آشنایی با سافت استارتر، ساختار و عملکرد، کاربردها و مزایا

موتور القایی سه فاز کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد. مطالعات نشان می دهد تقریباً 70 درصد موتورهای مورد استفاده در صنایع مختلف از این نوع است. اما این دستگاه پرکاربرد چالش های مختلفی نیز به همراه دارد. سافت استارتر یکی از دستگاه های پرکاربرد صنعتی است که چالش های راه اندازی موتور را مرتفع می کند.

موتورها در لحظه شروع به کار جریان بزرگی از شبکه می کشند. این جریان که به جریان هجومی موسوم است حتی تا 10 برابر جریان نامی موتور نیز می رسد. از سوی دیگر تنش های مکانیکی ناشی از شروع به کار ناگهانی موتور به ویژه برای بخش های متحرک سیستم مضر است. پارگی تسمه ها و سایش چرخ دنده های از جمله نتایج راه اندازی مستقیم موتور الکتریکی است.

روش های مختلفی برای غلبه بر چالش های راه اندازی موتور الکتریکی پیشنهاد شده است. با استفاده از سافت استارتر جریان هجومی راه اندازی و تنش های مکانیکی کنترل می شوند. با بررسی این دستگاه پرکاربرد همراه من باشید.

راه اندازی موتور سه فاز

زمانی که موتور القایی به منبع AC سه فاز وصل می شود، یک میدان مغناطیسی در حال چرخش ایجاد می کند. ارتباط هادی های روتور با این میدان سبب ایجاد گشتاور می شود. این فرآیند جریان هجومی قابل توجهی از شبکه می کشد.

جریان هجومی راه اندازی موتور منجر به کاهش قابل توجه ولتاژ سیستم توزیع AC  می شود. سایر مصرف کننده های متصل به شبکه تحت تأثیر کاهش ولتاژ قرار می گیرند. احتمال سوختن سیم پیچ موتور بر اثر این جریان هجومی نیز وجود دارد. این جریان بزرگ در بدترین حالت می تواند منجر به خاموش شدن تجهیزات و توقف کامل خط شود.

برای غلبه بر این چالش روش های مختلفی پیشنهاد شده است. روش ‌های راه‌ اندازی موتور سه فاز جریان راه‌اندازی را کاهش می دهند. هر روش با کنترل یکی از پارامترهای عملیاتی موتور، چالش های راه اندازی را مرتفع می کند. به عنوان مثال سافت استارتر از تکنیک کاهش ولتاژ استفاده می کند.

روش های راه اندازی موتور سه فاز

تکنیک های راه اندازی موتور سه فاز را می توان به روش های مختلف دسته بندی کرد. هر تکنیک با کنترل یکی از مشخصه های عملکردی موتور، اقدام به کاهش جریان هجومی می کند. راه اندازی با تکنیک ولتاژ کاهش یافته و یا با فرکانس کاهش یافته از جمله این روش ها است. روش های راه اندازی موتور سه فاز عبارتند از:

• راه اندازی مستقیم موتور (O.L)(با استفاده از کنتاکتور و کلید حرارتی یا بیمتال)
• راه اندازی با مقاومت استاتور
• راه اندازی به روش ستاره – مثلث (Star-Delta) با استفاده از کنتاکتور
• راه اندازی با استفاد از اتو ترانسفورماتور
• راه اندازی موتور با سافت استارتر
• راه اندازی موتور با درایو فرکانس متغیر (VFD)

در توان های بالا برای راه اندازی موتور از SOFT STARTER یا درایو استفاده می شود. مهمترین تفاوت سافت استارتر و درایو در امکان کنترل عمکرد موتور و تکنیک راه اندازی است. درایو تنها دستگاهی است که قابلیت کنترل عملکرد موتور را دارد. این دستگاه از تکنیک کنترل فرکانس برای مدیریت چالش های راه اندازی استفاده می کند.

سافت استارتر چیست؟

سافت استارتر یک دستگاه الکترونیکی برای راه اندازی موتور الکتریکی است. راه انداز نرم از تکنیک کاهش ولتاژ برای کنترل جریان راه اندازی موتور استفاده می کند. این دستگاه در طول فرآیند راه اندازی، ولتاژ موتور را به صورت تدریجی تا مقدار نامی افزایش می دهد.

کنترل ولتاژ راه اندازی سبب می شود موتور به آرامی شتاب بگیرد و سرعت را به صورت خطی افزایش دهد. راه اندازی موتور با این روش علاوه بر پیشگیری از جریان هجومی بزرگ، از تکانه های مکانیکی ناشی از شروع به کار ناگهانی موتور نیز جلوگیری می کند.

گشتاور موتور القایی با مجذور جریان نسبت مستقیم دارد. از سوی دیگر جریان عبوری از موتور طبق قانون اهم به ولتاژ تغذیه وابسته است. بنابراین با کنترل ولتاژ تغذیه، گشتاور راه اندازی موتور کنترل می شود. اگر راه اندازی موتور بدون حضور سافت استارتر و با اعمال ولتاژ کامل انجام شود، گشتاور راه اندازی به مقدار ماکزیمم می رسد که خطرات مکانیکی را برای موتور به همراه دارد.

سافت استارتر علاوه بر کاهش جریان راه اندازی، گشتاور راه‌اندازی را نیز کاهش داده و آن را به تدریج افزایش می‌دهد. همانند راه اندازی موتور، توقف ناگهانی موتور نیز منجر به ایجاد تکانه های مکانیکی ناخواسته خواهد شد. برخی از سافت استارترها در فرآیند توقف موتور نیز ایفای نقش می کنند. در هنگام توقف موتور، ولتاژ تغذیه به تدریج کاهش می یابد تا سرعت موتور به آرامی کم شود.

ساختار داخلی سافت استارتر

فرآیند تنظیم ولتاژ در سافت استارتر توسط تریستور (SCR) انجام می شود. قطعات دیگری مانند OLR (رله اضافه بار) نیز برای محافظت از موتور در برابر اضافه جریان در نظر گرفته می شوند. برای راه اندازی موتور القایی سه فاز، در امتداد هر فاز موتور دو تریستور به صورت موازی معکوس به هم متصل می‌شوند.

کنترل عملکرد تریستورها توسط یک مدار منطقی انجام می شود. مدار کنترل عموما از یک میکروکنترلر استفاده می کند. تغذیه مدار کنترل با استفاده از یک مدار یکسو کننده از شبکه تامین می شود. در ساختار اغلب نمونه های راه انداز نرم از جمله سافت استارتر زیمنس یک کنتاکتور بای پس تعبیه می شود.

وظیفه این کنتاکتور اتصال ولتاژ کامل به موتور، پس از رسیدن به سرعت نامی است. شکل زیر نمونه ای از مدار داخلی سافت استارتر را نشان می دهد.

مکانیزم عمل سافت استارتر

تنظیم ولتاژ خروجی به وسیله تریستورها انجام می شود. تریستور، یکسو کننده ولتاژ قابل کنترلی است که با اعمال سیگنال فعالسازی به پایه گیت (پالس فعالسازی)، هدایت جریان را تنها در یک جهت (نیم سیکل) شروع می کند.

با رسیدن پالس فعالسازی به تریستور، عبور جریان آغاز شده و تا انتهای چرخه (نیم سیکل) ادامه پیدا می کند. ولتاژ AC  بین مقادیر حداکثر و حداقل نوسان می کند و یک سیکل کامل آن معادل 360 درجه است. زوایه ای که در آن پالس فعالسازی به تریستور می رسد را زاویه آتش می نامند.

زاویه آتش می تواند بین 0 تا 180 درجه (نیم سیکل) متفاوت باشد. کاهش زاویه آتش، دوره هدایت تریستور و در نتیجه ولتاژ خروجی را افزایش می دهد. برای هر فاز دو تریستور به صورت معکوس موازی استفاده شده است. هریک از تریستورها وظیفه عبور ولتاژ در نیم سیکل را بر عهده دارند. شکل زیر نمودار عبور ولتاژ از تریستور را نشان می دهد.

خروجی سافت استارتر

تریستورهای مورد استفاده در ساختار سافت استارتر به صورت موازی و معکوس در مدار قرار می گیرند. بسته به نوع سافت استارتر، یک، دو یا سه جفت تریستور در مدار قرار می گیرد. دوره هدایت تریستور به زاویه آتش کنترل شده توسط مدار منطقی بستگی دارد.

در زمان راه اندازی موتور، کنترل کننده پالس های کنترلی را برای تریستورها تولید می کند. اولین زاویه پالس فعالساز تقریباً نزدیک به 180 درجه (دوره هدایت بسیار کم) است تا حداقل ولتاژ را عبور دهد. به تدریج و هر بار عبور از صفر، زاویه پالس های فعالساز شروع به کاهش و دوره هدایت تریستور افزایش پیدا می کند. شکل زیر را ببینید:

با رسیدن زاویه آتش تریستورها به صفر، ولتاژ و سرعت موتور به مقدار نامی می رسد. در این لحظه تریستورها با استفاده از یک کنتاکتور بای پس از مدار خارج می شوند. خارج شدن تریستورها از مدار، کارایی سافت استارتر را افزایش می دهد.

نمونه هایی از راه انداز نرم که امکان توقف نرم موتور را نیز دارند، عکس فرآیند بالا نیز رخ می دهد. در حین فرآیند توقف موتور، تریستورها مجددا وارد مدار شده و برای کاهش ولتاژ تغذیه شروع به کار می کنند. در فرآیند توقف زاویه آتش ترستورها از صفر شروع شده و به سمت 180 درجه افزایش می یابد.

کنتاکتور بای پس

کنتاکتور بای پس به صورت داخلی یا خارجی مورد استفاده قرار می گیرد. نمونه های داخلی کنتاکتور بای پس داخلی توسط تولید کننده در ساختار سافت استارتر تعبیه می شود. اما برخی از نمونه های راه انداز نرم کنتاکتور داخلی ندارند. برای استفاده از این راه اندازها یک کنتاکتور به صورت خارجی با راه انداز موازی می شود.

خارج شدن تریستورها از مدار با استفاده از کنتاکتور ضروری است. وجود این کنتاکتور تلفات توان در تریستورها را کاهش می دهد. علاوه بر این طول عمر مدار و به صورت کلی سافت استارتر را افزایش می دهد.

انواع سافت استارتر

تجهیزات صنعتی در انواع بسیار گوناگونی تولید می شوند. از جمله دلایل این تنوع، تفاوت نیاز پروژه های مختلف است. به منظور تسهیل فرآیند انتخاب و درک بهتر مصرف کننده تجهیزات را در گروه های مختلف دسته بندی می کنند.

راه انداز نرم نیز در انواع مختلف تولید می شود. انواع سافت استارتر را می توان براساس پارامترهای عملیاتی مهم دسته بندی کرد. رایج ترین روش، دسته بندی راه انداز نرم براساس نوع کاربری و تعداد فاز تحت کنترل است.

سنگین کار یا نرمال کار

در این روش نوع بار موتور در زمان راه اندازی، مبنای دسته بندی است. راه اندازهای نرم به دو گروه سنگین کار و استاندارد (نرمال کار) تقسیم می شوند. استفاده از نمونه های سنگین کار در کاربرد استاندارد بلا مانع است اما توجیه اقتصادی ندارد. از نمونه های استاندارد نیز می توان در کاربرد سنگین استفاده کرد اما باید نکته مهمی را مورد توجه قرار داد.

در شرایط نرمال، توان سافت استارتر متناسب با توان موتور انتخاب می شود. اما در صورتی که قصد استفاده از سافت استارتر استاندارد برای عملیات سنگین دارید، رنج توان راه انداز باید یک پله بالاتر از موتور در نظر گرفته شود.

دسته بندی سافت استارتر براساس تعداد فاز تحت کنترل

تعداد فاز تحت کنترل در نمونه های مختلف راه انداز نرم متفاوت است. برخی از برندها نمونه های تکفاز کنترل (برای موتور سه فاز) نیز دارند. اما اغلب راه اندازهای نرم سه فاز به صورت دوفاز کنترل یا سه فاز کنترل عرضه می شوند. با توجه به تکنولوژی به کار رفته در راه اندازها، نمونه های دوفاز کنترل را آنالوگ و نمونه های سه فاز کنترل را دیجیتال نیز می نامند.

سافت استارتر آنالوگ دستگاه ساده ای است که در آن پارامترهای عملیاتی به کمک پتاسیومتر تنظیم می شود. از جمله رایج ترین نمونه های راه انداز آنالوگ در بازار ایران می توان سافت استارتر 3RW30 زیمنس را نام برد که تنها قابلیت راه اندازی نرم دارد. چنانچه به توقف نرم موتور نیز نیاز دارید، سافت استارتر 3RW40 انتخاب را انتخاب کنید.

سافت استارتر دیجیتال دستگاه پیشرفته تری است و قابلیت های بیشتری دارد. راه انداز نرم دیجیتال امکان انجام تنظیمات دقیق تر را فراهم می کند. علاوه بر این اتصال سافت استارتر به پی ال سی در نمونه های دیجیتال با پروتکل های استاندارد امکانپذیر است. سافت استارتر 3RW44 زیمنس از نمونه های دیجیتال موجود در بازار ایران است.

در مقاله ” مقایسه سافت استارت دیجیتال و آنالوگ ” جزئیات بیشتری در این زمینه بیان کرده ایم.

مزایای استفاده از راه انداز نرم

غلبه بر چالش راه اندازی موتور الکتریکی با راهکارهای مختلفی امکانپذیر است. به عنوان مثال استفاده از درایو یکی از این روش هاست که امکان کنترل عملکرد موتور را نیز فراهم می کند. اما در کاربردهایی که موتور بعد از راه اندازی با سرعت ثابت به کار ادامه می دهد، راه انداز نرم انتخاب بهتری است.

راه انداز نرم قابلیت کنترل عملکرد موتور را ندارد، اما مزایای مهمی دارد که در ادامه به بررسی آن ها خواهیم پرداخت.

راه ‌اندازی مطلوب و نرم

با استفاده از راه انداز نرم، ولتاژ و در نتیجه سرعت موتور به صورت تدریجی و آرام تا رسیدن به مقدار نامی افزایش می یابد. افزایش تدریجی سرعت موتور، از وارد آمدن هرگونه تکانه یا فشار مکانیکی به موتور و سایر بخش های سیستم پیشگیری می کند. اگر موتور بدون استفاده از این تجهیزات و به روش مستقیم راه اندازی شود، تکان های نسبتا شدیدی به آن وارد خواهد شد.

کاهش شتاب و کنترل سرعت توقف

کاهش شتاب و کنترل سرعت موتور از دیگر مزایای سافت استارتر است. راه انداز نرم با کنترل زمان هدایت و قطع تریستورها، شتاب راه‌اندازی موتور را کنترل می کند. در نمونه هایی که قابلیت توقف نرم نیز دارند، سرعت موتور به آرامی کاهش می یابد یعنی شتاب توقف موتور نیز تحت کنترل قرار می گیرد. به عنوان مثال سافت استارتر 3RW40 زیمنس این قابلیت را دارد.

