نحوه ی عملکرد سافت استارتر و دلایل استفاده از آن
سافت استارتر در واقع شروع کننده ی عملکرد موتور می باشد. البته سافت استارتر ها می توانند موتور را متوقف کرده ، جهت چرخش آن را معکوس کنند ، سرعت موتور را افزایش دهند و یا به عنوان یک تجهیز حفاظتی مورد استفاده قرار بگیرند. در هر صورت همواره یک فن کوچک ، تجهیزات معدنی و یا یک الکتروموتور به عنوان نیرو محرکه برای سافت استارتر وجود خواهد داشت.
موتور های الکتریکی تجهیزاتی هستند که حدود 60 تا 70 درصد از انرژی الکتریکی را در ایالات متحده مصرف می کنند و می توان گفت که تجهیزات پر مصرفی هستند. پس استفاده از سافت استارترها که ترکیبی از یک کنترل کننده و حفاظت کننده در مقابل اضافه بار هستند، در عملکرد آن ها ضروری می باشد.
- سافت استارتر به عنوان کنترل کننده :
جریان الکتریکی الکتروموتور را قطع و وصل می نمایند. در حقیقت کنتاکتور، کنترلری است که توسط نیروی الکترومغناطیسی کنترل می شود.
- سافت استارتر به عنوان محفاظت کننده در مقابل اضافه بار:
از سوختن موتور الکتریکی در هنگام اضافه جریان که باعث ایجاد حرارت زیادی می شود، محافظت می کند. رله ی اضافه بار نیز جهت تکمیل عملکرد حفاظتی ، در سافت استارتر ها تعبیه می شود.
دلایل استفاده از سافت استارتر
برای جلوگیری از بارگیری سیستم توزیع برق
برای کاهش گشتاور شروع
یک موتور معمولی طرح NEMA می تواند 6 تا 8 برابر جریان اسمی خود را در حالت بار کامل ( لحظه ی راه اندازی ) از شبکه بگیرد. حال اگر شبکه توزیع قدرت ظرفیت لازم را نداشته باشد، در راه اندازی موتور های بزرگ ، ممکن است مشکلاتی از قبیل سوسو زدن نور چراغ ها پیش بیاید. گاهی اوقات نیز این اضافه بار، باعث خنثی کردن سوئیچ های مدارات و سیستم های حفاظتی می شود و به سیستم آسیب می رساند. بسیاری از کمپانی ها می توانند محدودیت هایی را در میزان مصرف مشتریان ، در هر زمانی ایجاد کرده و از این طریق توازن را در سیستم توزیع خود برقرار سازند.
انواع سافت استارتر
به طور کلی 5 نوع سافت استارتر وجود دارد:
مقاومت اولیه
ترانسفورماتور خودکار
سیم پیچ
WEY دلتا
حالت جامد
انتخاب سافت استارتر مناسب
هر یک از انواع سافت استارتر ، دارای ویژگی هایی هستند که برای برنامه های منحصر به خود مناسب می باشند. بنابراین برای انتخاب مناسب ترین نوع سافت استارتر ، می بایست به نکات زیر توجه کرد:
مشخصات درج شده روی پلاک موتور الکتریکی ، آمپر روتور قفل شده، رتبه HP، منجنی گشتاور موتور/ سرعت (در صورت موجود بودن )
زمان شروع و توقف (هر چه زمان START و STOP طولانی تر باشد، راه اندازی نرم تر صورت می گیرد.)
حفاظت در برابر اضافه بار ( این نوع حفاظت، براساس کلاس حفاظتی مشخص می شود.)
محدوده ی خدمات برق (ولتاژ خط )
نوع محفظه
چرا از سافت استارتر استفاده می‌کنیم؟
راه‌انداز نرم یا سافت استارتر نوعی استارتر موتور است که از تکنیک کاهش ولتاژ در هنگام راه‌اندازی موتور استفاده می‌کند. راه‌انداز نرم ولتاژ را هنگام شروع به کار موتور افزایش می‌دهد. این امر به موتور اجازه می‌دهد تا به آرامی و به روشی نرم شتاب و سرعت گیرد. سافت استارتر به دلیل تأمین مناسب ولتاژ کامل، از بروز آسیب و لرزش مکانیکی جلوگیری می‌کند.
