در این مقاله قصد داریم در مورد سافتاستارتر و نحوه عملکرد آن صحبت کنیم.
فهرست
- 1- مقدمه
- 2- استارت موتور
- 3- سافتاستارتر چیست؟
- 4- نمودار سافتاستارتر
- 5- اصول کار سافتاستارتر
- 6- اصول کار سافتاستارتر
- 7- کاربردهای سافتاستارتر
- 8- مقایسه سافتاستارتر و استارترمستقیم
————————————————
1- مقدمه
امروزه در صنعت از انواع موتورها استفادهمیشود.
موتورهای القایی یکی از پرکاربردترین موتور های سه فاز AC هستند که تقریباً 70 درصد موتورهای مورداستفادهدر صنایع را تشکیل میدهند.
ساختار خوب و راندمان بالا، این موتور را به بهترین انتخاب برای هر بخش صنعتی تبدیل میکند.
اما در این میان، موتورها به وسایل حفاظتی و تجهیزات برای عملکرد ایمن خود نیاز دارند تا بتوانند با خیال راحت عمل کنند و از آسیب احتمالی به موتور جلوگیری کنند و همچنین طول عمر آنها را افزایشدهند.
ضروری ترین تجهیزات مورداستفادهبرای موتور القایی سه فاز، استارت موتوراست.
————————————————
2- استارت موتور
استارت موتور یک وسیله الکتریکی است که برای راهاندازی و توقف ایمن موتور الکتریکی استفادهمیشود. همچنین محافظت در برابر اضافه جریان و ولتاژ پایین را ارائه میدهد.
از آنجایی که موتور القایی به طور گسترده برای انواع مختلف کاربردها در صنایع استفادهمیشود، برای راهاندازی و توقف ایمن به استارت موتور نیازدارد.
موتورهای القایی در هنگام راهاندازی به دلیل امپدانس کم سیمپیچهای موتور در حالت سکون مقدار زیادی جریان می کشند.
بنابراین استارت موتور برای عملکرد ایمن موتور القایی بسیار ضروری است.
امپدانس روتور به لغزش (سرعت نسبی بین روتور و استاتور) موتور القایی بستگیدارد. لغزش موتور القایی ثابت نیست و در طول عملکرد تغییر میکند، بنابراین امپدانس روتور نیز متفاوت است و با لغزش موتور نسبت معکوسدارد.
در حالت سکون، لغزش موتور القایی حداکثر است، بنابراین امپدانس روتور در حداقل مقدار خود است.
اتصال موتور به منبع تغذیه، به دلیل امپدانس کم، جریان زیادی به نام جریان هجومی، را در سیم پیچ استاتور میکشد.
جریان متناوب در استاتور، یک میدان مغناطیسی چرخشی (RMF) ایجاد میکند که جریان را در سیمپیچهای روتور القا میکند.
جریان روتور نیز میدان مغناطیسی خود را جهت خنثی کردن علت آن ایجاد میکند و شروع به چرخش در جهت RMF میکند.
بنابراین، روتور گشتاور را تجربه کرده و با افزایش سرعت آن، لغزش موتور کاهشمییابد (یعنی سرعت RMF روتور به سرعت RMF استاتور نزدیک میشود).
از آنجایی که لغزش کاهشمییابد، امپدانس روتور افزایشمییابد و موتور شروع به کشیدن جریان نامی نرمال میکند.
سافتاستارتر
با توجه به اینکه جریان هجومی حدود 5 تا 8 برابر بزرگتر از جریان نامی بار کامل موتوراست، موتور القایی نمیتواند چنین جریانی را تحمل کند. زیرا این جریان میتواند به سرعت به سیمپیچها آسیب برساند یا آنها را بسوزاند و کارایی و طول عمر موتور را کاهشدهد.
چنین جریان های بالایی همچنین میتوانند باعث کاهششدید ولتاژ خط شوند که برای سایر وسایل متصل به همان خط خطرناک است.
برای جلوگیری از چنین جریان هجومی زیاد، از استارترهای موتور که جریان اولیه را برای مدت کوتاهی کاهشمیدهند، استفادهمیشود.
هنگامی که موتور سرعت مشخصی بدست آورد، منبع تغذیه عادی از سر گرفته میشود.
استفاده از استارترهای موتور محافظت در برابر ولتاژ پایین و اضافه جریان را نیز ارائه میدهند.
استارترهای موتور معمولاً برای موتورهای با قدرت سنگین استفاده میشوند.
موتورهای کوچک زیر یک اسب بخار به دلیل امپدانس بالا نیازی به استارت موتور ندارند.با این حال، آنها نیز به حفاظت اضافه جریان که در استارترمستقیمموجوداست، نیاز دارند.
سافتاستارتر
در استارتر موتور از انواع تکنیک ها برای راهاندازی موتوراستفادهمیشود که عبارتند از:
الف. تکنیک راهاندازی ولتاژ کامل:
در این روش موتور به ولتاژ کامل منبع تغذیه متصل میشود. تکنیک راهاندازی ولتاژ کامل اغلب برای موتورهای کوچک استفادهمیشود.
ب. تکنیک راهاندازی ولتاژ کاهش یافته:
این تکنیک ولتاژ تغذیه را در هنگام راهاندازی موتور کاهشمیدهد تا جریان هجومی کاهشیابد. سافتاستارتر از این تکنیک برای راهاندازی موتور القایی استفادهمیکند.
ج. راهاندازی چند سرعته:
در این روش موتور به گونه ای طراحی شدهاست که دارای چندین سرعت از پیش انتخاب شدهاست که از طریق پیکربندی قطب (سیم پیچ) به دست میآید. در تکنیک راهاندازی چند سرعته افزایشتدریجی سرعت، جریان هجومی را کاهشمیدهد.
————————————————
3- سافتاستارتر چیست؟
سافتاستارتر نوعی استارت موتوراست که از تکنیک کاهشولتاژ، برای کاهشولتاژ در هنگام راهاندازی موتوراستفاده میکند.
سافتاستارتر افزایشتدریجی ولتاژ را در طول راهاندازی موتور ارائه میدهد.
این عمل به موتور اجازه میدهد تا به آرامی شتاب و در نهایت سرعت بگیرد و از هرگونه آسیب و تکانهای مکانیکی ناشی از تامین ناگهانی ولتاژ کامل جلوگیری کند.
گشتاور یک موتور القایی با مجذور جریان نسبت مستقیمدارد و جریان نیز به ولتاژ تغذیه بستگیدارد.
بنابراین میتوان از ولتاژ تغذیه برای کنترل گشتاور راهاندازی استفاده کرد.
در استارت موتور معمولی، اعمال ولتاژ کامل به موتور، حداکثر گشتاور راهاندازی را ایجاد میکند که خطر مکانیکی شدیدی برای موتور دارد.
بنابراین میتوان گفت سافتاستارتر وسیلهای است که گشتاور راهاندازی را کاهش داده و بهتدریج آن را به صورت ایمن افزایشمیدهد تا به سرعت نامی خود برسد.
هنگامی که موتور به سرعت نامی خود می رسد، سافتاستارتر تغذیه کامل ولتاژ را از طریق آن از سر میگیرد.
در هنگام توقف موتور، ولتاژ تغذیه به تدریج کاهشمییابد تا سرعت موتور به آرامی کاهشیابد. هنگامی که سرعت به صفر می رسد، منبع ولتاژ ورودی موتور را قطع میکند.
جزء اصلی مورداستفادهبرای تنظیم ولتاژ در سافتاستارتر یک کلید نیمه هادی مانند تریستور (SCR)است.
با تنظیم زاویه آتش تریستور، ولتاژ تغذیه تنظیم میشود.
قطعات دیگری مانند رله اضافه بار که برای محافظت در برابر اضافه جریان کاربرد دارد، نیز استفادهمیشود.
————————————————
4- نمودار سافتاستارتر
در یک موتور القایی سه فاز، دو تریستور در یک پیکربندی غیر موازی در امتداد هر فاز موتور به هم متصل میشوند که در مجموع شامل 6 تریستور میشود.
این تریستور ها بااستفاده از یک مدار منطقی جداگانه که میتواند یک کنترل کننده PID یا یک میکروکنترلر باشد، کنترل میشوند.
