در جهان و در صنایع گوناگون از ماشین آلات با تنوع بسیار زیادی استفاده می شود. موتور(های) القایی (Induction Motor) از پرکاربردترین موتورهای سه فاز متناوب (AC) هستند که به صورت تقریبی، 70 درصد از کل موتورهای مورد استفاده در صنایع را تشکیل می دهند. ساختار قوی و راندمان بالا، این موتور را به بهترین انتخاب در بخش های گوناگون صنعت بدل کرده است. اما این نوع موتورها به جهت ایجاد ایمنی در عملکرد برای دور ماندن از آسیب های احتمالی به قطعات حفاظتی و تجهیزات خاصی نیاز دارند. این امر سبب افزایش طول عمر این موتورها می گردد. از ضروری ترین تجهیزات مورد استفاده برای موتور القایی سه فاز، راه انداز نرم موتور (سافت استارتر-Soft Starter) است. همان اندازه که طول عمر موتورها مهم است انتخاب سافت استارتر مناسب برای آن الکترومتور نیز بسیار با اهمیت می‌باشد.
سافت استارتر نوعی استارت موتور است که از تکنیک کاهش ولتاژ در هنگام راه اندازی موتور استفاده می کند. سافت استارتر در هنگام راه اندازی موتور، ولتاژ را به صورت تدریجی افزایش می دهد. این امر موجب می گردد تا موتور به آرامی شتاب گرفته و سرعت آن افزایش یابد. در نتیجه از هرگونه پارگی و آسیب های مکانیکی ناشی از افزایش ناگهانی ولتاژ جلوگیری می کند.
بنابراین می‌توان گفت سافت استارتر از تجهیزاتی است که گشتاور راه‌اندازی موتور را کاهش داده و به تدریج آن را به صورت کنترل شده و ایمن، افزایش می‌دهد تا به سرعت نامی خود برسد. هنگامی که موتور به سرعت نامی خود می رسد، سافت استارتر ولتاژ تغذیه را به صورت کامل به موتور اعمال می کند.
در هنگام توقف موتور، ولتاژ تغذیه به تدریج افت پیدا می کند تا سرعت موتور به آرامی کاهش یابد و در لحظه ای که سرعت به صفر می رسد؛ منبع ولتاژ ورودی، موتور را قطع می کند. بخش اصلی مورد استفاده برای تنظیم ولتاژ در سافت استارتر، کلیدی نیمه هادی مانند تریستور (SCR) است. با تنظیم پالس آتش (Phase Angle) در تریستورها می توان میزان ولتاژ تغذیه را تغییر داد. قطعات دیگری نیز هم چون رله اضافه بار (OLR) وجود دارد که به جهت حفاظت در برابر جریان اضافه به کار برده می شود.
شکل (1). سافت استارتر یا راه انداز نرم (Soft Starter)
ساختار سافت استارتر
سافت استارتر موتور یک قطعه الکتریکی است که به جهت راه اندازی و توقف ایمن موتور الکتریکی استفاده شده و هم چنین از موتور الکتریکی در برابر اضافه جریان و افت ولتاژ محافظت می کند. به دلیل کاربرد گسترده و گوناگون موتور القایی در تمامی صنایع، برای راه اندازی و توقف ایمن آن به راه انداز نرم موتور نیاز پیدا می گردد. موتورهای القایی به دلیل امپدانس کم سیم پیچ های موتور در حالت سکون در لحظه راه اندازی، جریان بالایی می کشند.
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، به دنبال آن امپدانس روتور نیز متغیر خواهد بود و با لغزش موتور نسبت معکوس خواهد داشت. در حالت سکون (موقعیت استراحت)، لغزش موتور القایی به بالاترین میزان خود (یک) می رسد. در نتیجه امپدانس روتور آن در پایین ترین مقدار قرار می گیرد. اتصال موتور به منبع تغذیه به دلیل پایین بودن میزان امپدانس با نام جریان هجومی (Inrush Current)، جریان بالایی را از سیم پیچ استاتور می کشد. جریان متناوب در استاتور یک میدان مغناطیسی چرخشی (RMF) ایجاد می کند که موجب القای جریان در سیم پیچ های روتور می گردد.
