سافت استارتر چیست؟

حتما تا کنون سوال های زیادی در خصوص سافت استارتر برای شما مطرح شده است. به عنوان مثال کارایی و تفاوت این تجهیز با درایو چیست؟ در بخش راه اندازی الکتروموتورهای سه فاز با روش های پایه در راه اندازی مانند حالت تک ضرب، ستاره مثلث، راه اندازی نرم و کنترل دور با درایو آشنا شدیم. هر یک از این روش ها دارای مزایا و معایب خود بوده و در انتها با یکدیگر مقایسه شده اند. همانگونه که شرح داده شد در مدارهای کنتاکتوری روی گشتاور و جریان راه اندازی کنترلی وجود نداشته و این عامل می تواند صدمات زیادی به تاسیسات وارد کند. به منظور رفع این مشکل می توان از سافت استارترها استفاده کرد. این تجهیز بر اساس کنترل ولتاژ کار کرده و می تواند گشتاور و جریان راه اندازی را کنترل کند. این دستگاه در مدل های بسیار متنوعی تولید شده است که در مقالات بعدی به صورت کامل بررسی خواهد شد.

معرفی

یک سافت استارتر (soft starter) به صورت کلی از بخش های برد الکترونیک (PCB)، هیت سینک، تایرستورها، فن و بدنه تشکیل شده است. قابل ذکر است که مدار کنترل آن می تواند آنالوگ، دیجیتال و یا ترکیبی از این دو حالت باشد. برد الکترونیک داخلی مربوط به نحوه‌ی کار تایرستورها در مدار قدرت، تنظیمات، حفاظت، ارتباطات و غیره بوده و با توجه به برند و مدل، بسیار متنوع است. این دستگاه علاوه بر بخش های کنترلی، می تواند تعدادی ورودی و خروجی فرمان و سیستم حفاظتی نیز داشته باشد. ورودی ها و خروجی های فرمان می توانند یکی از دو حالت فیکس یا قابل برنامه ریزی را داشته و در مدارهای مختلف استفاده شوند.

بخش حفاظت سافت استارتر با توجه به مدل و برند می‌تواند شامل گروه های مختلف جریانی، ولتاژی، فرکانسی، حرارتی و غیره باشد. سیستم اضافه بار داخلی به صورت الکترونیک بوده و با عبارت E.O.L یا Electronic Overload Relay مشخص می شود. برای آشنایی بیشتر می توانید مقاله ی حفاظت های سافت استارتر را مطالعه کنید. رله ی الکترونیک اضافه بار جایگزین رله های قدیمی به صورت دو فلزی یا بی متال شده و دقت بهتری دارد. دقت این رله به علت اندازه گیری دائم جریان و محاسبه ی پارامترهای دیگر مانند دمای موتور بسیار قابل اعتماد بوده و برای عملکرد در سطح میانی مفید است. به عنوان مثال در تصویر زیر بخش تنظیم کلاس حفاظتی و میزان آمپر الکتروموتور در سافت استارتر آنالوگ زیمنس را مشاهده می‌کنید.

با گذشت زمان، نیاز به ارتباط موثر و دو طرفه بین سافت استارتر و تجهیزات دیگر افزایش پیدا کرده است. این ارتباط را می توان به وجود هزاران سیم بین این دستگاه و تجهیزات وابسته تشبیه کرد. با پیشرفت تکنولوژی و برای رفع این مشکل، پورت هایی در سافت استارترها قرار داده شده است که می توانند اطلاعات بسیار زیادی را مبادله کنند. این ارتباط امروزه به صورت فیبرهای نوری بوده که می توانند جایگزین هزاران رشته سیم باشند. تا کنون پروتکل های ارتباطی بسیار زیادی ساخته شده است که برخی از آن ها بسیار پرکاربرد هستند.