گشتاور موتور القایی به طور مستقیم با مربع جریان متناسب است و جریان به ولتاژ منبع تغذیه بستگی دارد. بنابراین، می‌توان از ولتاژ تغذیه برای کنترل گشتاور راه‌اندازی استفاده کرد. در یک استارتر معمولی، اعمال ولتاژ کامل بر موتور حداکثر گشتاور راه‌اندازی را تولید می‌کند که موجب خطر مکانیکی برای موتور می‌شود.
بنابراین، می‌توان گفت که یک سافت استارتر یا راه‌انداز نرم وسیله‌ای است که گشتاور راه‌اندازی را کاهش می‌دهد و به تدریج آن را با روشی ایمن زیاد می‌کند تا موتور به سرعت نامی برسد. به محض اینکه موتور به سرعت نامی رسید، سافت استارتر منبع تغذیه کامل ولتاژ را به مدار اعمال می‌کند.
در هنگام توقف موتور، ولتاژ منبع به تدریج کاهش می‌یابد تا سرعت موتور به نرمی کم شود. با رسیدن سرعت به صفر، استارتر ولتاژ ورودی موتور را قطع می‌کند.
مؤلفه اصلی مورد استفاده برای تنظیم ولتاژ در یک سافت استارتر، یک سوئیچ نیمه‌هادی تریستور (SCR) است. تنظیم زاویه آتش تریستور، ولتاژ منبع را تنظیم می‌کند. از اجزای دیگری مانند رله اضافه بار (OLR) نیز برای محافظت در برابر اضافه جریان استفاده می‌شود.
نمودار مداری سافت استارتر
در یک موتور القایی سه فاز ، دو SCR در یک پیکربندی پادموازی در امتداد هر فاز موتور متصل می‌شوند و در نتیجه شش SCR را تشکیل می‌دهند. این SCRها با استفاده از یک مدار منطقی جداگانه کنترل می‌شوند که می‌تواند یک کنترل کننده PID یا میکروکنترلر باشد. مدار منطقی با استفاده از مدار یکسوکننده ، همانطور که در شکل نشان داده شده است، از شبکه برق تغذیه می‌شود.
اصول کار سافت استارتر
قطعه اصلی مورد استفاده برای کنترل ولتاژ در یک سافت استارتر تریستور است. یکسوکننده متشکل از تریستور کنترل شده است. وقتی یک پالس گیت، به نام پالس آتش، به تریستور اعمال می‌شود، جریان را تنها در یک جهت عبور می‌دهد.
از سه جفت تریستور، هر جفت برای فاز جداگانه به منظور کنترل ولتاژ برای راه‌اندازی و متوقف کردن موتور استفاده می‌شود. دوره هدایت تریستور به زاویه آتش بستگی دارد که توسط مدار منطقی کنترل می‌شود.
مدار منطقی شامل کنترل‌کننده PID یا یک میکروکنترلر ساده بوده که برای تولید پالس برنامه‌ریزی شده است. کنترلر با استفاده از اپتوایزولاتور از شبکه منبع جدا شده و یک یکسوساز برای تولید منبع DC استفاده می‌شود. پالس‌های ایجاد شده توسط میکروکنترلر به مدار آتش تریستور وارد می‌شوند که قبل از تریگر کردن SCR تقویت می‌شوند.
با راه‌اندازی موتور، کنترل‌کننده پالس‌هایی را برای هر SCR تولید می‌کند. پالس مبتنی بر عبور از صفر با استفاده از یک آشکارساز عبور از صفر شناسایی می‌شود. اولین زاویه پالس آتش تقریباً در حدود ۱۸۰ درجه (دوره هدایت بسیار کم) است تا حداقل ولتاژ را فراهم کند.
به تدریج پس از هر گذر از صفر، زاویه پالس‌های آتش شروع به کاهش می‌کند و باعث افزایش دوره هدایت تریستور خواهد شد. بنابراین، ولتاژ از طریق تریستور افزایش می‌یابد. از این رو سرعت موتور به تدریج زیاد می‌شود.
