برق, مهندسی 470 بازدید

صنایع موجود از انواع مختلف موتورهای الکتریکی استفاده می‌کنند. موتور القایی یکی از پرکاربردترین ماشین‌های الکتریکی سه‌فاز AC است که تقریباً ۷۰ درصد از موتورهای مورد استفاده در صنایع را تشکیل می‌دهد. ساختمان محکم و راندمان بالای این ماشین‌ها، آن‌ها را به بهترین گزینه برای هر بخش صنعتی تبدیل کرده است. اما این موتورها به تجهیزات حفاظتی برای عملکرد ایمن نیاز دارند تا صنایع بتوانند با خیالی آسوده از آن‌ها استفاده کنند و از آسیب احتمالی‌شان جلوگیری کرده و طول عمر آن‌ها را افزایش دهند. ضروری‌ترین تجهیزات مورد استفاده برای موتورهای القایی سه‌فاز، استارتر یا راه‌انداز موتور است. در این آموزش با یکی از رایج‌ترین استارترها، به نام «سافت استارتر» (Soft Starter) یا راه‌انداز نرم آشنا می‌شویم.

استارتر یا راه‌انداز چیست؟

استارتر موتور وسیله‌ای الکتریکی است که برای راه‌اندازی و توقف ایمن موتور الکتریکی از آن استفاده می‌شود. این تجهیز، همچنین در برابر ولتاژ زیاد و ولتاژ کم از موتور محافظت می‌کند. از آنجا که موتور القایی به طور گسترده برای انواع مختلفی از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد، برای راه‌اندازی و متوقف کردن مطمئن آن، به استارتر موتور نیاز است. موتورهای القایی در شروع کار مقدار زیادی جریان می‌کشند. این به دلیل کم بودن امپدانس سیم‌پیچ‌های موتورِ در حال توقف است.

سافت استارتر برای عملکرد ایمن موتور القایی بسیار ضروری است. این به دلیل مقاومت کم روتور موتور در حال توقف است. 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 می‌کند، بنابراین مقاومت موتور نیز متفاوت است. مقاومت رابطه عکس با لغزش موتور دارد.

در حالت توقف (موقعیت استراحت)، لغزش موتور القایی برابر با حداکثر مقدار، یعنی ۱ است، بنابراین، مقاومت روتور حداقل خواهد بود. به دلیل همین امپدانس کم، اتصال موتور به منبع تغذیه موجب می‌شود موتور جریان زیادی در سیم‌پیچ استاتور بکشد که به «جریان هجومی» (Inrush Current) معروف است. جریان متناوب در استاتور، یک میدان مغناطیسی گردان (RMF) ایجاد می‌کند که موجب القای جریان در سیم‌پیچ‌های روتور می‌شود.

جریان روتور میدان مغناطیسی مربوط به خود را تولید می‌کند که مخالف علت به وجود آورنده‌اش است و در جهت RMF می‌چرخد. بنابراین، گشتاور بر روتور اعمال می‌شود و هرچه سرعت آن افزایش یابد، سرعت لغزش موتور کم می‌شود (یعنی سرعت RMF روتور به سرعت RMF استاتور نزدیک می‌شود). از آنجا که لغزش کاهش می‌یابد، امپدانس روتور افزایش پیدا کرده و موتور جریان عادی می‌کشد.

جریان ورودی راه‌اندازی ۵ تا ۸ برابر بزرگتر از میزان بار کامل موتور است. موتور القایی نمی‌تواند چنین جریانی را تحمل کند، زیرا در این صورت به سرعت باعث آسیب دیدن یا سوزاندن سیم‌پیچ‌ها و کاهش کارایی و طول عمر موتور می‌شود. چنین جریان‌های زیادی همچنین می‌تواند باعث افت زیاد ولتاژ خط شود که برای سایر وسایل متصل به همان خط خطرناک است.

برای جلوگیری از چنین جریان ورودی زیادی، از استارتر موتور استفاده می‌کنیم که جریان اولیه را برای مدت کوتاهی کاهش می‌دهد. هنگامی که موتور به سرعت خاصی برسد، تغذیه توسط منبع اصلی از سر گرفته می‌شود. استارتر همچنین در برابر ولتاژ کم و اضافه‌ جریان از موتور محافظت می‌کند.

این استارترها معمولاً برای موتورهای دارای توان زیاد استفاده می‌شوند. موتورهای کوچک زیر یک اسب بخار، به دلیل مقاومت زیاد به استارتر احتیاج ندارند. با این حال، این موتورها به حفاظت اضافه جریان نیاز دارند که در «استارتر آنلاین مستقیم» (Direct Online Starter) یا به اختصار، DOL، موجود است.

استارتر از تکنیک‌های مختلفی برای راه‌اندازی موتور استفاده می‌کند:

  • روش راه‌اندازی ولتاژ کامل یا دو سر خط: در این روش، موتور به ولتاژ کامل منبع تغذیه متصل می‌شود. این روش برای موتورهای کوچک به کار می‌رود.
  • راه‌اندازی با ولتاژ کاهش یافته: در این روش، ولتاژ منبع در طول راه‌اندازی موتور کاهش می‌یابد تا جریان هجومی کم شود.
  • راه‌اندازی چندسرعته:‌ موتور به گونه‌ای طراحی شده است که دارای سرعت‌های از پیش تعیین شده متعدد باشد. این هدف از طریق پیکربندی قطب (سیم‌پیچ) حاصل می‌شود. افزایش تدریجی سرعت باعث کاهش جریان ورودی می‌شود.

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 سه‌فاز، 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 کنترل‌کننده PID یا میکروکنترلر باشد. مدار منطقی با استفاده از مدار یکسوکننده، همانطور که در شکل نشان داده شده است، از شبکه برق تغذیه می‌شود.

مدار سافت استارتر

به غیر از سوئیچ‌های قدرت و مدار منطقی، از دیگر تجهیزات حفاظتی مانند قطع‌کننده مدار یا فیوز، کنتاکتور مغناطیسی برای جداسازی و یک رله اضافه بار برای جلوگیری از اضافه جریان استفاده می‌شود. در هنگام دستیابی به سرعت نامی کامل، از یک سوییچ بای‌پس برای از سرگیری اعمال ولتاژ کامل در موتور استفاده 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.

اصول کار سافت استارتر

زاویه پالس آتش تعیین می‌کند چه مقدار چرخه ولتاژ ورودی باید عبور کند. از آنجا که جریان AC بین حداکثر و حداقل قله تشکیل چرخه ۳۶۰ درجه کامل است، می‌توانیم از زاویه پالس آتش استفاده کنیم تا تریستور را برای مدت مشخص روشن و ولتاژ تأمین شده را کنترل کنیم.

پالس آتش بین ۰ تا ۱۸۰ درجه متغیر است. کاهش زاویه آتش پالس باعث افزایش دوره هدایت تریستور می‌شود، بنابراین ولتاژ بالایی از طریق آن اعمال خواهد شد.

اصول کار سافت استارتر

دو تریستور در ساختار پشت به پشت برای هر فاز به یکدیگر متصل هستند. بنابراین، می‌توانند جریان را در دو جهت کنترل کنند.

اصول کار سافت استارتر

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.

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: هر نوع پمپ متصل به موتور به دلیل ایجاد فشار ناگهانی در داخل لوله‌ها، نیاز به شروع و توقف آرام دارد. یک استارتر معمولی ممکن است در شروع کار فشار زیادی ایجاد کند و لوله را بشکند. یک راه‌انداز نرم افزایش تدریجی فشار را برای چنین پمپ‌های مایعی فراهم می‌کند. اما کنترل سرعت پمپ در حین کار طبیعی وجود ندارد. VFD انتخابی بهتر برای سرعت متغیر پمپ است.

فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی

اگر علاقه‌مند به یادگیری روش‌های مختلف کنترل موتورهای صنعتی هستید، دو دوره فیلم آموزشی کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱ و ۲ را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

در فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱، ابتدا مفاهیم عمومی کنترل موتورهای الکتریکی بیان شده است. همچنین، نمادها و دیاگرام‌های شماتیکی مربوط به نقشه مدارهای قدرت و فرمان مدارهای کنترل موتور ارائه شده است. در بخشی از آموزش مذکور، انواع رله‌های اضافه بار، زمان‌دار و کنتاکتورها برای راه‌اندازی و نیز محافظت از موتورها به طور کامل و مفصل معرفی شده است. علاوه بر این، انواع سنسورها، سوئیچ‌ها، ترنسمیترها، دیتکتورها و مثال‌هایی از نحوه سیم‌کشی و نقشه‌خوانی مدار کنترل موتورها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. برای مشاهده این فیلم آموزشی به لینک زیر مراجعه کنید.

در آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲، ابتدا روش‌های سیم‌کشی و نصب مدارهای کنترل موتور ارائه شده است. همچنین، کاربرد قطعات الکترونیک قدرت، آی‌سی‌ها، PLCها و گیت‌های منطقی در مدارهای کنترل موتور بیان شده است. همچنین، موتورهای DC، موتورهای AC و موتورهای پله‌ای معرفی شده و روش‌های کنترل و حفاظت آن‌ها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سید سراج حمیدی (+)

«سید سراج حمیدی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. او مدتی در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر فعالیت کرده، و در حال حاضر، آموزش‌های ریاضیات، مهندسی برق و بورس مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *