بررسی 6 روش راه اندازی موتور سه فاز و کاربرد هر کدام
موتورها نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف دارند. موتور القایی سه فاز آسنکرون، پرکاربردترین موتور الکتریکی مورد استفاده در صنعت، برای هدایت بارهای مکانیکی است. شروع به کار موتورها با چالش های مختلفی همراه است. برای غلبه بر چالش های راه اندازی موتور سه فاز روش های مختلفی پیشنهاد شده است.
موتور القایی در لحظه راه اندازی جریان زیادی به نام جریان هجومی از شبکه می کشد. این جریان هجومی سبب مشکلات مختلفی از جمله افت ولتاژ خط می شود. افت ولتاژ خط بر عملکرد سایر لوازم الکتریکی متصل به شبکه تأثیر می گذارد. از سوی دیگر شروع به کار ناگهانی موتور تنش های مکانیکی را به همراه دارد.
این تنش ها در کاربردهایی مانند نوار نقاله چالش های جدی به همراه دارند. روش های مختلفی برای رفع چالش های راه اندازی موتور سه فاز پیشنهاد شده است. این روش ها جریان راهاندازی موتور را به محدوده جریان مجاز کاهش داده و تنش های مکانیکی را مدیریت می کنند. به شرط آنکه محدودیت های هر روش را در نظر بگیریم.
در ادامه به بررسی 6 روش راه اندازی موتور سه فاز و کاربرد هر کدام می پردازیم. با من همراه باشید.
موتور سه فاز در صنعت
موتورها از جمله پرکاربردترین تجهیزات صنعتی هستند. هر جای صنعت را که ببینید، ردپایی از موتور وجود دارد. از پمپ و فن های ساده گرفته تا بازوهای رباتیک پیشرفته همه از موتور بهره می برند. برخی از مهمترین کاربردهای موتورها در صنایع شامل موارد زیر است:
- فن
- پمپ
- میکسر و همزن
- اکسترودر
- نوار نقاله
- جرثقیل
- آسانسور و بالابر
- ماشین ابزار
- سورتینگ و بسته بندی
- و …
هر صنعتی حداقل از چند موتور الکتریکی بهره می برد. از سوی دیگر در بخش قبل اشاره کردیم که فرآیند راه اندازی موتور سه فاز، یک چالش بزرگ نه تنها برای صنایع که حتی برای شبکه توزیع برق است! جریان هجومی بزرگی که موتورها در لحظه راه اندازی به آن نیاز دارند می تواند سبب افت ولتاژ شبکه شود. به دلیل ثابت بودن توان، افزایش جریان خروجی کاهش ولتاژ را به همراه دارد.
چرا راه اندازی استاندارد موتور سه فاز ضروری است؟
با وصل برق موتور القایی سه فاز، یک میدان مغناطیسی دورانی ایجاد می شود. میدان ایجاد شده با هادی های روتور ارتباط برقرار کرده و تولید گشتاور می کند. این فرآیند جریان هجومی قابل توجهی از شبکه می کشد.
جریان هجومی موتور به ویژه در توان های بالا منجر به کاهش شدید ولتاژ شبکه توزیع می شود. کاهش ولتاژ بارهای الکتریکی متصل به شبکه را تحت تأثیر قرار می دهد. حتی سیم پیچ های موتور نیز ممکن است بر اثر این جریان هجومی بزرگ بسوزد. در بدترین حالت جریان هجومی موتور منجر به خاموش شدن تجهیزات و توقف کامل خط می شود.
اما روش هایی برای غلبه بر این چالش و پیشگیری از وقوع این مشکلات بزرگ وجود دارد. راه اندازی موتور سه فاز به روش های استاندارد جریان راهاندازی را به میزان چشمگیری کاهش می دهد. کاهش جریان هجومی، از چالش های بعدی نیز پیشگیری می کند.
روش های راه اندازی موتور سه فاز
با توجه به اهمیت راه اندازی ایمن موتورها، روش های مختلفی برای این منظور ابداع شده است. هدف همه روش ها کاهش جریان هجومی و تنش های مکانیکی ناشی از شروع به کار موتور است. هر روش با کنترل یکی از مشخصه های عملکردی موتور، جریان هجومی را کاهش می دهد.
رایج ترین روش های راه اندازی موتور سه فاز عبارتند از:
- راه اندازی مستقیم (DOL)
- راه اندازی با مقاومت استاتور
- راه اندازی به روش ستاره – مثلث (Star-Delta)
- راه اندازی با استفاد از اتو ترانسفورماتور
- راه اندازی به کمک سافت استارتر
- راه اندازی به درایو فرکانس متغیر (VFD)
در راه اندازی مستقیم در واقع هیچ تکنیکی به کار گرفته نمی شود اما سایر روش ها نقش موثری در کاهش جریان هجومی موتور دارند. در ادامه به بررسی بیشتر هر روش می پردازیم.