چرخش روتور در جهت RMF، موجب می شود تا جریان روتور با ایجاد یک میدان مغناطیسی، عامل ایجاد کننده آن را خنثی کند. بنابراین، گشتاور روتور و افزایش سرعت آن، موجب می گردد تا لغزش موتور کاهش پیدا کند (به این معنا که میزان سرعت RMF روتور به سرعت RMF استاتور نزدیک می‌شود). با کاهش لغزش، امپدانس روتور افزایش یافته و موتور شروع به کشیدن جریان نامی نرمال می کند.
میزان جریان در هنگام شروع به کار موتور، 5 تا 8 بار بزرگ تر از جریان نامی بار کامل موتور است. موتور القایی نمی تواند چنین جریانی را تحمل کند زیرا این جریان به سرعت به سیم پیچ ها آسیب رسانده، آن ها را می سوزاند و کارایی و طول عمر موتور را کاهش دهد. چنین جریان های بالایی هم چنین می تواند موجب افت شدید ولتاژ خط و ایجاد خطر برای دیگر وسایل متصل به همان خط گردد.
برای جلوگیری از افزایش جریان در لحظه راه اندازی موتور با تجهیزاتی تحت عنوان سافت استارتر موتور، جریان اولیه برای مدت کوتاهی کاهش پیدا می کند و زمانی که موتور به سرعت معینی برسد، منبع تغذیه فعالیت خود را به صورت عادی از سر می گیرد. هم چنین این تجهیزات از موتور در برابر افت ولتاژ و جریان اضافه محافظت می کنند.
راه انداز نرم موتور از تکنیک های گوناگونی برای راه اندازی موتور استفاده می کند:
- تکنیک ولتاژ کامل: در این روش موتور به منبع کامل ولتاژ متصل می شود این روش برای موتورهایی با توان پایین مناسب می باشد.
- افت ولتاژ در لحظه استارت موتور: در این روش ولتاژ تغذیه در هنگام راه اندازی موتور کاهش پیدا می کند. در نتیجه جریان موتور نیز کاهش می یابد. سافت استارترها از این روش برای راه اندازی موتورهای القایی استفاده می کنند.
- استارت چند سرعته: موتور با چند سرعت پیش فرض طراحی شده است و از طریق پیکربندی قطبی (Pole Configuration) سیم پیچ به دست می آید. افزایش تدریجی سرعت موتور، جریان راه اندازی را کاهش می دهد.
مدار سافت استارتر (راه انداز نرم)
در یک موتور القایی سه فاز، دو تریستور (SCR) در یک پیکربندی ضد موازی و در امتداد هر فاز موتور به یکدیگر متصل می‌شوند (در مجموع 6 عدد). این SCR ها با استفاده از یک مدار منطقی جداگانه هم چون یک کنترل کننده PID یا یک میکروکنترلر کنترل می شوند. مدار منطقی، همان طور که در شکل نمایش داده شده است با استفاده از مدار یک سو کننده از شبکه برق تغذیه می کند…
به غیر از کلیدهای پاور و مدارهای منطقی، از قطعات حفاظتی دیگری نیز هم چون کلید اتوماتیک، کلید حفاظت موتوری یا فیوز، کنتاکتور مغناطیسی برای جداسازی و رله اضافه بار برای جلوگیری از اضافه جریان مورد استفاده قرار می گیرد. هم چنین یک کنتاکتور بای پس (Bypass Contactor) به جهت برقراری ولتاژ کامل در سراسر موتور و در زمانی که به سرعت نامی کامل رسید؛ استفاده می شود.
