انواع سافت استارتر ها (Soft Starter’s) و کاربرد آن

سافت استارتر ، سیستمی است که موجب کاهش مصرف انرژی موتورهای الکتریکی می گردد.

یک موتور الکتریکی درواقع ماشینی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی برای وسایل و ابزارات آلات مختلفی در تمام صنایع کوچک و بزرگ فراهم می­ کند. این ماشین از اجزای مکانیکی مختلفی؛ نظیر، بلبورینگ، شفت و.. تشکیل شده است. برای راه اندازی موتور و چرخش شفت، بدلیل وجود نیروی اصطکاک ایستایی در بین قسمت­ های مختلف موتور، انرژی الکتریکی فراوانی در ابتدا از شبکه توزیع برق دریافت می­­ شود و همین امر موجب بروز اختلالات ناخوشایندی؛ همچون، نوسانات شدید برق، خاموش و روشن شدن پیاپی وسایل و تجهیزات داخل شبکه و… خواهد شد. یکی از روش­های کاهش این اختلالات استفاده از سیستم سافت استارتر می ­باشد.

سافت استارتر (Soft Starter) در واقع یک دستگاه برای کاهش برق مصرفی موتورهای الکتریکی در زمان روشن شدن است. کاهش نیروی اولیه برای استارت ماشین موجب کاهش شوک­ های الکتریکی و مکانیکی در سیستم می­ شود.

همان گونه که از نامش پیدا است، آغازگر ویا همان استارتر (Starter) علاوه بر آن که نحوه روشن شدن موتور را کنترل می­کند، می­ تواند سرعت و جهت چرخش شفت را نیز تعیین کرده و همچنین در شرایط بحرانی از موتور در مقابل آسیب­ های ناگهانی محافظت کند.

امروزه صنایع مختلف، به گونه ­ای به موتورهای الکتریکی وابسته شده ­­اند که اغلب، آن­ ها نیروی محرکه وسایل و ابزار آلات  گوناگونشان را تامین می ­کنند، خواه یک فن کوچک باشد یا یک وسیله­ ی معدن کاری. در واقع موتورهای الکتریکی بین ۶۰% الی ۷۰% انرژی مصرفی کل دنیا را به خود اختصاص داده ­اند که با توجه به افزایش روز افزون مصرف انرژی الکتریکی و هزینه­ های آن می ­بایست این میزان تا حد امکان کاهش یابد. برای این منظور می­ توان از سافت استارترها بهره جست.

سافت استارترها (Soft Starter’s) از ترکیب یک کنترلر و یک مدار محافظت کننده از بار اضافی تشکیل شده ­اند.

۱- کنترل کننده­ ها (Controller’s)

هدایت (قطع و وصل) جریان الکتریکی به پایانه ­های موتور را بر عهده دارند.

۲- محافظت کننده اضافه بار (Overload Protector)

از عبور بیش از اندازه جریان از موتور و در نهایت سوختن آن بواسطه ­ی حرارت بالا جلوگیری می­ کند.

سافت استارتر (Soft Starter) یا به عبارت دیگر کاهنده ولتاژ شروع، سیستمی است که بین موتور و منبع تغذیه قرار گرفته و جریان ورودی به موتور را تنظیم می ­­کند. سافت استارترها اغلب موجب افزایش سرعت موتورها از کم به زیاد می­ شوند که این موضوع سبب کاهش جریان آغاز به کار اولیه موتور نسبت به روش­ های قدیمی می ­گردد.

به دلیل کاهش ولتاژ، گشتاور نیز کم شده و در  نتیجه استارت موتور به نرمی ویا راحتی صورت می­ پذیرد. سافت استارتر ها (Soft Starter’s) در تمام انواع موتورهای DC و AC استفاده می ­شوند. آن­ها بیشتر با موتورهای AC القایی قفس سنجابی به دلیل سادگی و قابلیت اطمینان بالایشان شناخته شده­اند.

چرا سافت استاتر (Soft Starter’s) مورد نیاز است؟

۱- بدلیل جلوگیری از اضافه بار در سیستم توزیع برق

۲- بمنظور جلوگیری از ساییدگی و پارگی ­های زود هنگام وسایل و اجزای مکانیکی سیستم

در حالت استاندارد یک موتور معمولی که از طراحی NEMA B پیروی می­ کند، می­ تواند در هنگام شروع به کار ۶ الی ۸ برابر جریان نامی خود را بصورت لحظه­ ای تحمل کند. اگر شبکه توزیع برق تا ظرفیت حداکثری خود بارگزاری شده باشد، جریان اولیه راه اندازی موتورهای بزرگ می­ تواند موجب بروز نوسانات پیاپی در شبکه توزیع برق و همچنین خاموش و روشن شدن­ پیاپی وسایل و تجهیزاتی که به آن شبکه متصل هستند گردد که این موضوع موجب بروز خرابی­ ها و اشکالات ناخوشایندی در تمام شبکه می­ شود. همچنین می ­تواند باعث برهم خوردن مدارات کنترل و حفاظتی سیستم و قطع کن ­ها گردد. برای پیشگیری از این موضوع،  بسیاری از سرویس­ های ارائه دهنده خدمات برق شهری، محدودیت­های مختلفی را برای مصرف کنندگان در ساعات گوناگون شبانه روز قرار می­ دهند تا بتوانند تعادل در سیستم توزیع را کنترل کنند.

انواع سافت استارتر ها (Type of Soft Starter’s)

۱- مقاومت اولیه

۲- ترانسفورمر خودکار

۳- تقسیم بندی سیم پیچ

۴- وای دلتا

۵- حالت جامد

۱- مقاومت اولیه (Primary Resistor)

از این روش در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی استفاده می­شد. روش مذکور یکی از اولین و ساده ترین روش­هایی است که برای انجام استارت نرم موتورهای الکتریکی مورد بهره برداری قرار گرفت. همان گونه که در شکل ۱ نمایش داده شده، یک مقاومت در سر راه هریک از فازهای جریان قرار گرفته است. مقاومت­ ها با کنترل جریان عبوری از خود در برابر جریان کشی اولیه از افت ولتاژ شبکه جلوگیری می ­کنند. در این روش تقریباً ۷۰% ولتاژ خط در هنگام راه اندازی به پایانه­ های موتور ارسال می ­شود. یک تایمر نیز کنتاکتورها را بعد از رسیدن سرعت موتور به نقطه از پیش تایین شده (Pre-detection Point) در مدار قرار می­ دهد. این عمل مقاومت­ ها را از مدار جدا کرده و در پی آن ۱۰۰% ولتاژ خط به پایانه­ های موتور اعمال شده و در نتیجه جریان به راحتی از موتور عبور خواهد کرد.

تصویر(۱)، نمایش مدار الکتریکی، مقاومت اولیه برای کاهش ولتاژ استارت موتور

     استارتر با تکنیک مقاومت اولیه به هموارکننده استارت هم معروف است. در این روش به منظور شروع هموارتر می­بایست مقاومت­ ها و کنتاکتوهای دیگری به سیستم افزوده شود.

۲- ترانسفورمر خودکار (Auto Transformer)

استفاده از ترانسفورمرهای خودکار یکی از موثر ترین روش ­ها در ساخت سافت استارت­ ها است. این روش نسبت به روش مقاومت اولیه بیشتر مورد استقبال قرار گرفته است. با به حداقل رسیدن جریان شروع به کار موتور، بیشترین گشتاور درهر آمپر برای موتور فراهم می­ شود. در این استارتر، ترانسفورمر سر وسط دار برای کنترل برق ورودی به پایانه­ های موتور جایگزین مقاومت­ های اولیه شده است. سرهای وسط بگونه­ ای تنظیم می­ شوند که معمولاً ۵۰% ، ۶۵% ویا ۸۰% از ولتاژ را بتوانند تامین نمایند. فعال ویا استفاده کردن از هریک از سرهای وسط در سیم پیچ اجازه می­ دهد تا مقادیر متفاوتی جریان از موتور عبور پیدا کند.

در شکل ۲ موتور ولتاژ خود را از دومین سر وسط ترانسفورمر دریافت می ­کند. این نوع سیستم استارت قادر است جریان بیشتری نسبت به دیگر سافت استارت­ر ها برای موتورهای غول پیکر در ولتاژهای پایین فراهم نماید. در این روش ترانسفورماتور موجب افزایش جریان ارسالی به پایانه­ های موتور نسب به جریان ورودی شبکه در هنگام راه اندازی آن خواهد شد.

تصویر (۲)، نمونه ­ای از مدار صافت استارتر با روش ترانسفورمر خودکار

۳- تقسیم بندی سیم پیچ (Part Winding)

روش قسمت بندی یا تقسیم بندی سیم پیچ نیازمند آن است که موتور از دو ویا چند بخش، سیم پیچ­های کاملا مشابه و موازی تشکیل شده باشد. در هنگام شروع، جریان برق تنها به یکی از این سیم پیچ ­ها اعمال می­ گردد. به منظور افزایش سرعت حرکت موتور جریان به دیگر سیم بندی­ ها اعمال شده تا موتور به سرعت بهینه خود دست یابد. در این روش زمانی که جریان به تمام سیم بندی ­ها اعمال شد، جریان و گشتاور آغاز موتور کاهش پیدا می­ کند.

اکثر موتورهایی که با دو ولتاژ کار می­ کنند (۲۳۰VAC و ۴۶۰VAC) با این روش سیم بندی سازگارند.

۴- وای دلتا (Wye Delta)

روش وای دلتا نیازمند آن است که تمام سرسیم ­های موتور قابل دسترس باشد. این دسته از موتورها دارای شش پایانه بوده تا بتوان اتصال وای (Wye) و دلتا (Delta) را در آن­ها ایجاد نمود. در تصویر ۳ نحوه اتصال سیم­ ها در زمان شروع به کار موتور نشان داده شده است. به دلیل مشابه بودن شکل اتصال سیم ­ها به حرف “Y” ، به نام وای (Wye) نام گذاری شده است.

این اتصال علاوه بر کاهش جریان خط، ۳۳% گشتاور در هنگام شروع کار موتور با ۵۸% ولتاژ آغاز بکار موتور نسبت به حالت اولیه فراهم می ­کند. بعد از مدت زمان مشخص شده استارتر بصورت الکتریکی اتصال سیم بندی­ های موتور را از شکل وای به شکل دلتا تغییر می­ دهد. این پیکربندی نیز شبیه به حرف یونانی دلتا (∆) است. درنهایت اتصال سیم بندی­ ها به شکل استاندارد در می ­آید و می­ تواند کل ولتاژ را دریافت کند.

یک نکته مهم در این روش زمان تغییر شکل سیم بندی­ ها است، زمانی که شکل سیم بندی را استارتر از وای به دلتا تغییر می­ دهد، موتور باید از شبکه برق قطع و مجدداً وصل گردد. این نوع از استارتر وای-دلتا (Wye Delta) با عنوان Open Transition شناخته می­ شود و بصورت موقتی موجب بروز اختلال و جریان تاختی (Inrush Current) در شبکه می گردد.

استفاده از Close Transition یکی دیگر از روش­ ها در استارتر وای-دلتا است. در این روش از یک کنتاکتور دیگر و مجموعه­ ای از مقاومت ­ها برای جلوگیری از جدا شدن موتور از خط بار در زمان تغییر شکل سیم بندی استفاده می ­شود. این روش موجب از بین رفتن جریان تاختی شده اما نسبت به روشی که قبلاً بیان شد پرهزینه ­تر است.

تصویر (۳)، توپولوژی سیم بندی موتور در زمان­ های مختلف

۵- حالت جامد (Solid State)

با کشف مواد نیمه رسانا و گسترش کاربرد آن در دنیای بی­کران برق و الکترونیک، درحال حاضر مدارات کنترل کننده الکترونیکی جایگزین بسیاری از کنترل کننده ­های بزرگ قدیمی شده ­اند از جمله موارد استفاده آن­ها می­ توان به روش حالت جامد در صافت استارت­ر ها اشاره نمود.

یکی از روش­ های جدید استارت نرم، روش حالت جامد (Solid State) است. در این روش قطعات مکانیکی جای خود را به قطعات الکترونیکی داده ­اند. نکته مهم در اینجا SCR یا همان Silicon Control Rectifier است.

هنگام سرعت گرفتن موتور، این سیستم ولتاژ، جریان و گشتاور را کنترل می کند. شکل ۴ نشان دهنده چگونگی عبور جریان در زمان استارت موتور و میزان گشتاور تولید شده باکمک سافت استارتر حالت جامد است.

تصویر (۴)

SCR ها توانایی تغییر سریع و بدون درنگ جریان­ های بسیار زیاد را در مدارات فراهم می­ کنند. این تغییر سریع جریان به سافت استارتر اجازه می­ دهد تا سرعت را همانند تصویر ۴ افزایش دهد. می­ توان با اطمینان گفت که این روش برای استارت موتور نسبت به روش های گذشته بسیار بهتر و کارامدتر است.

مراحل استارت موتور در روش حالت جامد

• کنتاکتورهای شروع کننده بسته می­ شوند (S1)

• SCRها به تدریج روشن شده و سرعت موتور را کنترل می­ کنند تا زمانی که موتور به سرعت نهایی خود برسد.

• دیگر کنتاکتورها (S2) زمانی که SCRها تماماً روشن شدند، بسته می­ شوند.

• در آخرین مرحله موتور مستقیماً به خط وصل شده و با آخرین قدرت خود شروع به کار می ­کند.

تصویر (۵)