مدار منطقی بااستفاده از مدار یکسو کننده همانطور که در شکل نشان داده شدهاست از شبکه برق تغذیه میشود.
به غیر از کلیدهای برق و مدارهای منطقی، از قطعات حفاظتی دیگری مانند کلید قطع کننده یا فیوز، کنتاکتور مغناطیسی برای جداسازی و رله اضافه بار برای جلوگیری از اضافه جریان استفادهمیشود.
یک سوئیچ بای پس نیز برای از سرگیری ولتاژ کامل در سراسر موتور هنگامی که به سرعت نامی کامل رسید، نیز استفادهمیشود.
————————————————
5- اصول کار سافتاستارتر
همان طور که بیان شد، جزء اصلی مورداستفادهبرای کنترل ولتاژ در سافتاستارتر، تریستور است.
تریستور یک یکسو کننده کنترل شدهاست که با اعمال یک پالس گیت به نام پالس آتش، هدایت جریان را تنها در یک جهت آغاز میکند.
زاویه پالس آتش تعیین میکند که چه مقدار از سیکل ولتاژ ورودی باید از آن عبور کند.
از آنجایی که نوسانات AC بین حداکثر و حداقل پیک نوسان میکند و یک سیکل کامل 360 درجه را تشکیل میدهد، میتوان از زاویه پالس آتش برای روشن کردن تریستور برای مدت زمان مشخص و کنترل ولتاژ تغذیه استفادهکرد.
پالسهای آتش میتوانند بین 0 تا 180 درجه متفاوت باشند.
کاهش زاویه پالس آتش باعث افزایش دوره هدایت تریستور میشود و در نتیجه ولتاژ بالا میتواند از آن عبور میکند.
در شکل فوق، دو تریستور از این دست به صورت پشت سر هم برای هر فاز به هم متصل شده اند.
در این حالت، جریان میتواند در هر دو جهت کنترل شود. به طوریکه هر نیم سیکل، یک زاویه آتش دارد.
مطابق شکل زیر، سه جفت تریستور، هر جفت برای فاز جداگانه برای کنترل ولتاژ برای راهاندازی و توقف موتور میتواند استفادهشود.
دوره هدایت تریستور به زاویه آتش کنترل شده توسط مدار منطقی بستگیدارد.
سافتاستارتر
مدار منطقی شامل یک کنترل کننده PID یا یک میکروکنترلر سادهاست که برای تولید پالس، برنامه ریزی شدهاست.
کنترل کننده بااستفاده از اپتو ایزولاتور از شبکه تغذیه جدا میشود و برای تامین منبع DC از یکسو کننده استفادهمیشود.
پالسهای تولید شده توسط میکروکنترلر مدار آتش تریستور را قبل از راهاندازی، برای تقویت تریستور ، تغذیه میکنند.
هنگامی که موتور راهاندازی میشود، کنترل کننده پالسهایی را برای هر تریستور به صورت جداگانه تولید میکند.
اولین زاویه پالس آتش تقریباً نزدیک به 180 درجه (دوره هدایت بسیار کم)است تا حداقل ولتاژ امکان پذیر شود.
به تدریج پس از هر عبور از صفر، زاویه پالسهای آتش شروع به کاهش میکند و دوره هدایت تریستور و در راستای آن ولتاژ تریستور را افزایشمیدهد.
در نتیجه، سرعت موتور به تدریج افزایشمییابد.
هنگامی که موتور به سرعت نامی کامل خود (در زاویه آتش صفر درجه) رسید، تریستورها بااستفاده از یک کنتاکتور بای پس تحت عملکرد عادی کاملا بای پس میشوند.
با توقف آتش توسط تریستور، کارایی سافتاستارتر افزایشمییابد.
در حین توقف موتور، تریستور کنترل را در دست میگیرد و برای کاهشولتاژ تغذیه شروع به آتش میکند.
سافتاستارتر
کنتاکتورهای بای پس میتوانند داخلی یا خارجی باشند.
کنتاکتورهای بای پس داخلی در داخل کلیدهای برق تعبیه شده اند. هر تریستور دارای یک سوئیچ بای پس موازیاست که جریان را در شرایط عادی تامین میکند.