به تدریج پس از هر گذر از صفر، زاویه پالس‌های آتش شروع به کاهش می‌کند و باعث افزایش دوره هدایت تریستور خواهد شد. بنابراین، ولتاژ از طریق تریستور افزایش می‌یابد. از این رو سرعت موتور به تدریج زیاد می‌شود.
هنگامی که موتور سرعت کامل خود را در صفر درجه زاویه آتش به دست آورد، تریستورها با استفاده از یک کنتاکتور از کار در عملکرد عادی بای‌پس می‌شوند. این موضوع، کارایی راه‌اندازی نرم را افزایش می‌دهد، زیرا SCR آتش را متوقف می‌کند. در حین توقف موتور، SCR کنترل را به دست می‌گیرد و به منظور تنظیم ولتاژ منبع تغذیه، به طور منظم آتش می‌شود.
کنتاکتورهای بای‌پس می‌توانند داخلی یا خارجی باشند. کنتاکتورهای بای‌پس داخلی در کلیدهای قدرت تعبیه شده‌اند. هر SCR دارای یک سوییچ بای‌پس به صورت موازی است که جریان را در شرایط عادی تأمین می‌کند. این پیکربندی کنتاکتورها فضای کمی می‌گیرد و به همین دلیل، این استارترها در طراحی جمع و جور هستند. در حالی که کنتاکتورهای بای‌پس خارجی به طور موازی با سافت استارتر به بیرون متصل می‌شوند. این راه‌اندازهای نرم جای زیادی می‌گیرند.
کنتاکتورهای بای‌پس برای قطع یا وصل جریان مدار نیستند، بنابراین می‌توان از کنتاکتورهایی با جریان نامی کم استفاده کرد.
مزایای استفاده از سافت استارتر
مهم‌ترین مزایای استفاده از سافت استارتر به شرح زیر است:
راه‌اندازی نرم:
برخلاف استارتر معمولی موتور، سافت استارتر باعث افزایش بسیار تدریجی ولتاژ و در نتیجه سرعت می‌شود که به یک راه‌اندازی بسیار روان می‌انجامد. فشار مکانیکی یا جرقه‌ای (که معمولاً موجب آسیب‌دیدگی موتور می‌شود) در این روش وجود ندارد.
کنترل شتاب و ترمز:
این دستگاه شتاب و ترمز کاملاً قابل تنظیم موتور را فراهم می‌کند. تغییر زاویه آتش به آرامی یا به سرعت می‌تواند شتاب را در هنگام راه‌اندازی و ترمز موتور کنترل کند. سافت استارتر در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد شتاب راه‌اندازی باید تنظیم شود.
کنترل تغییرات ناگهانی توان:
از آنجا که استارتر معمولی اجازه می‌دهد تا ولتاژ کامل به موتور اعمال شود، جریان هجومی بزرگی در داخل موتور برقرار می‌شود که باعث افزایش توان در مدار خواهد شد. سافت استارتر چنین جریانی را محدود می‌کند و مانع افزایش ناگهانی توان می‌شود.
راه‌اندازی‌های چندگانه:
در برخی موارد باید در زمان کمی موتور را چندین بار راه‌اندازی و متوقف کنیم. چنین موتوری در صورت استفاده از استارتر معمولی، به دلیل جریان زیاد راه‌اندازی، گرمای بیش از حد را تجربه خواهد کرد. با این حال، سافت استارترها تعداد راه‌اندازی‌های یک موتور را در مدت زمان مشخص به طور چشمگیری افزایش می‌دهند.
کاهش گرمای بیش از حد:
گرمای بیش از حد موتور یک مشکل بسیار جدی است که به دلیل جریان زیاد سیم‌پیچ هنگام راه‌اندازی رخ می‌دهد. سافت استارتر با مقدار کمی جریان موتور را راه‌اندازی می‌کند که مانع از گرم شدن بیش از حد موتور می‌شود.
افزایش طول عمر موتور:
سافت استارتر نسبت به استارتر معمولی باعث افزایش عمر موتور می‌شود. این امر به دلیل عملکرد نرم و عدم وجود فشار الکتریکی و مکانیکی بر روی موتور است.