عملکرد سافت استارتر (Soft Starter)
قطعه اصلی به کار برده شده برای کنترل ولتاژ در سافت استارتر، تریستور است. تریستورها یک سو کننده های کنترل شده ای هستند که با اعمال یک “پالس گیت” یا به عبارتی دیگر “پالس آتش”، هدایت جریان را تنها در یک جهت بر عهده می گیرند…
“پالس آتش” تریستور مشخص می سازد که چه مقدار از “سیکل” (شکل موج) ولتاژ ورودی می تواند از آن عبور کند. از آن جا که ولتاژ AC، در یک بازه (حداقل و حداکثری) در نوسان است و یک سیکل کامل، 360 درجه را پوشش می دهد؛ می توان از پالس آتش برای روشن کردن تریستور و کنترل ولتاژ تغذیه در مدت زمانی مشخص استفاده کرد. بازه پالس های آتش می تواند بین 0 تا 180 درجه متفاوت باشد. کاهش پالس آتش، موجب افزایش “دوره هدایت” تریستور شده و در نتیجه ولتاژ بالایی از آن عبور می کند…
برای هر فاز، دو عدد تریستور به صورت موازی ولی در دو جهت متفاوت به یکدیگر متصل شده اند. این امر موجب می شود جریان در هر دو جهت، کنترل شود..
نکات مثبت سافت استارتر (راه انداز نرم موتور)
- راه اندازی نرم: بر خلاف روش های معمول راه اندازی موتور، سافت استارتر شرایط افزایش بسیار تدریجی ولتاژ را فراهم می کند. بنابراین سرعت ایجاد شده منجر به راه اندازی بسیار آرام موتور شده و هیچ گونه فشار مکانیکی یا تکان که منجر به آسیب موتور شود؛ وجود ندارد.
- تنظیم شتاب و کاهش سرعت: شتاب و کاهش سرعت موتور به صورت کامل قابل تنظیم می باشند. تغییر پالس آتش به آرامی یا با سرعت می تواند شتاب لحظه راه اندازی و کاهش سرعت در هنگام توقف موتور را کنترل کند. این قابلیت در سیستم هایی به کار برده می شود که در آن شتاب راه اندازی نیاز به تنظیم داشته باشد.
- جلوگیری از نوسان برق: به این دلیل که در زمان راه اندازی معمول یک موتور، ولتاژ به طور کامل به آن اعمال می گردد، جریان راه اندازی بسیار بالایی به موتور وارد می شود که موجب ایجاد نوسان در مدار می شود. سافت استارتر چنین جریانی را محدود کرده و در نتیجه از نوسانات برق جلوگیری می کند.
- راه اندازی بیش از یک بار موتور: گاه در برخی از پروژه ها نیاز است تا موتور چندین بار در مدت زمان کمی راه‌اندازی و متوقف شود. با استفاده از روش های معمول راه اندازی موتور مانند Direct On Line (DOL)، به علت جریان راه اندازی بالا، دمای موتور بیش از حد افزایش می یابد. سافت استارترها تعداد مراحل راه اندازی یک موتور را در مدت زمانی مشخص به میزان قابل توجهی و بدون بالا رفتن دما، افزایش می دهند.
- کنترل افزایش دما: افزایش بیش از حد دما در موتور از مشکلات بسیار جدی محسوب می شود. این اتفاق زمانی رخ می دهد که در هنگام راه اندازی موتور، جریان بالایی از سیم پیچ عبور کند. با استفاده از سافت استارتر، جریان راه اندازی کاهش پیدا کرده و در نتیجه از گرم شدن بیش از حد موتور جلوگیری می کند.
- افزایش طول عمر موتور: سافت استارتر در مقایسه با یک راه انداز معمولی، طول عمر موتور را بهبود می بخشد. که علت آن عملکرد کنترل شده و عدم وجود فشار الکتریکی و مکانیکی بر موتور است.
- تعمیر و نگهداری آسان: موتورهای القایی که به وسیله سافت استارترها راه اندازی می شوند چون راه اندازی آن ها به صورت تدریجی انجام می شود، کمتر دچار ایرادات مکانیکی شده و در نتیجه نسبت به استارت های معمول موتور به تعمیر و نگهداری کم تری نیاز دارند.
- راندمان بالا: سافت استارترها جریان راه انداز را کاهش می دهند در نتیجه مصرف انرژی نیز به صورت قابل توجهی کاهش خواهد یافت.
- اندازه مناسب و کوچک: راه انداز نرم موتور نسبت به سایر تجهیزات که برای راه اندازی الکتروموتورها مورد استفاده قرار می گیرند، اندازه مناسب تری برای نصب و جانمایی دارند.
- قیمت مناسب: هزینه پایین‌تر سافت استارترها برای خرید در مقایسه با سایر تجهیزات راه انداز موتور هم چون اینورتر (VSD) ها، موجب افزایش تقاضای خرید این تجهیزات کاربردی شده است.
نکات منفی سافت استارتر (راه انداز نرم موتور)
- عدم تنظیم سرعت: سافت استارتر فقط منبع ولتاژ ورودی را کنترل می کند، یعنی از صفر ولت تا ولتاژ خط با فرکانس خط ثابت (بازه معین). از آن جا که فرکانس ثابت است، سرعت موتور ثابت است اما ممکن است لازم باشد تا سرعت موتور القایی با تغییر فرکانس تغذیه از مقداری کم تر تا بالاتر از فرکانس خط (خارج از بازه کنترل سافت استارتر) تنظیم شود. چنین قابلیتی تنها در درایو فرکانس متغیر (VFD) وجود دارد.
- اتلاف گرما: سوئیچ های نیمه هادی داخل سافت استارتر بخشی از انرژی را به صورت گرما دفع می کنند. بنابراین، برای خنک کردن آن ها به تجهیزاتی به نام رادیاتور خنک کننده یا هیت سینک (Heat Sink) نیاز دارند.
- کاهش گشتاور راه انداز: سافت استارتر، ولتاژ ورودی را دچار افت می کند در نتیجه جریان ورودی که با گشتاور نسبت مستقیم دارد، کاهش پیدا می کند. پس در هنگام راه اندازی موتور با سافت استارتر، گشتاور به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
بیشتر بخوانید: load list و نقشه تک خطی تابلو برق (Single-Line Diagram)
کاربردهای سافت استارتر (Soft Starter)
سافت استارتر در صنایع گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرد. این تجهیز در موتورهای الکتریکی با سرعت ثابت کاربرد فراوانی دارد.
- فن: فن های غول پیکری که در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند با سرعتی ثابت کار می کنند. با این حال، به حفاظت برای راه اندازی نیاز دارند. سافت استارتر بهترین گزینه است.
- تسمه نقاله: تسمه نقاله ها در بخش های گوناگون صنعت برای جابجایی اجسام به کار برده می شوند. تکان‌های ناگهانی (تنش های مکانیکی) در هنگام استارت یا توقف با استفاده از استارترهای معمول ممکن است به تسمه و اجسامی که بر روی آن قرارگرفته اند، آسیب برساند. سافت استارترها موجب می شوند تا نقاله راه اندازی و توقف نرمی داشته باشد.
- قرقره: موتوری که بارها را از طریق تسمه و قرقره هدایت می کند نمی تواند تکان های ناگهانی را تحمل کند. یک سافت استارتر، راه اندازی نرمی را برای چنین کاربردهای موتوری ارائه می دهد.
- پمپ مایع: هر نوع پمپ متصل به موتور به دلیل ایجاد فشار ناگهانی در داخل لوله ها نیاز به راه اندازی و توقف نرم دارد. در استارت های معمول ممکن است در هنگام راه اندازی، فشار خط به اندازه ای افزایش پیدا کند که موجب شکستن خط لوله شود. اما با به کارگیری یک سافت استارتر در چنین پمپ هایی، فشار مایع به صورت تدریجی افزایش پیدا می کند اما امکان کنترل سرعت پمپ زمانی که به حالت عادی کار می کند، وجود ندارد. در نتیجه می توان گفت که VFD انتخاب مناسب تری برای تغییر سرعت پمپ می باشد.