برای انتخاب، تنظیم و کار با سافت استارتر باید اطلاعات بیشتری در خصوص قسمت‌های داخلی آن داشته باشیم. به همین منظور ابتدا با نحوه‌ی کار هر بخش بیشتر آشنا شده و در ادامه به تنظیمات پایه و نحوه‌ی انتخاب خواهیم پرداخت.

اجزای داخلی سافت استارتر

در این ویدئو با اجزای داخلی یک سافت استارتر آنالوگ زیمنس آشنا شده و نحوه اتصال تریستورها و بای پس داخلی را مشاهده می کنیم. این ویدئو برگرفته از دوره جامع راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز است.

برد الکترونیک یا PCB

در سافت استارتر از تایرستورها برای کنترل ولتاژ الکتروموتور استفاده می شود. میزان هدایت ولتاژ بر مبنای تنظیمات شما، جریان دریافتی الکتروموتور و کمیت های محاسبه شده دیگر مانند ضریب توان، توان اکتیو و غیره انجام می‌شود. بررسی تنظیمات، شرایط الکتروموتور و کنترل مقدار ولتاژ خروجی توسط برد الکترونیک انجام می شود. به عبارت ساده تر برد الکترونیک یا PCB زمان تریگر شدن و میزان ولتاژ عبوری از تایرستورها را مشخص می کند. برد یا مرکز پردازش در مدل های پیشرفته وظایف دیگری مانند حفاظت، ذخیره سازی اطلاعات، رخ دادها، نمایش کمیت ها، گراف ها و غیره را نیز دارد.

به این نکته توجه کنید که برش ولتاژ تنها در لحظه ی راه اندازی و توقف انجام شده و سافت استارتر کنترلی روی ولتاژ در حالت کار دائم الکتروموتور ندارد.

هیت سینک یا Heat sink

عبور جریان راه اندازی، توقف و کار پیوسته در سافت استارتر حرارت تولید می کند. اگر این حرارت از حد مجاز بالاتر رود، سلامت قسمت های داخلی تهدید خواهد شد. به همین علت برای انتقال حرارت تولید شده در تایرستورها به فضای پیرامون از هیت سینک استفاده می شود. به این نکته توجه کنید که ابعاد و ظرفیت انتقال حرارت در هیت سینک با توجه به جریان عبوری سافت و ظرفیت استارت مشخص خواهد شد.

فن یا fan

برای انتقال بهتر حرارت و افزایش ظرفیت تهویه در هیت سینک، ممکن است از یک یا چند فن نیز استفاده شود. تعداد فن ها بر اساس جریان، تعداد استارت، شرایط محیطی، طراحی و غیره مشخص شده و می تواند برخی از قابلیت ها را تغییر دهد. به عنوان مثال با اضافه کردن یک فن می توان تعداد استارت ها در ساعت را افزایش داده یا زمان توقف و راه اندازی را طولانی تر کرد. در نظر داشته باشید که در سافت استارترهای کوچک با تعداد محدود راه اندازی، فن وجود ندارد.

بدنه یا Housing

برای ایجاد شرایط نصب و محافظت از تجهیزات داخلی در برابر صدمات مکانیکی و الکتریکی از بدنه یا قاب استفاده می شود. بدنه ی سافت استارتر می تواند به صورت پلاستیکی، فلزی و یا ترکیبی از این دو حالت باشد. قاب آن با IP یا کلاس های حفاظتی مختلف ساخته شده می تواند از اجزای داخلی در برابر نفوذ غبار و آلودگی های دیگر نیز محافظت کند. از آن جایی که معمولا درجه ی حفاظت بدنه یا IP آن در برابر نفوذ اجسام خارجی بسیار پائین است، برای محافظت بیشتر از تابلو برق نیز استفاده می شود. در این روش تجهیز داخل تابلو قرار گرفته و اجسام خارجی نمی توانند به محیط داخل تابلو و در نتیجه به بدنه ی دستگاه نفوذ کنند.