راه اندازی مستقیم
همانطور که از نام آن مشخص است، در این روش برق سه فاز مستقیماً به موتور وصل می شود. این روش (Direct On Line) D.O.L نیز نامیده می شود. شکل زیر مدار راه اندازی مستقیم موتور سه فاز را نشان می دهد.
در این روش جریان راه اندازی موتور کاهش نمی یابد. به بیان دیگر جریان هجومی راه اندازی از شبکه کشیده می شود. بزرگی این جریان معمولاً 7 تا 10 برابر جریان نامی موتور است. راه اندازی موتور سه فاز به روش مستقیم نیاز به تجهیزات ساده ای دارد.
در این روش از کنتاکتور به منظور روشن و خاموش کردن موتور استفاده می شود. همچنین استفاده از تجهیزاتی مانند کلید حرارتی و بی متال برای حفاظت از موتور رایج است. در این روش هیچ تکنیکی برای کنترل جریان راه اندازی استفاده نشده است.
راه اندازی مستقیم برای موتورهای القایی با توان کمتر از 5 کیلو وات مناسب است.
جزئیات بیشتر در مورد این روش را در مقاله “راه اندازی مستقیم موتور سه فاز” بخوانید
راه اندازی موتور سه فاز با مقاومت استاتور
در راه اندازی موتور با مقاومت استاتور از تکنیک راه اندازی با ولتاژ کاهش یافته استفاده می شود. وقتی موتور القایی شروع به کار می کند، روتور جریان زیادی از شبکه می کشد. پس از شتاب گرفتن موتور و رسیدن به سرعت کامل، جریان موتور کاهش می یابد.
سری کردن یک مقاومت با استاتور سبب بزرگ شدن مقاومت مسیر جریان و مانع افزایش جریان می شود؛ در نتیجه جریان راه اندازی موتور کاهش می یابد. در لحظه استارت، مقاومت خارجی با سیم پیچ استاتور سری می شود. وجود مقاومت خارجی سبب افت ولتاژ می شود و در نتیجه ولتاژ پایانه های موتور کاهش می یابد.
طبق قانون اهم، کاهش ولتاژ دو سر استاتور سبب کاهش جریان عبوری از آن می شود. در ادامه مقاومت استاتور به صورت پلکانی و متناسب با شتاب موتور بای پس می شود. با رسیدن سرعت موتور به مقدار نامی، مقاومت خارجی به طور کامل بای پس و استاتور ولتاژ نامی را در پایانه های موتور دریافت می کند.
این روش راه اندازی موتور سه فاز جریان هجومی راه اندازی موتور را کنترل می کند اما در عین حال معایب زیر را نیز دارد:
- تلفات توان در مقاومت های خارجی به شکل گرما
- کاهش ولتاژ باعث شتاب کند موتور می شود
اگرچه این روش در گذشته مورد استفاده قرار می گرفت اما با معرفی سافت استارتر محبوبیت خود را از دست داده است.
راه اندازی موتور به روش ستاره – مثلث
روش ستاره – مثلث نیز از تکنیک راه اندازی موتور سه فاز با ولتاژ کاهش یافته استفاده می کند. ستاره مثلث رایج ترین روش مورد استفاده در راه اندازی موتورهای القایی است. در این روش بر خلاف راه اندای مستقیم به سه کنتاکتور و دو بریکر نیاز است. مشخصات کنتاکتورهای مورد استفاده با هم متفاوت است.
در مقاله راهنمای انتخاب کنتاکتور به بیان نکات مورد نیاز در اینباره پرداخته ایم.
مدار راه اندازی موتور سه فاز به روش ستاره مثلث در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که در شکل قابل مشاهده است علاوه بر دو رله اضافه بار از کلید اتوماتیک نیز به منظور حفاظت از مدار استفاده شده است.
در زمان راه اندازی (شروع به کار) سیمپیچ استاتور آرایش ستاره دارد . پس از راه اندازی آرایش سیم پیچ ها به مثلث تغییر می کند. هنگامی که موتور با آرایش ستاره راه اندازی می شود، ولتاژ تغذیه به 57.7 درصد ولتاژ نامی می رسد و در نتیجه جریان راه اندازی موتور کاهش می یابد.
با رسیدن سرعت موتور به 80 درصد مقدار نامی، آرایش سیم پیچ به مثلث تبدیل می شود. برای تغییر اتصال از ستاره به مثلث یک کنتاکتور اضافی مورد نیاز است. در اتصال ستاره، ظرفیت تحویل گشتاور به یک سوم گشتاور کامل موتور کاهش می یابد.
راه اندازی موتور سه فاز با اتوترانسفورماتور
اتوترانسفورماتور امکان راه اندازی موتور با ولتاژ کاهش یافته را فراهم می کند. در این روش یک ترانسفورماتور خودکار وظیفه کاهش جریان راه اندازی موتور را بر عهده دارد. مدار راه اندازی موتور با اتوترانسفورماتور به صورت شکل زیر است:
اتوترانسفورماتور یک ترانس کاهنده سه فاز است که چند خروجی با ولتاژهای متفاوت دارد. عموما اتوترانسفورماتور سه مرحله ولتاژی 50، 65، و 80 درصد دارد. برخی از نمونه های اتوترانسفورماتور امکان افزایش پله های ولتاژ رانیز دارند. موتور با سطح ولتاژ کمتر راه اندازی می شود و با شتاب موتور به سطوح بالاتر تغییر می کند.