تعمیر و نگهداری کمتر:
به دلیل کارکرد صحیح سافت استارتر، موتور القایی خطای مکانیکی کمتری دارد، به همین دلیل در مقایسه با استارتر موتور معمولی به نگهداری کمتری نیاز خواهد داشت.
کارایی:
یک استارتر معمولی ولتاژ کامل (جریان بسیار زیاد ورودی) را به موتور اعمال می‌کند که انرژی زیادی مصرف خواهد کرد. یک راه‌انداز نرم باعث کاهش چشمگیر توان شده و امکان افزایش تدریجی در مصرف انرژی را فراهم می‌کند. همچنین کلیدهای قدرت با استفاده از سطح ولتاژ بسیار پایین کنترل می‌شوند. این موضوع کارایی کلی موتور را بهبود می‌بخشد.
اندازه کوچک:
سافت استارتر طراحی بسیار جمع و جوری دارد و فضای بسیار کمی را اشغال می‌کند؛ برخلاف سایر استارترها که اندازه بزرگی دارند.
هزینه کم:
در مقایسه با سایر راه‌اندازها مانند VFD، سافت استارتر هزینه کمتری دارد.
معایب سافت استارتر
برخی از معایب سافت استارترها به شرح زیر است:
عدم تنظیم سرعت:
سافت استارتر فقط امکان کنترل ولتاژ ورودی یعنی از صفر ولت تا ولتاژ خط با فرکانس ثابت خط را دارد. از آنجا که فرکانس ثابت است، سرعت موتور ثابت بوده و فقط با بار متصل با آن تنظیم می‌شود. سرعت موتور القایی، با توجه به نیاز، با تغییر فرکانس منبع در پایین‌تر یا بالاتر از فرکانس خط تنظیم می‌شود. این ویژگی فقط در VFD (درایو فرکانس متغیر) موجود است.
اتلاف حرارت:
سوئیچ‌های نیمه‌هادی مدار سافت استارتر مقداری انرژی را به صورت گرما تلف می‌کنند. بنابراین، برای خنک شدن سوئیچ‌های برق نیز نیاز به سینک‌های حرارتی وجود دارد.
کاهش گشتاور راه‌اندازی:
از آنجا که راه‌انداز نرم باعث کاهش ولتاژ ورودی مطابق با جریان ورودی می‌شود که مستقیماً متناسب با گشتاور شروع موتور القایی است، گشتاور راه‌اندازی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. به همین دلیل، سافت استارتر برای کاربردهایی با گشتاور راه‌اندازی کم یا متوسط استفاده می‌شود.
کاربردهای سافت استارتر
سافت استارتر در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد و برای موتورهایی مناسب‌تر است که با سرعت ثابت کار می‌کنند. از کاربردهای سافت استارتر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
فن‌ها:
پنکه یا فن‌های بزرگی که در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند، با سرعت ثابت کار می‌کنند. با این حال، آن‌ها به حفاظت در راه‌اندازی نیاز دارند. سافت استارتر بهترین گزینه برای چنین فن‌هایی است.
تسمه نقاله:
از تسمه نقاله‌ها در صنایع برای جابه‌جایی اشیاء مختلف استفاده می‌شود و به همین دلیل نیاز به مراقبت و کنترل بیشتری برای موتورهای آن‌ها وجود دارد. لرزش‌های ناگهانی هنگام راه‌اندازی یا متوقف شدن با استفاده از استارتر معمولی ممکن است کمربندها را به اشتباه حرکت دهد، به دلیل فشار مکانیکی به کمربند آسیب وارد کند و اشیاء قرار داده شده روی آن آسیب ببینند. این کار به یک راه‌اندازی و توقف نرم توسط سافت استارتر نیاز دارد.
موتورهایی که از تسمه و قرقره استفاده می‌کنند:
موتوری که از طریق تسمه‌ها و قرقره‌ها بار خود را حرکت می‌دهد، نمی‌تواند تکان ناگهانی را تحمل کند. راه‌اندازی نرم، راه‌اندازی آرامی برای چنین کاربردهایی فراهم می‌کند.
پمپ آب یا مایع: