سافت استارتر چیست و چگونه کار می کند؟
سافت استارتر (soft starter) دستگاهی است که به موتورهای الکتریکی معمولی اضافه می‌شود تا در مرحلۀ راه اندازی و روشن شدن موتور، فشار زیادی به موتور وارد نشود. معادل فارسی soft starter راه انداز نرم است. از انواع سافت استارتر می‌توان به نمونه‌های مکانیکی و الکتریکی اشاره کرد. این محصولات در دو نوع دیجیتال و آنالوگ و به صورت تک فاز، دو فاز و سه فاز ساخته و تولید می‌شوند. برای اتصال راه انداز نرم به موتور از دو روش اتصال خطی و اتصال مثلث داخلی استفاده می‌شود. جهت راه اندازی دستگاه نیز می‌توان از تکنیک ولتاژ کامل و یا ولتاژ کاهش یافته استفاده کرد. کاهش مصرف انرژی، جلوگیری از ایجاد جریان و ولتاژ بیش از حد به موتور و افزایش طول عمر سیستم از مزیت‌های راه اندازهای نرم است. از معایب آن‌ها نیز می‌توان به بالا رفتن درجه حرارت هیت سینک و کاهش گشتاور راه انداز اشاره کرد.
سافت استارتر یک دستگاه جانبی است که به موتورهای الکتریکی AC دستگاه های مختلف وصل می‌شود تا سبب کارکرد بهینه موتور الکتریکی گردد. به این صورت که از ایجاد جریان‌های الکتریکی همجومی به موتور جلوگیری می‌کند و بدین ترتیب، آسیب های احتمالی را کاهش می‌دهد. به طور کلی، می‌توان گفت هدف این دستگاه، کاهش تنش های الکتریکی و مکانیکی و در نتیجه کاهش فشار وارد بر شفت و موتور در مرحله روشن شدن موتور است. اکثر استارت‌های معمولی کار خود را با هجوم یکباره جریان‌های الکتریکی به داخل موتور آغاز می‌کنند. اما soft starter جریان الکتریکی با شیب خطی صاف و با قدرت یکنواخت ارائه می‌دهد. این امر، فرسودگی کلی مدارهای موتور را کاهش می‌دهد و در نتیجه دستگاه سلامت کلی خود را در مدت طولانی‌تری حفظ می‌کند. سافت استارترها به عنوان استارترهای با ولتاژ کاهش یافته (RVSS) نیز شناخته می‌شوند. برخی مدل‌های سافت استارتر، قابلیت تنظیم ولتاژ راه اندازی و مدت زمان لازم برای روشن شدن کامل موتور را دارند.
اگر در صدد خرید سافت استارتر هستید، خوب است از برندهای این دستگاه مطلع باشید. تعدادی از معروف‌ترین برندهای راه انداز نرم در کشور عبارتند از:
اینطور نیست که تمامی موتورها حتماً به راه انداز نرم نیاز داشته باشند؛ هر موتوری می‌تواند بدون آن نیز کار کند. وجود راه انداز نرم، راه حلی جهت جلوگیری از فشار بی مورد بر موتور، به ویژه موتورهایی که حساس هستند می‌باشد. موتورهای خاصی وجود دارد که به دلیل جریان الکتریکی بیش از حد در مرحله راه اندازی، مستعد خراب شدن و فرسودگی هستند. در اینجا چند مورد از کاربردهای soft starterها که معمولاً برای تسهیل فرآیند راه اندازی استفاده می‌شود آورده‌ایم.
راه انداز نرم در هر سیستمی که استفاده شود، جریان هجومی را محدود می‌کند. بنابراین، پایداری منبع تغذیه را بهبود می‌بخشد و افت موقت ولتاژ را کاهش می‌دهد.
فن‌ها، موتورها و هر وسیله الکتریکی و مکانیکی که دارای تسمه محرک است، به کمک راه اندازهای نرم، به صورت آرام راه اندازی می‌شوند تا از لغزش تسمه و همچنین افزایش فشار هوا جلوگیری شود. سافت استارترها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای دستگاه‌های خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سافت استارتر مکانیکی، نوعی از soft starterهاست که کمتر به جریان الکتریکی و بیشتر به محلول‌های فیزیکی و مکانیکی متکی است. استارترهای نرم مکانیکی به کلاچ‌ها و کوپلینگ‌های مختلف متکی هستند که از سیالات، شات فولادی یا نیروهای مغناطیسی برای کاهش میزان گشتاور در موتور استفاده می‌کنند. سافت استارترهای مکانیکی نیز همانند استارترهای الکتریکی، ولتاژ مجاز برای عبور از موتور را محدود می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا به آرامی و آسان‌تر روشن شود. این مقاله پیرامون راه اندازهای نرم الکتریکی است. از این رو، در ادامه در مورد انواع الکتریکی راه اندازهای نرم صحبت شده است.
سافت استارتر به طور موقت نحوه اتصال موتور را در مدار الکتریکی تغییر می‌دهد. سافت استارترهای الکتریکی، با کاهش موقت ولتاژ یا جریان ورودی، گشتاور را کاهش می‌دهند. در این دستگاه‌ها، از یک سری تریستور یا یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی (SCR) استفاده می‌شود. تریستور هنگام شروع کار موتور سبب محدود کردن ولتاژ به مقدار قابل کنترل‌تر برای موتور می‌گردد. SCRها دارای حالت ON (روشن) و OFF (خاموش) هستند. در حالت ON جریان را عبور می دهند و در حالت OFF جریان الکتریکی را کنترل و محدود می‌کنند. هنگامی که دستگاه خود را روشن می‌کنید، این SCRها فعال می‌شوند و ولتاژ را محدود می‌کنند؛ سپس با رسیدن دستگاه به قدرت کامل، آرام می‌شوند. این کار حرارت موتور را پایین نگه می‌دارد و فشار کلی را کاهش می‌دهد. راه اندازهای نرم الکتریکی می‌توانند از نوع دیجیتال و یا آنالوگ باشند که در ادامه توضیح داده شده است.
سافت استارترهای الکتریکی می‌توانند از دستگاه‌های حالت جامد (solid state devices) برای کنترل جریان و در نتیجه ولتاژ اعمال شده به موتور استفاده کنند. سافت استارترهای حالت جامد (Solid state soft starters) دارای قابلیت های زیر هستند:
این راه اندازهای نرم صفحه نمایش ندارند. در واقع سافت استارترهایی که صفحه نمایش ندارند، با عنوان آنالوگ شناخته می‌شوند. استفاده مدل های آنالوگ آسان بوده و امکاناتشان نیز نسبت به انواع دیجیتالی محدود است. وضعیت کار سافت استارتر و نمایش خطا با لامپ های LED نمود داده می‌شود. در این دستگاه‌ها، قابلیت تنظیم ولتاژ راه اندازی و زمان راه اندازی وجود دارد.
راه اندازهای نرم دیجیتالی، دارای صفحه نمایش هستند. پارامترهایی مانند جریان، دما، روش راه اندازی و توان را می‌توان از طریق صفحه نمایش دیجیتالی دستگاه مشاهده و تنظیم کرد. علاوه بر ولتاژ و زمان راه اندازی، نحوۀ راه اندازی را نیز می‌توانید تعیین کنید. با استفاده از برخی از برندهای دیجیتال، می‌توان چندین الکتروموتور را راه اندازی کرد؛ قابلیتی که سافت استارترهای آنالوگ آن را ندارند. در استارترهای دیجیتالی همچنین امکان ارتباط با دیگر تجهیزات اتوماسیون وجود دارد. برخی از این دستگاه‌ها دارای بای پس و برخی دیگر بدون بای پس هستند. به طورکلی، بای پس به معنی ایجاد یک مسیر جایگزین برای عبور جریان برق است.
در دستگاه‌های دو فازی تنها بر روی دو فاز از سه فاز ورودی به موتور کنترل داریم و در حالت سه فازی بر روی هر سه فاز کنترل لازم را داریم.
انواع سافت استارتر؛دیجیتال و آنالوگ
هر سافت استارتر به طور معمول از قسمت های زیر تشکیل شده است:
تریستورها بخش قدرتی سافت استارتر را تشکیل می‌دهند و همانطور که قبلا بیان شد، کنترل ولتاژ را بر عهده دارند. به این صورت که کار افزایش و کاهش ولتاژ را در زمان راه اندازی موتور و توقف آن انجام می‌دهند. اما زمانی که الکتروموتور به دور نامی خود برسد، تریستور تمام ولتاژ را از خود عبور می‌دهد و دیگر کنترلی بر مقدار ولتاژ نخواهد داشت. با اتصال معکوس دو تریستور، ترایاک شکل می‌گیرد.
در راه اندازهای نرم، برد الکترونیک وظیفه کنترل نحوه کار تریستورها، اعمال تنظیمات و حفاظت‌ها را بر عهده دارد. بسته به نوع سافت استارتر، این برد می‌تواند ورودی و خروجی‌های فرمان را دریافت و برنامه خود را بر روی آن‌ها اعمال کند. مدار منطقی با استفاده از یک مدار یکسو کننده، از برق اصلی تغذیه می‌کند. در مسیر هر فاز، دو تریستور وجود دارد؛ تریستورها به موتور وصل می‌شوند و توسط مدار منطقی کنترل می‌شوند.
گرمای ناشی از کارکرد دستگاه توسط هیت سینگ به فضاهای اطراف منتقل می شود. بنابراین، هیت سینک نیز وظیفه انتقال گرما و دور کردن آن از راه انداز نرم را بر عهده دارد.
علاوه بر اجزای بالا، سافت استارترها شامل بخش‌های دیگری نیز هستند که می‌توان از آن‌ها به عنوان اجزای حفاظتی یاد کرد. این اجزا عبارتند از:
عملکرد سافت استارتر به این صورت است که در زمان راه اندازی موتور، به طور مداوم منبع ولتاژ موتور را کنترل می‌کند. این دستگاه کنترل مقدار ولتاژی که از مدارهای موتور عبور می‌کند را با محدود کردن گشتاور موتور انجام می‌دهد. در واقع، محدود کردن گشتاور باعث می‌شود soft starter بتواند ولتاژ را کاهش دهد. همچنین به آن اجازه می‌دهد بتواند به تدریج کاهش ولتاژ را متوقف کند تا جریان آرام برقرار شود. به این ترتیب، موتور با رفتار بار (لود شدن) دستگاه تنظیم می‌شود و کارکرد تجهیزات مکانیکی نیز به آرامی تسریع می‌شود. این امر باعث افزایش طول عمر موتور دستگاه، بهبود رفتار عملیاتی و روان سازی جریان می‌گردد.
در سافت استارترها، ولتاژ معمولاً توسط یکسو کننده های کنترل شده سیلیکونی با اتصال موازی معکوس (تریستور) کنترل می شود. اما در برخی شرایط با کنترل سه فاز، عناصر کنترل می‌تواند یک تریستور و دیود با اتصال موازی- معکوس باشند. هنگامی که یک پالس گیت به تریستور اعمال می‌شود، تریستور جریان را فقط در یک جهت و در یک زاویه دلخواه عبور می‌دهد. برای کنترل ولتاژ استارت و Stop موتور، از سه جفت (شش عدد) تریستور استفاده می‌شود. زمانی که موتور استارت می‌خورد، کنترل کننده برای هر تریستور پالس مجزا تولید می‌کند. نخستین پالس گیتی که تولید می‌شود، زاویه 180 درجه دارد. این زاویه بسیار کم است و باعث ایجاد ولتاژ حدأقلی می‌گردد. به تدریج، زاویه پالس‌ها کم و کمتر شده و دورۀ هدایت تریستور افزایش می‌یابد. ولتاژ از طریق تریستور شروع به افزایش می‌کند. به این ترتیب، سرعت موتور نیز به تدریج بیشتر می‌شود.
زمانی که زاویه پالس گیت تولیدی به صفر درجه برسد، موتور به سرعت مورد نظر خود رسیده است (سرعت نامی). در سرعت نامی، تریستورها با استفاده از یک کنتاکتور بای پس، از کار در حالت عادی، کاملاً بای پس می‌شود. به این ترتیب، تریستور پالس گیت را متوقف می‌کند؛ در نتیجه، بازدهی سافت استارتر بالا می‌رود. در نهایت، در طی توقف موتور، تریستور مجدداً کنترل را در دست می‌گیرد و شروع به ارائه پالس گیت می‌کند تا ولتاژ تغذیه را تنظیم کند. به این ترتیب، موتور متوقف می‌شود.
زمانی که آرمیچر یک موتور الکتریکی حرکت کند، عملکرد موتور و عملکرد ژنراتور به طور همزمان اتفاق می‌افتد. نیروی الکترومغناطیسی که توسط ژنراتور تولید می‌شود، با عملکرد موتور مخالف است. این امر یک مقاومت متغیر در موتور ایجاد می‌کند که با افزایش سرعت موتور، افزایش می‌یابد. هنگامی که ولتاژی به موتور اعمال می شود، یک مقاومت توسط موتور ایجاد می‌گردد. در حالت استراحت موتور، این مقاومت نسبتاً کم است. بنابراین، اگر ولتاژ کامل به موتور اعمال شود، جریان راه اندازی زیاد و به صورت هجومی است. در مقایسه با موتورهای DC، مقاومت تأخیری (stator resistance) موتورهای AC به طور قابل توجهی بالاتر بوده و جریان هجومی شان کمتر است.
در موتورهای القایی، جریان های هجومی تا 7 الی 10 برابر بیشتر از جریان جاری همراه است. در موتورهای با راندمان بالاتر، این جریان هجومی می‌تواند حتی بیشتر (10 تا 15 برابر جریان جاری) باشد. جریان هجومی زیاد، منبع تغذیه را تحت فشار قرار می‌دهد که می‌تواند منجر به افت ولتاژ شود. در نتیجه، ممکن است طول عمر تجهیزات حساس کاهش یابد. یکی دیگر از عوارض جانبی که توسط جریان هجومی زیاد ایجاد می‌شود، کاهش ولتاژ در منبع تغذیه سایت است که به صورت نورهای سوسوگر قابل مشاهده است. این مورد به ویژه در تاسیسات مسکونی رایج است.
در موتورهای القایی علاوه بر اینکه جریان‌های هجومی وجود دارد، گشتاور راه اندازی نیز بالاست. گشتاور راه اندازی می‌تواند تا 3 برابر بیشتر از گشتاور در حال اجرا باشد. گشتاور راه اندازی اگرچه گذرا است، اما می‌تواند یک استرس مکانیکی ناگهانی به دستگاه ایجاد کند که منجر به کاهش عمر مفید شود.
پس از آنکه موتور را با soft starter راه اندازی کردید، دیگر نیازی به حضور آن در مدار الکتریکی راه اندازی موتور نیست. از این رو، پس از راه اندازی موتور، سافت استارتر را از مدار الکتریکی خارج می‌کنند. به خارج شدن راه انداز نرم از مدار، به اصطلاح بای پس گفته می‌شود. این کار توسط کنتاکتورها صورت می‌گیرد. کنتاکتورهای بای پس می‌توانند داخلی و یا خارجی باشند.
در میان انواع سافت استارتر، بیشترِ نمونه‌های دیجیتالی به کنتاکتور بای پس مجهز هستند. در مقابل، انواع آنالوگ معمولاً کنتاکتور بای پس ندارند. از این رو، در زمان خرید سافت استارتر، این موضوع را در نظر داشته باشید و آن را از فروشنده جویا شوید.
سافت استارترهایی که بای پس داخلی ندارند، می‌توانند توسط یک کنتاکتور خارجی بای پس شوند. این کنتاکتورها باید از نوع ACI (کنتاکتور برای کاربردهای عادی) بوده و جریان آن برابر و یا بزرگتر از جریان نامی موتور باشد.
برای اتصال راه اندازهای نرم به موتورها، دو روش وجود دارد:
راه اندازهایی که فقط ولتاژ دو فاز را کنترل می کنند باید به روش خطی به موتور متصل شوند.
ساده ترین راه اتصال راه انداز نرم به موتور، روش in line یا خطی است. در این روش، هر سه فاز با کنتاکتور اصلی، رله اضافه بار و سایر تجهیزات، به صورت سری متصل می‌شوند. سر بندی خود موتور می‌تواند به صورت اتصال ستاره یا مثلث باشد. سافت استارترهای برند ABB مدل PSR و PSE را فقط به روش اتصال خطی می‌توان مدار قرار داد و به موتور وصل کرد. در روش اتصال خطی یک موتور 100 آمپری به یک راه انداز نرم، راه انداز نرم نیز باید 100 آمپر و کنتاکتور اصلی آن نیز 100 آمپر باشد. در تصویر زیر، نمونه‌ای از اتصال خطی به همراه بای پس داخلی و بای پس خارجی در یک مدل راه اندازم نرم (مدل EMX3) نشان داده شده است.
اتصال سافت استارتر به روش خطی به همراه بای پس داخلی
اتصال سافت استارتر به روش خطی به همراه بای پس خارجی
اتصال سافت استارتر به موتور به روش اتصال مثلث داخلی، امکان قرارگیری soft starter را به در داخل مدار مثلث، ممکن می‌سازد. به این ترتیب، راه اندازی موتور به روش ستاره – مثلث بسیار آسان خواهد شد. برای چنین مواردی، می‌توان سافت استارترهایی کوچکتر از توان موتور خریداری کرد و به این ترتیب در هزینه‌ها صرفه جویی اقتصادی داشت. در مورد موتورهایی که به روش مثلث داخلی به راه انداز نرم متصل می‌شوند، سربندی موتور نیز باید به صورت مثلث انجام شود. soft starterهایی که فقط ولتاژ دو فاز را کنترل می‌کنند را نمی‌توان به روش مثلث داخلی به موتور متصل کرد.
اتصال سافت استارتر به موتور به روش مثلث داخلی همراه بای پس داخلی
اتصال سافت استارتر به روش مثلث داخلی همراه بای پس خارجی
در روش اتصال شش سیمه (Inside- Delta) به دو نکته توجه کنید:
کنتاکتور اصلی قبل از راه انداز نرم قرار می‌گیرد و وظیفه روشن و خاموش کردن راه انداز نرم را بر عهده دارد. در این حالت، سیستم کنترل باید از طریق ولتاژ ورودی کنتاکتور تغذیه شود. برای فرمان دادن به کنتاکتور، از خروجی رلۀ A راه انداز نرم (ترمینال های 13 و 14) باید استفاده شود. تصویری از نحوۀ اتصالات مدار در کنتاکتور اصلی در شکل زیر نشان داده شده است.
اتصالات مدار در کنتاکتور اصلی جهت وصل کردن به سافت استارتر
در شرایطی که راه انداز نرم به صورت بای پس خارجی است، اتصالات مدار را به صورت زیر انجام می‌دهیم. در این حالت باید از خروجی رله Run استفاده شود که نیاز به تنظیم اضافی ندارد.
اتصالات مدار درنصب کنتاکتور بای پس خارجی
اگر می‌خواهید موتور دستگاه خود را با سافت استارتر راه اندازی کنید، می‌توانید از سه تکنیک زیر استفاده نمایید:
برای کنترل راه اندازهای نرم نیز دو روش وجود دارد:
راه اندازهای نرم موتور مزیت های متعددی دارند که موجب استفادۀ گسترده از آن ها شده است. در ادامه، مزایا و البته کاستی های مرتبط با این دستگاه ها بیان شده است.
نکته: در زمان انبار کردن موتورهایی که به راه انداز نرم متصل هستند، موتور را از راه انداز نرم جدا کرده و دستگاه‌ها را به طور مجزا از هم انبار کنید. این امر در مورد نگهداری پمپ شناور، فن‌ها و سایر دستگاه هایی که به موتور و راه انداز نرم متصل می‌شوند صدق می‌کند.