سافت استارتر (Soft Starter) یا راه انداز نرم موتور دستگاهی است که از آن برای کنترل جریان راه اندازی الکتروموتور استفاده می کنند و به عبارتی دیگر با استفاده از این دستگاه می توان موتور را به صورت نرم راه اندازی کرد. همان طور که می دانید، موتورهای الکتریکی 3 فاز AC، امروزه در صنایع کاربرد های بسیار وسیعی دارند و یکی از مهم ترین دغدغه ها برای استفاده از این موتور ها در صنایع، نحوه راه اندازی آن ها می باشد. این موضوع هم به جهت عدم آسیب رسانی به شبکه برق متصل به موتور ها و همچنین عدم ایجاد اشکال فنی برای موتور حائز اهمیت می باشد. جریان راه اندازی موتورهای الکتریکی در حدود 5 الی 8 برابر جریان نامی موتور می باشد. زمان راه اندازی می تواند از زیر 1 ثانیه تا نیم دقیقه و یا بیشتر طول بکشد. این جریان چند برابری در همین مدت کوتاه باعث ایجاد افت ولتاژ شدید (بسته به سایز موتور) بر روی شبکه برق متصل به موتور می شود و عملکرد تجهیزات حفاظتی و تجهیزات دیگر متصل به شبکه برق را با مشکل مواجه می کند.
هر کدام از روش های فوق، مزایا و معایب خود را دارند و بسته به نوع پروژه و سایز کیلووات موتور و شرایط شبکه برق متصل به آن و همچنین هزینه مالی که دارند، یکی از روش ها به تشخیص کارشناس پروژه انتخاب و اجرا می شود. راه اندازی مستقیم کم هزینه ترین روش و راه اندازی توسط اینورتر به دلیل تکنولوژی پیشرفته ای که دارد پر هزینه ترین می باشد. در اینجا از توضیح روش های دیگر صرف نظر کرده و به روش راه اندازی موتور با استفاده از سافت استارتر می پردازیم.
موتور های القایی هنگام راه اندازی 5 الی 8 برابر جریان نامی خود جریان از شبکه می کشند که دلیل جریان راه اندازی بالای موتور ها این است که طبق قانون القای فارادی برای القای ولتاژ باید تغییرات نسبی میدان وجود داشته باشد. مسلما این جریان راه اندازی در طراحی اتصالات برق صنعتی اعم از حفاظت، سیم کشی و غیره می بایست در نظر گرفته شود.
از آن جا که موتور های الکتریکی اغلب حین شتاب گرفتن و رسیدن به سرعت نامی مقدار زیادی جریان از شبکه برق می کشند، می توان از سافت استارتر برای محدود کردن جهش جریان معروف به “جریان هجومی” و کنترل گشتاور موتور های الکتریکی استفاده کرد که منجر به راه اندازی ایمن تر، نرم تر و تدریجی می شود. سافت استارتر ها از موتور الکتریکی شما در برابر آسیب احتمالی محافظت می کنند و در عین حال با کاهش گرمایش ناشی از استارت/استپ های مکرر، کاهش فشار مکانیکی موتور، کاهش تنش های الکترودینامیکی بر روی کابل های برق و شفت موتور، طول عمر موتور الکتریکی شما و کل سیستم را افزایش می دهد.
سافت استارتر برای راه اندازی موتور از روش کاهش ولتاژ استفاده می کند. کاهش ولتاژ راه اندازی، کاهش گشتاور راه اندازی را به دنبال خواهد داشت. لذا روش های کاهش ولتاژ در زمان راه اندازی، برای راه اندازی موتور هایی که زیر بار نیستند و یا بار سبک دارند مناسب است. روش های ستاره مثلث و راه اندازی با اتوترانسفورمر نیز از همین روش کاهش ولتاژ در زمان راه اندازی استفاده می کنند.
سافت استارتر نسبت به دو روش دیگر یک تجهیز جدیدتر و با تکنولوژی بروزتر می باشد و از مزایای استفاده از آن می توان به راه اندازی نرم، سرعت بالا و انرژی سیوینگ در بار های سبک نام برد. یکی از مهم ترین ویژگی های آن اتصال موتور به شبکه برق به واسطه یکسو کننده سیلیکونی موجود در سافت استارتر است. این موضوع این امکان را به ما می دهد که کنترل ولتاژ از 0 تا ولتاژ نامی را در سافت استارتر داشته باشیم که نهایتا منجر به یک راه اندازی نرم می شود. در این روش گشتاور و سرعت موتور همزمان با افزایش تدریجی ولتاژ به نرمی افزایش می یابد. این عمل در زمان استپ موتور به صورت معکوس انجام می شود و لذا استپ نرم موتور را به همراه خواهد داشت و از بروز ضربه های مکانیکی به موتور جلوگیری می کند. در واقع سافت استارتر یک رگولاتور ولتاژ الکترونیکی است و در خصوص فرکانس موتور هیچ تغییری اعمال نمی کند. برای تغییر فرکانس موتور باید از اینورتر و یا همان درایو فرکانس متغیر استفاده کرد.
سافت استارتر را می توان با سیم کشی مستقیم شاسی های استارت/استپ کنترل کرد یا می توان آن را از طریق پروتکل ModBus کنترل کرد. هرسه روش کنترلی مزایا و معایب خود را دارند. در روش اتصال مستقیم سیگنال های استارت/استپ نیازی به کامپیوتر یا دستگاه مانیتورینگ یا PLC ندارد در نتیجه روش ارزان تری خواهد بود.روش دوم استفاده از یک کامپیوتر و نرم افزار اختصاصی میباشد، سافت استارتر بصورت کامل کنترل میشود و روش سوم با استفاده از دستگاه مانیتورینگ و PLC به شما امکان داشتن فیدبک را می دهد، که قابلیت کنترل و مانیتورینگ قابل تنظیم را ارائه می دهد.
در مدار داخلی سافت استارتر سر راه هر فاز دو تریستور (SCR) که به صورت موازی معکوس (پشت به پشت یا ترایاک) وصل شده اند وجود دارد که در مجموع 6 عدد SCR به موتور وصل است. این تریستور ها با استفاده از یک مدار منطقی جداگانه شامل مدار کنترل کننده PID یا یک میکرو کنترلر میباشد کنترل می شوند. مدار منطقی با استفاده از یک مدار یکسو کننده از برق اصلی تغذیه می کند.
به غیر از سوئیچ های قدرت و مدار های منطقی، سایر اجزای حفاظتی مانند بریکر یا فیوز، کنتاکتور مغناطیسی برای ایزولاسیون و یک رله اضافه بار (OLR) برای جلوگیری از اضافه جریان استفاده می شود. هنگامی که ولتاژ راه اندازی به مقدار نامی برسد، کنتاکتور بای پس موتور های الکتریکی را بر می دارد و مستقیما به کار می اندازد.
قطعه اصلی مورد استفاده برای کنترل ولتاژ در یک سافت استارتر، تریستور است. تریستور یکسو کننده کنترل شده ای است که هنگامی که یک پالس گیت به نام پالس آتش به آن اعمال می شود، جریان را فقط در یک جهت و در یک زاویه دلخواه عبور می دهد.
زاویه پالس آتش تعیین می کند که چه مقدار از سیکل ولتاژ ورودی باید از آن عبور کند. از آن جا که AC نوسان بین پیک ماکزیمم و مینیمم یک سیکل کامل 360 درجه را تشکیل می دهد، می توانیم از زاویه پالس آتش برای روشن کردن تریستور برای مدت زمان مشخص و کنترل ولتاژ اعمال شده استفاده کنیم. پالس های آتش می توانند بین 0 تا 180 درجه متغیر باشند. کاهش زاویه آتش باعث افزایش دوره هدایت تریستور می شود بنابراین اجازه عبور ولتاژ بالا را می دهد.