مطالبی که در حال مطالعه ی آن هستید به صورت تصویری در دوره جامع راه اندازی و حفاظت موتور سه فاز آموزش داده شده است. در این دوره تصویری روش پلاک خوانی موتور، شناخت اصول حفاظت، شناخت تجهیزات راه اندازی و محاسبه سایز آن ها آموزش داده شده است. در بخش عملی می توانید سیم بندی راه اندازی های کنتاکتوری مانند تک ضرب، چپ گرد و راست گرد، ستاره مثلث به همراه نصب و سیم بندی 6 برند سافت استارتر زیمنس، اشنایدر، ABB، دانفوس، اوکام و سانترنو را مشاهده کنید. قسمت آخر دوره مربوط به بازدید از تاسیسات و تابلو برق های مختلف و بررسی چیدمان تجهیزات و سایز آن ها در تابلو برق است. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص این دوره می توانید صفحه آموزش جامع راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز را مشاهده کنید.

تایرستور یا Thyristor

در بخش قدرت سافت استارتر تعدادی تایرستور برای کنترل ولتاژ وجود دارد. تایرستورها عناصر الکترونیک قدرت هستند و در هر فاز به صورت خلاف جهت یا Anti-Paralle نصب می‌شوند.(از اتصال دو تایریستور به صورت معکوس، ترایاک ساخته می‌شود.) با استفاده از این تکنولوژی می‌توان از تایرستورها برای برش ولتاژ در هردو نیم سیکل مثبت و منفی یک شکل موج متناوب استفاده کرد. کنترل ولتاژ  ممکن است روی دو یا هر سه فاز انجام شود. این مورد به برند، مدل و توان دستگاه بستگی داشته و حتما هنگام خرید باید به آن توجه کنید.

طبق تصویر زیر، از تایرستورها برای افزایش و کاهش ولتاژ در خلال راه اندازی و توقف استفاده می‌شود ( حداکثر ولتاژ خروجی سافت استارتر برابر با ولتاژ ورودی یا منبع است.) میزان برش ولتاژ با مقدار تحریک تایرستورها مشخص خواهد شد. هرچقدر تحریک افزایش داده شود، مقدار ولتاژ هدایت شده نیز افزایش پیدا می کند.

 

 

 

در نظر داشته باشید که در خلال کار دائم، تایرستورها تمام ولتاژ را از خود عبور داده و کنترلی روی مقدار آن ندارند. به عبارت ساده‌تر از تایرستورها تنها در زمان راه‌اندازی و توقف استفاده می‌شود. عملکرد این عناصر قدرت در راه‌اندازی و توقف به این شرح است:

راه اندازی یا سافت استارت

تایرستورها در لحظه ی اول استارت، تنها اجازه‌ی عبور بخشی از ولتاژ را می دهند. طبق تصویر زیر، مقدار این ولتاژ با پارامتر Initial Voltage یا Start Voltage مشخص می شود. در ادامه و با توجه به تنظیمات، مقدار ولتاژ افزایش داده شده و به حد نهایی (منظور از حد نهایی، برابر شدن ولتاژ خروجی سافت استارتر با ولتاژ منبع است.) خود خواهد رسید. زمان مربوط به افزایش ولتاژ از میزان تنظیم شده تا ولتاژ کامل با پارامتر Start Ramp یا Start Time مشخص می شود.

توقف یا سافت استپ

در خلال کار عادی الکتروموتور، تایرستورها تمام ولتاژ را از خود عبور می دهد. با دریافت فرمان توقف، برش ولتاژ شروع شده و میزان هدایت کاهش داده می شود. زمان مربوط به کاهش ولتاژ از مقدار کامل تا حداقل قابل تنظیم، با پارامتر Stop Ramp یا Stop Time مشخص می شود.