جلوگیری از نوسان ولتاژ مدار

در صورتی که موتور مستقیما به منبع تغذیه متصل شود، جریان هجومی بزرگی از شبکه می کشد. این موضوع سبب افت ولتاژ شبکه می شود. راه انداز نرم با کنترل جریان راه اندازی موتور، از نوسان ولتاژ شبکه جلوگیری می کند. پیشگیری از نوسان ولتاژ، افزایش عمر تجهیزات متصل به شبکه را به دنبال دارد.

امکان راه ‌اندازی متعدد در زمان کوتاه

برخی از برنامه ها به راه اندازی و توقف‌ مکرر موتور در فواصل زمانی کوتاه نیاز دارند. در صورت راه اندازی مکرر موتور به صورت مستقیم، جریان بالای راه اندازی سبب افزایش چشمگیر دمای موتور می شود. گرما یا به عبارت بهتر افزایش دما، عمر مفید موتور را کاهش داده و حتی می تواند سبب سوختن آن شود.

با استفاده از سافت استارتر جریان راه اندازی موتور کاهش می یابد. کاهش جریان راه اندازی امکان راه اندازی متعدد موتور در زمان کوتاه را فراهم می کند.

کاهش دما و افزایش طول عمر موتور

راه‌اندازی مستقیم موتور، سبب عبور جریانی بزرگ از سیم پیچ می شود که دمای موتور را بالا می برد. بروز مشکلاتی مانند کاهش عمر مفید موتور از جمله نتایج افزایش دمای موتور است. از سوی دیگر اغلب خرابی هایی که عمر مفید موتور را کاهش می دهند، مرتبط با راه اندازی موتور هستند.

اگر فرآیند راه‌اندازی و توقف نرم موتور الکتریکی را مدیریت کنیم، ضمن کاهش دمای موتور طول عمر آن به میزان چشمگیری افزایش خواهد یافت. با بهره بردن از سافت استارتر شاهد افزایش طول عمر موتور، بخش های الکتریکی و بخش های مکانیکی سیستم خواهیم بود.

کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری

خرابی بلبرینگ و چرخ دنده، پارگی تسمه ها و … از جمله مصائب شروع به کار ناگهانی موتور است. استفاده از راه انداز نرم برای شروع به کار موتور، عملکرد خطی و روان موتور را به همراه دارد. در نتیجه نیاز موتورها و سایر بخش های سیستم به تعمیر و نگهداری کاهش پیدا می کند.

کاهش هزینه ها و افزایش راندمان

راه انداز نرم با کاهش جریان راه ‌اندازی، مقدار انرژی مصرف شده توسط موتور را کاهش می دهد. از سوی دیگر با کم شدن مقدار جریان عبوری از مدار توسط سافت استارتر، جریان عبوری از بریکرها و سایر تجهیزات مدار کاهش پیدا می کند. کاهش جریان عبوری از تجهیزات به معنای کاهش قیمت آن ها است.

کاهش مصرف انرژی و کاهش نیاز سیستم به تعمیر و نگهداری، نقش موثری در کاهش هزینه کلی سیستم دارد. افزایش طول عمر موتور و کاهش تعمیر و نگهداری نیز هزینه های سیستم را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند. کاهش هزینه های تولید از جمله پارامترهای مهم افزایش راندمان است!

معایب سافت استارتر

راه انداز نرم در کنار مزایای زیاد، معایبی هم دارد. توجه به این موارد قبل از استفاده ضروری است:

عدم امکان تنظیم سرعت

Soft Starter با کنترل سطح ولتاژ تغذیه سرعت موتور در زمان راه اندازی را کنترل می کند. یعنی راه انداز نرم  تنها قادر است ولتاژ خط را از 0 ولت تا ولتاژ خط با فرکانس ثابت تغییر دهد. از آنجایی که فرکانس ثابت است، سرعت موتور ثابت است و فقط توسط بار متصل به آن تنظیم می شود. دقت کنید سافت استارتر فقط در لحظه راه اندازی می تواند سرعت موتور را کنترل کند.

تلفات گرمایی

وظیفه تنظیم سطح ولتاژ خروجی راه انداز نرم بر عهده تریستورها گذاشته شده است. این قطعات نیمه هادی مقداری انرژی را به صورت گرما تلف می کنند. برای خنک کردن تریستورها از هیت سینک استفاده می شود. در بسیاری از نمونه های موجود در بازار مانند سافت استارتر 3RW30 زیمنس یک کنتاکتور بای پس تعبیه شده است.

وظیفه این کنتاکتور بای پس کردن تریستورها پس از رسیدن موتور به ولتاژ نامی و کاهش تلفات حرارتی است. در صورتی که راه انداز مورد استفاده به کنتاکتور داخلی مجهز نباشد، یک کنتاکتور به صورت خارجی با مدار موازی می شود.

کاهش گشتاور راه اندازی

راه اندازی موتور به روش ولتاژ کاهش یافته، جریان ورودی را کاهش می دهد. گشتاور راه اندازی موتور القایی با جریان راه اندازی رابطه مستقیم دارد. در نتیجه کاهش جریان راه اندازی، گشتاور راه اندازی کاهش پیدا می کند. به همین دلیل استارترهای نرم در جاهایی که گشتاور راه اندازی کم یا متوسط مورد نیاز است استفاده می شوند.

کاربردهای سافت استارتر

راه انداز نرم در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به ویژگی ها و مکانیزم عملکرد، این تجهیزات برای راه اندازی موتورهایی که با سرعت ثابت کار می کنند مناسب است. از جمله مهمترین کاربردهای این تجهیزات می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سافت استارتر راه انداز فن
• راه اندازی نرم نوار نقاله
• انتقال بار با تسمه و قرقره
• کنترل پمپ آب یا مایع

بدیهی است بسته به نوع کاربرد و الزامات عملیاتی، نمونه های خاصی از راه انداز نرم قابل استفاده خواهند بود.

راهنمای انتخاب سافت استارتر

مزایای سافت استارتر سبب استفاده گسترده از این دستگاه در صنایع مختلف شده است. اما بهره مندی از مزایای گسترده راه انداز نرم در گرو استفاده از گزینه مناسب است. انتخاب نادرست علاوه بر اینکه چالش های راه اندازی موتور را برطرف نمی کند، چالش های جدیدی نیز برای سیستم به ارمغان می آورد.

با در نظر گرفتن برخی پارامترهای عملیاتی، خیال شما از انتخاب گزینه درست راحت می شود:

• نوع و اندازه موتور
• توان یا جریان نامی موتور
• بررسی سازگاری با سیستم موجود
• قابلیت های ارتباطی جهت اتصال سافت استارتر به پی ال سی
• قابلیت های حفاظتی
• برند و ملاحظات قیمتی

جزئیات بیشتر را در مقاله راهنمای انتخاب سافت استارتر ببینید.

جمع بندی

موتورهای القایی کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارند. تقریبا 70 درصد موتورهای مورد استفاده در صنایع مختلف از نوع سه فاز هستند. مدیریت فرآیند راه اندازی نقش مهمی در افزایش طول عمر و عملکرد پایدار موتور دارد. راه اندازی مستقیم موتور سبب تحمیل جریان های هجومی بزرگ به شبکه می شود.

جریان هجومی نه تنها سبب داغ شدن و آسیب به موتور می شود، بلکه با تغییر ولتاژ شبکه به سایر تجهیزات نیز آسیب می رساند. به منظور راه اندازی ایمن موتورهای سه فاز از تجهیزات راه انداز استفاده می شود. سافت استارتر یکی از این تجهیزات است که امکان راه اندازی ایمن موتورها را فراهم می کند.

همین الان انواع سافت استارتر زیمنس را با ضمانت اصالت کالا و خدمات پس از فروش از زیمنس کالا بخرید. اگر هنوز سوالی برای شما باقیست با ما تماس بگیرید. کارشناسان خبره زیمنس کالا پاسخگوی شما هستند.