‌دهد، بنابراین ولتاژ بیشتری را عبور خواهد داد.
دو تریستور به صورت پشت به پشت در هر فاز به هم متصل می‌شوند. بنابراین، می‌توانند جریان را در هر دو جهت کنترل کنند.
از سه جفت تریستور (هر جفت برای یک فاز جداگانه) برای کنترل ولتاژ به منظور راه‌اندازی و توقف موتور استفاده میشود. دوره هدایت تریستور به زاویه آتشی بستگی دارد که توسط مدار منطقی کنترل میشود.
مدار منطقی شامل کنترل‌کننده PID یا یک میکروکنترلر ساده است که برای تولید پالس برنامه‌ریزی شده است. کنترل‌کننده با استفاده از اپتو ایزولاتور از شبکه تغذیه جدا میشود و برای تأمین منبع DC از یکسوکننده استفاده میشود. پالس‌های تولیدشده توسط میکروکنترلر به مدار آتش تریستور داده میشود.
هنگامی که موتور راه‌اندازی میشود، کنترل‌کننده پالس‌هایی را برای هر تریستور تولید می‌کند. پالس بر اساس عبور از صفر که با استفاده از یک آشکارساز عبور صفر تشخیص داده میشود، تولید میشود. اولین زاویه پالس آتش تقریباً نزدیک به ۱۸۰ درجه (دوره هدایت بسیار کم) است تا حداقل ولتاژ را ایجاد کند.
به تدریج، پس از هر عبور از صفر، زاویه پالس‌های آتش شروع به کاهش می‌کند و دوره هدایت تریستور را افزایش می‌دهد. سپس، ولتاژ تریستور شروع به افزایش می‌کند. از این رو، سرعت موتور به تدریج افزایش می‌یابد.
هنگامی که موتور به سرعت نامی خود (در زاویه آتش ۰ درجه) رسید، تریستورها با استفاده از یک کنتاکتور بای‌پس عملکرد عادی خود را از سر می‌گیرند. از آنجا که تریستور آتش را متوقف می‌کند، کارایی سافت استارتر افزایش می‌یابد. در حین توقف موتور، تریستور کنترل را در دست می‌گیرد و برای کاهش ولتاژ تغذیه شروع به آتش می‌کند.
کنتاکتورهای بای‌پس می‌توانند داخلی یا خارجی باشند. کنتاکتورهای بای‌پس داخلی در داخل کلیدهای برق تعبیه شده‌اند. هر تریستور دارای یک سوئیچ بای‌پس موازی است که جریان را در شرایط عادی تأمین می‌کند. این پیکربندی کنتاکتورها فضای کمی را اشغال می‌کند و استارتر در طراحی فشرده خواهد شد. این در حالی است که کنتاکتورهای بای‌پس خارجی به صورت موازی به سافت استارتر خارجی متصل می‌شوند که در نهایت طراحی آن‌ها را حجیم می‌کند.
کنتاکتورهای بای‌پس برای قطع یا وصل جریان مدار نیستند، بنابراین، می‌توانند اندازه مشخصات الکتریکی پایینی داشته باشند.
مزایای سافت استارتر
راه‌اندازی نرم
برخلاف استارتر معمولی موتور، سافت استارتر افزایش بسیار تدریجی ولتاژ را فراهم می‌کند، بنابراین، منجر به راه‌اندازی بسیار روان میشود و هیچ‌گونه فشار مکانیکی یا تکان‌هایی که می‌تواند به موتور آسیب برساند، وجود ندارد.
کنترل شتاب و کاهش سرعت
سافت استارتر شتاب و کاهش سرعت موتور را کاملاً تنظیم می‌کند. تغییر زاویه آتش آرام یا سریع می‌تواند شتاب راه‌اندازی و کاهش سرعت در هنگام توقف موتور را کنترل کند. شتاب راه‌اندازی نیاز به تنظیم دارد.
حذف نوسان برق
از آنجا که استارتر معمولی اجازه می‌دهد تا ولتاژ کامل در سراسر موتور برقرار شود، جریان هجومی عظیمی به موتور وارد میشود که باعث افزایش برق در مدار خواهد شد. سافت استارتر چنین جریانی را محدود و، در نتیجه، از نوسانات برق جلوگیری می‌کند.
راه‌اندازی چندگانه
در برخی کاربردها نیاز است موتور چندین بار در بازه زمانی کوتاه راه‌اندازی و متوقف شود. چنین موتوری اگر با یک استارتر معمولی راه‌اندازی شود، به دلیل جریان راه‌اندازی بالا، گرمای بیش از حدی را تجربه می‌کند. با این حال، سافت استارترها تعداد راه‌اندازی یک موتور را در مدت زمان مشخصی افزایش می‌دهند.