دو تریستور به صورت پشت به پشت برای هر فاز به هم متصل می شوند، بنابراین می تواند جریان را در هر دو جهت عبور دهند. (هر نیم سیکل، یک زاویه آتش)
سه جفت تریستور، هر جفت برای فاز جداگانه برای کنترل ولتاژ برای استارت و استپ موتور استفاده می شود. دوره هدایت تریستور به زاویه آتش کنترل شده توسط مدار منطقی بستگی دارد. مدار منطقی شامل کنترل کننده PID یا یک میکروکنترلر ساده است که برای تولید پالس برنامه ریزی شده است. کنترلر با استفاده از اپتو ایزولاتور از منبع تغذیه ایزوله شده و برای تأمین تغذیه DC از یکسو کننده استفاده می شود. پالس های تولید شده توسط میکروکنترلر به مدار آتش تریستور وارد می شوند که قبل از روشن شدن تریستور آن را تقویت می کند.
هنگامی که موتور راه اندازی می شود، کنترل کننده برای هر SCR جداگانه پالس تولید می کند. پالس با استفاده از آشکارساز عبور از صفر تشخیص داده می شود. اولین زاویه پالس آتش تقریباً 180 درجه (دوره هدایت بسیار کم) است تا حداقل ولتاژ را امکان پذیر کند. به تدریج پس از هر عبور صفر، زاویه پالس های آتش شروع به کاهش می کند و دوره هدایت تریستور را افزایش می دهد. ولتاژ از طریق تریستور شروع به افزایش می کند. بنابراین سرعت موتور به تدریج افزایش می یابد.
هنگامی که موتور به سرعت کامل نامی خود (در زاویه آتش 0 درجه) برسد، تریستور ها با استفاده از یک کنتاکتور بای پس از کار در حالت عادی کاملاً بای پس می شوند. از آنجا که تریستور آتش کردن گیت را متوقف می کند، بازدهی سافت استارتر را افزایش می دهد. در حین توقف موتور، SCR کنترل را در دست می گیرد و به منظور تنظیم ولتاژ تغذیه شروع به آتش کردن منظم می کند.
کنتاکتور های بای پس می توانند داخلی یا خارجی باشند. کنتاکتور های بای پس داخلی در داخل سوئیچ های قدرت تعبیه شده اند. هر SCR دارای یک سوئیچ بای پس به صورت موازی است که جریان را در شرایط عادی تامین می کند. در چنین پیکربندی کنتاکتور ها فضای کمی را می گیرد و سافت استارتر ها در طراحی جمع و جور هستند. در حالی که کنتاکتور های بای پس خارجی به صورت موازی با سافت استارت به صورت خارجی متصل می شوند. چنین سافت استارتر هایی حجیم و جاگیر هستند. کنتاکتور های بای پس به معنای قطع یا وصل جریان منبع مدار نیست، بنابراین می تواند یک کنتاکتور با جریان نامی پایین باشد.
DOL مخفف کلمه Direct On Line است. راه اندازی به روش مستقیم ساده ترین راهی است که می توانید تصور کنید تا یک موتور را راه اندازی کنید. این روش معمولا شامل یک بریکر مدار، کنتاکتور و یک رله اضافه بار برای حفاظت است. هنگامی که موتور به سرعت کامل می رسد سافت استارتر و DOL یکسان عمل می کنند. تفاوت در چگونگی عملکرد آن ها در حین رسیدن آن ها به سرعت کامل است.
با مقایسه ولتاژ بین سافت استارتر و DOL، می بینیم که یک هجوم مستقیم ولتاژ در DOL وجود دارد که در Soft Starter زمان بیشتری می برد تا به ولتاژ کامل برسد.
جریان با استفاده از سافت استارتر بیشتر تنظیم می شود ولی با استفاده از DOL در لحظه راه اندازی موتور جهش های بیشتری در جریان خواهد بود.
با سافت استارتر، زمانی که موتور به سرعت می رسد کندتر و کنترل شده تر می شود. در حالی که در DOL تقریبا بلافاصله سرعت موتور را افزایش می دهد. این می تواند اثرات نامطلوبی داشته باشد که در ادامه در مورد آن ها صحبت خواهیم کرد.
گشتاور وارد شده به موتور با افزایش سرعت هنگام استفاده از DOL بیشتر است در مقابل افزایش گشتاور با استفاده از سافت استارتر تدریجی است.
سافت استارتر ممکن است به دلایل متعددی دچار مشکل یا خطا شود که با تشخیص به موقع و شناسایی علت آن می توانیم از بروز مشکلات احتمالی جلوگیری کنیم. در ادامه متداول ترین دلایل ایجاد خطا در سافت استارتر را مورد بررسی قرار می دهیم.
این مدار متداول ترین و همچنین ساده ترین روش برای اتصال سافت استارتر است. در این روش هر سه فاز با رله اضافه بار، کنتاکتور اصلی و سایر تجهیزاتی که مانند نمودار زیر استفاده می شوند به صورت سری متصل می شوند. این تجهیزات انتخاب شده در اتصال خطی باید بتواند جریان نامی موتور را تحمل کند. سافت استارتر به سادگی به صورت سری به موتور متصل می شود. سربندی خود موتور می تواند به صورت اتصال ستاره یا مثلث باشد. به طور مثال: موتور 100 آمپر به یک سافت استارتر 100 آمپر و کنتاکتور اصلی 100 آمپر نیاز دارد.
روش اتصال داخل مثلث امکان قرار دادن سافت استارت را داخل مدار مثلث را ممکن می سازد و امکان جایگزینی بسیار آسان راه اندازی مثلث ستاره موجود را می دهد. وقتی سافت استارتر درون مثلث باشد فقط 58 درصد (√3 1/) از جریان نامی موتور در معرض آن قرار می گیرد. به این دلیل می توان سافت استارتر کوچکتر از توان موتور انتخاب کرد و باعث صرفه جویی در هزینه ها می شود.
همه ی فانکشن ها در هر دو روش یکسان خواهد بود البته با اتصال مثلث داخلی، 6 کابل بین سافت استارت و موتور مورد نیاز است و اگر این فاصله زیاد باشد، اتصال خطی ممکن است روش مقرون به صرفه تری باشد. فاز های سافت استارت به صورت سری به سیم پیچ های موتور متصل می شوند. همه سافت استارتر ها را نمی توان با این روش متصل کرد سافت به روش اتصال خطی متصل می شوند. به طور مثال: یک موتور 100 آمپر به یک سافت استارتر 58 آمپر و یک کنتاکتور 58 آمپر در صورت قرار گرفتن در مدار مثلث نیاز دارد. سربندی موتوری که برای اتصال مثلث داخلی استفاده می شود باید به صورت مثلث متصل شود تا بتواند بصورت مداوم کار کند. سافت استارتری که فقط ولتاژ دو فاز را کنترل می کند، نمی تواند در مثلث داخلی موتور استفاده شود.
برندهای مختلف سافت استارتر موجود در بازار دارای قابلیت های متنوعی هستند و به طور کلی انواع کاربرد های زیر را پوشش می دهند :
همان طور که گفته شد از راه انداز نرم موتور برای استارت الکتروموتور به صورت نرم استفاده می گردد و نمی توانیم از سافت استارتر برای تغییر سرعت موتور استفاده کرد. از جمله مزایای این محصول می توان به موارد زیر اشاره نمود:
به طور معمول می توان یک سافت استارت را با توجه به توان موتور انتخاب کرد. در برخی موارد بسته به شرایط راه اندازی (راه اندازی سنگین، تعداد استارت های زیاد سافت در هر ساعت و غیره) سافت استارتر باید یک توان بالاتر از توان موتور انتخاب شود. ظرفیت استارت ها در سافت استارتر ها به ظرفیت تریستور ها و هیت سینک بسیار وابسته است.
با استفاده از راهنمای زیر، می توانید به سرعت یک سافت استارت مناسب برای کاربرد های رایج استفاده کنید :
• کاربرد هایی با راه اندازی نرمال: انتخاب سافت استارتر مطابق با توان نامی موتور می باشد. برای سیستم هایی با اضافه بار داخلی، کلاس حفاظتی 10 انتخاب شود.
• کاربرد هایی با راه اندازی سنگین: انتخاب سافت استارتر یک توان بالاتر از توان نامی موتور می باشد. برای سیستم هایی با اضافه بار داخلی، کلاس حفاظتی 30 انتخاب شود.
در صورتی که تعداد استارت های سافت در هر ساعت بیشتر از 10 بار باشد، سافت استارتر باید یک سایز بزرگتر انتخاب شود.