زمانی که سرعت موتور به حدود 80 درصد مقدار نامی رسید، اتوترانسفورماتور به طور خودکار توسط کنتاکتور اتصال کوتاه از مدار خارج می شود و موتور با ولتاژ نامی به کار ادامه می دهد. گشتاور راه اندازی موتور متناسب با مجذور ولتاژ است. بنابراین، گشتاور راهاندازی موتور در ولتاژ پایینتر کاهش مییابد.
استارتهای اتوترانسفورماتور برای راهاندازی موتور سه فاز با گشتاور راهاندازی کم مناسبند. این روش راه اندازی برای موتورهای الکتریکی تا توان 25 اسب بخار (کمتر از 20 کیلووات) مناسب است.
راه اندازی موتور با سافت استارتر
سافت استارتر یک دستگاه الکترونیکی است که از تکنیک کاهش ولتاژ برای راه اندازی ایمن موتور استفاده می کند. سافت استارترها با تنظیم زاویه آتش تریستور ولتاژ موتور را کنترل می کند. شکل زیر نمونه ای از مدار راه اندازی موتور سه فاز با سافت استارتر را نشان می دهد.
سافت استارتر در زمان شروع به کار موتور ولتاژ را کاهش داده و با شتاب گرفتن موتور به سمت سرعت کامل، ولتاژ را افزایش می دهد. با استفاده از سافت استارتر ولتاژ موتور از صفر تا ولتاژ کامل خط قابل تنظیم است. راه اندازی موتور با سافت استارتر علاوه بر کاهش جریان راه اندازی، تکانه های مکانیکی راه اندازی را نیز کنترل می کند.
نمونه های مختلفی از راه انداز نرم به بازار عرضه شده است. به عنوان مثال سافت استارتر زیمنس در خانواده های مختلفی تولید می شود. برخی از راه اندازهای نرم علاوه بر استارت نرم، امکان توقف نرم موتور را نیز فراهم می کنند. سافت استارتر 3RW40 زیمنس این قابلیت را دارد.
کنترل کامل عملکرد موتور با درایو فرکانس متغیر (VFD)
روش های قبلی چالش جریان هجومی موتور را تا حدودی برطرف می کنند. اما با استفاده از درایو علاوه بر راه اندازی ایمن موتور، امکان کنترل دقیق عملکرد آن را نیز خواهید داشت. درایو با نام اینورتر نیز در بازار شناخته می شود. این تجهیزات از تکنیک کاهش فرکانس برای راه اندازی موتور سه فاز بهره می برند.
درایوها ولتاژ AC شبکه را به ولتاژ DC تبدیل می کنند. سپس یک سیگنال متناوب با فرکانس متغیر تولید می شود. شکل زیر بلوک دیاگرام عمومی یک درایو فرکانس متغیر را نشان می دهد:
درایو تنها دستگاهی است که علاوه بر راه اندازی و توقف نرم موتور، قابلیت کنترل سرعت موتور القایی را نیز دارد. با توجه به نیازهای متفاوت کاربردهای مختلف و رنج گسترده توان موتورها، انواع مختلفی از درایو در بازار موجود است. درایو زیمنس از جمله برندهای محبوب در بازار ایران است و در خانواده های زیر عرضه می شود:
انواع درایو و سایر تجهیزات زیمنس با ضمانت اصالت و آکبند بودن کالا در زیمنس کالا عرضه می شوند. علاوه بر این همه محصولات با یکسال گارانتی عرضه می شوند.
جمع بندی
راه اندازی موتور الکتریکی یک چالش جدی در صنایع مختلف است. دلیل این امر جریان هجومی بزرگی است که موتور در لحظه راه اندازی از شبکه می کشد. این جریان بزرگ می تواند سبب کاهش ولتاژ منبع و آسیب به سایر تجهیزات الکتریکی متصل به شبکه شود.
از اینرو کنترل جریان راه اندازی موتور الکتریکی الزامی است. به منظور پیشگیری از این چالش ها، از تکنیک های ویژه ای استفاده می شود. روش های راه اندازی موتور سه فاز را می توان براساس تکنیک مورد استفاده به سه گروه تقسیم کرد:
- راه اندازی مستقیم
- راه اندازی با تکنیک کاهش ولتاژ
- راه اندازی با فرکانس متغیر
پیشرفته ترین تجهیزات مورد استفاده برای راه اندازی موتور، درایوهای فرکانس متغیر هستند که علاوه بر راه اندازی و توقف نرم موتور، امکان کنترل سرعت و سایر پارامترهای موتور را نیز فراهم می کنند. درایوها از تکنیک کنترل فرکانس برای تنظیم عملکرد موتور استفاده می کنند.