کاهش گرمای بیش از حد
گرمای بیش از حد موتور یک مشکل بسیار جدی است. این موضوع به دلیل جریان بالای سیم‌پیچ در هنگام راه‌اندازی آن رخ می‌دهد. سافت استارتر مقدار بسیار کمی جریان راه‌اندازی دارد که از گرم شدن بیش از حد موتور جلوگیری می‌کند.
افزایش طول عمر موتور
سافت استارتر در مقایسه با استارتر معمولی طول عمر موتور را بهبود می‌بخشد. این امر 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 ایرادات مکانیکی داشته باشد، به همین دلیل است که نسبت به استارتر معمولی به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد.
راندمان بالا
یک استارتر معمولی ولتاژ کامل (جریان هجومی بسیار بالا) را در موتور ایجاد می‌کند که انرژی زیادی مصرف می‌کند. سافت استارتر آن را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد و امکان افزایش تدریجی مصرف انرژی را فراهم می‌کند. همچنین کلیدهای برق با ولتاژ بسیار پایین کنترل می‌شوند. این امر راندمان کلی موتور را بهبود می‌بخشد.
اندازه کوچک
سافت استارتر طراحی بسیار فشرده‌ای دارد که فضای بسیار کمی را اشغال می‌کند. بر خلاف سایر استارترهای موتور، سافت استارتر اندازه بسیار کوچکی دارد.
کم هزینه
در مقایسه با سایر استارترها مانند VFD، سافت استارتر ارزان‌تر است.
معایب سافت استارتر
عدم تنظیم سرعت
سافت استارتر فقط منبع ولتاژ ورودی را کنترل می‌کند، یعنی از صفر ولت به ولتاژ خط با فرکانس خط ثابت. از آنجا که فرکانس ثابت است، سرعت موتور ثابت است و فقط توسط بار متصل به آن تنظیم میشود. سرعت موتور القایی با تغییر فرکانس تغذیه در زیر یا بالاتر از فرکانس خط بر اساس نیاز تنظیم میشود. چنین ویژگی‌ای فقط در VFD (درایو فرکانس متغیر) وجود دارد.
اتلاف گرما
سوئیچ‌های نیمه‌هادی داخل سافت استارتر مقداری انرژی را به شکل گرما دفع می‌کنند. بنابراین، برای خنک کردن کلیدهای برق نیز نیاز به هیت سینک وجود دارد.
کاهش گشتاور راه‌اندازی
از آنجا که سافت استارتر ولتاژ ورودی مربوط به جریان ورودی را که مستقیماً با گشتاور راه‌اندازی موتور القایی متناسب است، کاهش می‌دهد، گشتاور راه‌اندازی را به میزان قابل توجهی کم می‌کند. به همین دلیل است که سافت استارترها برای اعمال گشتاور راه‌اندازی کم یا متوسط استفاده میشود.
کاربردهای سافت استارتر
سافت استارتر در صنایع استفاده میشود و برای موتورهایی که با سرعت ثابت کار می‌کنند مناسب‌تر است.
- فن‌ها: فن‌های عظیم مورد استفاده در صنایع با سرعت ثابتی کار می‌کنند. با این حال، آن‌ها به حفاظت راه‌اندازی نیاز دارند. سافت استارتر بهترین گزینه برای چنین فن‌هایی است.
- تسمه نقاله: تسمه نقاله در صنایع برای جابه‌جایی اجسام استفاده میشود و نیاز به مراقبت بیشتری دارد. تکان‌های ناگهانی در هنگام استارت یا توقف با استفاده از استارتر معمولی ممکن است به دلیل استرس مکانیکی به تسمه و اجسام قرار داده شده روی آن آسیب برساند.
- موتورهایی که از تسمه و قرقره استفاده می‌کنند: موتوری که بار را از طریق تسمه و قرقره هدایت می‌کند، نمی‌تواند تکان‌های ناگهانی را تحمل کند. یک راه‌اندازی نرم برای چنین کاربردهایی ضروری است.
- پمپ آب یا مایع: هر نوع پمپ متصل به موتور به دلیل ایجاد فشار ناگهانی در داخل لوله‌ها نیاز به راه‌اندازی و توقف نرم دارد. یک استارتر معمولی ممکن است در هنگام راه‌اندازی فشاری در حد شکستن خط ایجاد کند. اما سافت استارتر باعث افزایش تدریجی فشار پمپ‌های مایع میشود. با این حال، کنترل سرعت پمپ در طول کار عادی وجود ندارد. و VFD برای سرعت متغیر پمپ انتخاب بهتری است.
برای مطالعه تفاوت سافت استارتر با درایو کنترل‌دور به مقاله زیر مراجعه نمایید:
منبع: Electrical Technology