بیشتر بخوانید: دفترچه محاسبات تابلو برق
انتخاب سافت استارتر سه فاز (راه انداز نرم موتور)
شرکت طراحی و مهندسی نیکسا به جهت ایجاد سهولت در محاسبات و انتخاب سافت استارترهای سه فاز، اقدام به ارائه ماشین محاسباتی به صورت صفحه گسترده اکسل (Excel) نموده است. این فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز با توجه به پارامترهای زیر از سه برند ABB، اشنایدر و زیمنس مدلهای مناسب با پروژه شما را ارائه می‌نماید.
اطلاعات ورودی فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز به شرح زیر است:
- ولتاژ خط (Voltage L-L): در این قسمت ولتاژ متناوب عملکرد موتور مشخص می‌گردد. این فایل اکسل برای ولتاژ حداکثر 690 ولت تنظیم شده است.
- توان موتور (Power): در این قسمت توان الکتروموتور بر حسب کیلووات (KW) تعیین می‌گردد.
- ضریب توان موتور (Power Factor): در این قسمت ضریب توان موتور که عددی بین صفر و یک است ذکر می‌گردد. فایل اکسل انتخاب سافت استارتر شرکت نیکسا به گونه‌ای طراحی شده است که در صورت مشخص نشدن ضریب توان توسط کاربر با توجه به میزان توان موتور این مقدار بصورت خودکار تکمیل می‌گردد.
- راندمان موتور (Efficiency): در این قسمت راندمان موتور بر حسب درصد تعیین می‌شود. فایل اکسل انتخاب سافت استارتر شرکت نیکسا به گونه‌ای طراحی شده است که در صورت مشخص نشدن راندمان توسط کاربر با توجه به میزان توان موتور این مقدار بصورت خودکار تکمیل می‌گردد.
- جریان موتور (Motor Current): در این قسمت جریان موتور سه فاز بر حسب آمپر مشخص می‌شود. فایل اکسل انتخاب سافت استارتر شرکت نیکسا به گونه‌ای طراحی شده است که در صورت مشخص نشدن جریان موتور توسط کاربر با توجه به میزان توان موتور این مقدار بصورت خودکار تکمیل می‌گردد.
- دمای محیط بر حسب سانتیگراد (Temprture): در این قسمت حداکثر دمای محیطی را که راه انداز نرم در آن محیط قرار دارد تعیین می‌گردد. فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز شرکت نیکسا برای دمای محیط حداکثر 65 درجه سانتیگراد طراحی شده است.
- ارتفاع از سطح دریا بر حسب متر (Altitude): در این قسمت ارتفاع از دریا محلی که راه انداز نرم موتور در آن قرار می‌گیرد تعیین می‌شود. فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز شرکت نیکسا برای ارتفاع از سطح دریا حداکثر 5000 متر طراحی شده است.
برای دانلود رایگان فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز از لینک زیر استفاده کنیم
دانلود رایگان: فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز
در ویدئو زیر نحوه استفاده از فایل اکسل انتخاب سافت استارتر سه فاز شرکت نیکسا را بصورت ساده آموزش می‌دهیم.
سخن پایانی
در این مقاله سعی کردیم بصورت مختصر با سافت استارتر و نحوه عملکرد آن آشنا شویم. همچنین مزایا و معایب استفاده از راه انداز نرم موتور را گفتیم تا بتوانید انتخابی آگاهانه داشته باشید. سرانجام جهت جدول انتخاب سافت استارتر سه فاز فایل اکسل تهیه شده توسط شرکت نیکسا را معرفی کردیم، امیدواریم از این فایل اکسل رایگان استفاده کنید و نظرات خود را در قسمت دیدگاه سایت جهت بهبود هر چه بیشتر این فایل بیان نمایید.