چنین پیکربندی در کنتاکتورها فضای کمی را اشغال میکند و استارترها را در حالت فشرده قرار میدهد.
در حالی که کنتاکتورهای بای پس خارجی به موازات سافتاستارتر به صورت خارجی متصل میشوند.
چنین سافتاستارترهایی بسیار حجیم هستند.
کنتاکتورهای بای پس به منظور عدم ایجاد یا ایجاد جریان برای مدار عمل نمیکنند، بنابراین میتوانند کنتاکتورهایی با مرتبه پایین باشند.
————————————————
6- مزایا و معایب سافتاستارتر
از مزایای سافتاستارتر میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
راهاندازی آرام:
برخلاف استارتر موتور معمولی، سافتاستارتر افزایش بسیار تدریجی ولتاژ، و در نتیجه سرعتی که منجر به راهاندازی بسیار روان موتور میشود را فراهم میکند.
همچنین هیچ گونه فشار مکانیکی یا تکانهایی که موجب آسیب موتور میشود، وجود ندارد.
کنترل شتاب و کاهش سرعت:
شتاب و کاهش سرعت موتور کاملاً قابل تنظیم است.
تغییر زاویه آتش به آرامی یا سریع میتواند شتاب در هنگام راهاندازی و کاهش سرعت در هنگام توقف موتور را کنترل کند.
سافتاستارتر در شرایطی استفادهمیشود که شتاب راهاندازی نیاز به تنظیم دارد.
عدم وجود نوسان برق:
از آنجایی که استارت موتور معمولی اجازه ولتاژ کامل را در سراسر موتور میدهد، جریان هجومی عظیمی به موتور وارد میشود که باعث افزایش برق در مدار میشود.
سافتاستارتر چنین جریانی را محدود میکند و در نتیجه از نوسانات برق جلوگیری میکند.
راهاندازیهای چندگانه:
برخی از برنامه ها به موتوری نیاز دارند که چندین بار در مدت زمان کم راهاندازی و متوقف شوند.
اگر از چنین موتوری با یک استارت معمولی استفادهشود به دلیل جریان راهاندازی بالا دچار گرمای بیش از حد میشود.
با این حال، سافتاستارتر میتوانند تعداد دفعات راهاندازی یک موتور را در مدت زمان مشخص به شدت افزایشدهند.
کاهش گرمای بیش از حد:
گرم شدن بیش از حد موتور یک مشکل بسیار جدی است که به دلیل جریان زیاد سیم پیچ در هنگام راهاندازی رخ میدهد.
در حالیکه سافتاستارتر با جریان راهاندازی بسیار کم از گرم شدن بیش از حد موتور جلوگیری میکند.
افزایش طول عمر:
سافتاستارتر در مقایسه با استارت معمولی طول عمر موتور را به دلیل عملکرد نرم و عدم وجود فشار الکتریکی و مکانیکی روی موتور بهبود می بخشد.
نیاز به تعمیر و نگهداری کمتر:
موتور القایی به دلیل عملکرد روان، احتمال کمتری دارد که دارای ایرادات مکانیکی باشد، به همین دلیلاست که در مقایسه با استارت موتور معمولی به تعمیر و نگهداری کمتری نیازدارد.
بهره وری:
یک استارت موتور معمولی با اعمال ولتاژ کامل (جریان هجومی بسیار بالا) به موتور انرژی زیادی مصرف میکند.
در حالیکه، یک سافتاستارتر آن را به میزان قابل توجهی کاهشمیدهد و امکان افزایشتدریجی مصرف انرژی را فراهم میکند.
همچنین سوئیچ های توان بااستفاده از سطح ولتاژ بسیار پایین کنترل میشوند که این امر راندمان کلی موتور را بهبود می بخشد.
اندازه جمع و جور و کوچک:
سافتاستارتر دارای طراحی بسیار فشرده و اندازه بسیار کوچکیاست که فضای بسیار کمی را اشغال میکند.
هزینه کم:
در مقایسه با سایر استارترها مانند VFD، مطمئناً ارزانتراست.
معایب سافتاستارتر نیز عبارتند از:
عدم تنظیم سرعت:
سافتاستارتر فقط امکان کنترل منبع ولتاژ ورودی یعنی از صفر ولت به ولتاژ خط با فرکانس خط ثابت را میدهد.
از آنجایی که فرکانس ثابتاست، سرعت موتور ثابت بوده و فقط توسط بار متصل به آن تنظیم میشود.
سرعت موتور القایی با تغییر فرکانس تغذیه در پایین یا بالاتر از فرکانس خط بر اساس نیاز تنظیم میشود.
چنین ویژگی فقط در VFD (درایو فرکانس متغیر) موجوداست.
اتلاف گرما:
سوئیچ های نیمه هادی داخل سافتاستارتر مقداری انرژی را به صورت گرما از بین می برند.
بنابراین، برای خنک کردن کلیدهای برق به هیت سینک نیازدارد.
کاهش گشتاور راهاندازی:
سافتاستارتر ولتاژ ورودی مربوط به جریان ورودی را که با گشتاور راهاندازی موتور القایی متناسباست، کاهشمیدهد. در نتیجه گشتاور راهاندازی به میزان قابل توجهی کاهشمییابد.
به همین دلیل است که سافتاستارترها برای شرایطی که نیاز به گشتاور راهاندازی کم یا متوسط دارد، استفادهمیشود.
————————————————
7- کاربردهای سافتاستارتر
عموما سافتاستارترها در صنایع استفاده میشوند و برای موتورهایی که با سرعت ثابت کار میکنند مناسب تر هستند. در ادامه به برخی از کاربردهای آنها در صنعت پرداخته میشود.
فن ها:
فن های عظیم مورداستفادهدر صنایع با سرعت ثابتی کار میکنند و به حفاظت راهاندازی نیاز دارند. سافتاستارتر بهترین گزینه برای چنین فنهاییاست.
به عنوان مثال، در داخل دستگاه جمعکننده گرد و غبار فن های بزرگی قراردارد.
در این کاربرد، فن مدتی طول می کشد تا به حرکت درآید، اما هنگامی که حرکت میکند، جریان و گشتاور موتور کاهشمییابد.
در این سیستم، فن هوا را به داخل فیلترهایی که ذرات گرد و غبار در آنجا جمع میشوند می کشد و سپس هوای تمیز به کارخانه رانده میشود.
نوار نقاله:
نوار نقاله در صنایع برای جابجایی اجسام استفادهمیشود و نیاز به مراقبتدارد.
تکانهای ناگهانی در هنگام استارت یا توقف بااستفاده از استارتر معمولی ممکناست نوارها را ناهماهنگ نگهدارد و به دلیل فشار مکانیکی به تسمه و به اجسام قرار داده شده روی آن آسیب برساند.
بنابراین، این تجهیز نیاز به یک شروع و توقف آرام که توسط سافتاستارتر ارائه میشود، دارد.
به این ترتیب که، یک سافتاستارتر در داخل کنترل پنل قرار میگیرد و با برق سه فاز در قسمت بالایی تامین میشود. سپس در قسمت پایین، برق سه فاز را به موتور می رساند.
سیستم های تامین آب:
کاربرد تامین آب یکی دیگر از کاربردهای عالی این دستگاه های الکترونیکیاست.
هنگام استفاده از پمپ ها در یک فرآیند، باید آنها را به آرامی راهاندازی کرد.
عدم رعایت این اصل، باعث افزایش فشار در سیستم آب میشود که میتواند منجر به شرایط خطرناک شود.
موتورهای بااستفاده از تسمه و قرقره:
موتوری که بار را از طریق تسمه و قرقره هدایت میکند، نمیتواند تکان های ناگهانی را تحمل کند.
یک سافتاستارتر میتواند راهاندازی آرامی را برای چنین کاربردهای موتوری ارائه دهد.
————————————————
8- مقایسه سافتاستارتر و استارترمستقیم
در این بخش به مقایسه سافتاستارتر و استارترمستقیم از دو جنبه عملکرد و کاربرد صنعتی پرداخته شدهاست.
1- مقایسه عملکرد و منحنی ها
استارترمستقیم ساده ترین راه برای راهاندازی موتوراست.
در صورت علاقه به مبحث راهاندازی موتور میتوانید به مقاله روش های راهاندازی موتور رجوع کنید.
یک استارترمستقیم معمولاً از یک قطع کننده، کنتاکتور و یک رله اضافه بار برای حفاظت تشکیل شدهاست.
هنگامی که موتور به سرعت کامل می رسد، سافتاستارتر و استارترمستقیم هر دو به صورت یکسان کار میکنند و تفاوت آنها در نحوه عملکردشان در زمان رسیدن به سرعت کاملاست.
هنگام مقایسه ولتاژ بین یک سافتاستارتر و استارترمستقیم، میتوان هجوممستقیم ولتاژ در استارترمستقیم را مشاهده کرد.
در حالیکه، سافتاستارتر برای رسیدن به ولتاژ کامل به زمان بیشتری نیازدارد.
جریان بااستفاده از یک سافتاستارتر تنظیم میشود. در صورتی که در استارترمستقیم، با روشن شدن موتور، جرقه های بزرگی در جریان بوجود خواهد آمد.
در یک سافتاستارتر ، مدت زمانی که موتور به سرعت می رسد طولانی تر و کنترل شده تراست.
اما، یک استارترمستقیم سرعت موتور را تقریباً فوراً افزایشمیدهد که میتواند اثرات نامطلوبی داشته باشد.
گشتاور اعمال شده به موتور با افزایش سرعت در هنگام استفاده از یک استارترمستقیم در مقایسه با افزایشتدریجی گشتاور در سافتاستارتر بسیار بیشتراست.
2- مقایسه در کاربردهای صنعتی
اکنون که می دانیم سافتاستارتر چیست و چگونه کار میکند، به کاربردهای صنعتی بازگردیم و آنچه را که می دانیم در مورد اینکه چرا سافتاستارتر میتواند از اثرات نامطلوب مکانیکی و الکتریکی جلوگیری کند، اعمال کنیم.
هنگامی که یک از استارترمستقیم در کاربردهای صنعتی استفادهمیشود، یک ضربه ناگهانی در هنگام راهاندازی بر روی بار همراه با شتاب سریع که باعث سایش بیش از حد میشود، وجود خواهد داشت.
فن های هواکش صنعتی توسط یک موتور بااستفاده از تسمه و قرقره هدایت میشوند. استفاده از استارترمستقیم میتواند باعث لغزش و سایش تسمه ها شود.
در کاربرد تامین آب، استارترمستقیم باعث افزایش فشار در خطوط آب میشود که میتواند منجر به سایش بیش از حد و در نهایت شکستگی خطوط شود.
در سیستم نوار نقاله، استارترمستقیم به قطعاتی که نوار نقاله ها را به همراه کوپلینگ ها و یاتاقان ها هدایت میکنند، فشار میآورد.
این اثرات مکانیکی نامطلوب میتواند منجر به تعمیر و نگهداری مداوم، خاموش شدن های برنامه ریزی نشده و کوتاه شدن عمر قطعات شود.
همچنین اثرات الکتریکی وجود دارد که میتوان بااستفاده از یک سافتاستارتر از آنها جلوگیری کرد. نوسانات شدید جریانی که یک استارترمستقیممیتواند ایجاد کند، میتواند کنتاکت ها و موتورها را بسوزاند.
در نتیجه، زمانی که یک برنامه صنعتی دارای بار اینرسی بالایی است که به جریان زیادی نیازدارد، راهاندازی آرام یک گزینه ایدهآل برای کنترل سیستماست.
همچنین با بررسی سیم کشی و کنترل سافتاستارتر و همچنین اجزای داخلی و نحوه کنترل ولتاژ موتور، میتوان به این نتیجه دست یافت که اثرات مکانیکی و الکتریکی نامطلوبی وجود دارد که بااستفاده از سافتاستارتر میتوان از آنها جلوگیری کرد.
————————————————
مقالات
روش های راهاندازی موتور
راهاندازی موتور القایی سه فاز (استارت موتور آسنکرون)
مراجع
What is Soft Starter? Its Working, Diagram and Applications
? WHAT IS A SOFT STARTER