طبق تصویر زیر، کنترل ولتاژ الکتروموتور در سافت استارترها می‌تواند روی دو یا هر سه فاز انجام شود. در ساختمان آن ها اختلافاتی وجود دارد که در این قسمت به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

در توان‌های پائین تا متوسط می‌توان سیستم کنترل ولتاژ یکی از فازهای سافت استارتر را حذف کرد. این کار مزایای زیادی از جمله کاهش ابعاد، کاهش تولید حرارت و پائین آمدن قیمت آن را دارد. برای هدایت فازی که عناصر الکترونیک آن حذف شده است معمولا از یک شینه به صورت مستقیم استفاده می‌شود. معمولا فاز وسط در نوع دوفاز فاقد عناصر الکترونیک قدرت می‌باشد. در دوره‌ی تصویری راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز این مورد را در سری 30 زیمنس بررسی کرده‌ایم. این شینه بین ترمینال ورودی و خروجی سافت استارتر قرار گرفته و یکی از فازهای الکتروموتور را مستقیم به منبع متصل می‌کند. نکته‌ی مهم در نوع دوفاز، عدم تطابق کامل جریان و تغییر زاویه است. به عبارت ساده تر جمع جریان‌ فازهای کنترل شده از فاز مستقیم عبور می‌کند. این رفتار باعث نامتعادل شدن جریان و ایجاد صدای بلند هنگام راه‌اندازی الکتروموتور خواهد شد. مقدار عدم تقارن جریان در لحظه‌ی راه‌اندازی ممکن است به 30 تا 40 درصد برسد. این عدم تقارن در بسیاری از تاسیسات مشکلی ایجاد نمی کند ولی می‌تواند باعث سوختن فیوز یا عملکرد بریکر شود. برای رفع مشکل مولفه‌ی DC هنگام راه‌اندازی الکتروموتور، تکنولوژی‌های زیادی وجود دارد. به عنوان مثال شرکت زیمنس روشی را با عنوان Polarity Balancing ابداع کرده است. در تصویر زیر لحظه‌ی راه‌اندازی سافت استارتر دوفاز بدون این تکنولوژی را مشاهده می‌کنید. در قسمت‌های مشخص شده، دامنه‌ی جریان به یکباره افزایش پیدا کرده و باعث تولید صدای شدید در الکتروموتور می گردد.

با استفاده از تکنولوژی Polarity Balancing قله‌ی جریان حذف شده و صدای الکتروموتور نرمال می‌شود. این کار مشابه به راه‌اندازی الکتروموتور با سافت استارتر سه فاز (منظور نوعی است که کنترل ولتاژ روی هر سه فاز آن انجام می‌شود.) است. در تصویر زیر حذف قله‌ی مربوط به مولفه‌ی DC را مشاهده می‌کنید.

نکته‌ی مهم در هنگام بهره‌برداری از سافت استارترهای دوفاز، توجه به اتصال مستقیم یکی از فازهای الکتروموتور به منبع است. در این حالت حتی اگر دستگاه خاموش باشد، کابل‌ها و سیم پیچ الکتروموتور برقدار خواهد بود. اتصال مستقیم یکی از فازها مشکلی را برای سلامت الکتروموتور ایجاد نمی‌کند زیرا این فاز به تنهایی قادر به تولید میدان مغناطیسی، گشتاور و یا حرارت نمی‌باشد. تنها مسئله‌ی مهم در این حالت، احتمال افزایش ضریب خطای انسانی و رخ دادن حوادث جانبی مانند برقگرفتگی یا آتش سوزی است.

تصویر کنید شخصی بدون قطع کلید بالادست و آزمایش مدار اقدام به باز کردن ترمینال‌ها، کابل‌ها یا الکتروموتور کند. در این حالت بعلت وجود سیم پیچ الکتروموتور، هر سه فاز خروجی سافت دارای ولتاژ خطرناک خواهد بود. برای رفع این مشکل می‌توان از یک کنتاکتور قبل از سافت استارتر استفاده کرد. بوبین این کنتاکتور اغلب توسط خود سافت استارتر کنترل شده و مدار قدرت را قطع و وصل می‌کند. در لحظه‌ی استارت ابتدا کنتاکتور بسته شده و بعد از آن دستگاه شروع به کار می‌کند.در حالت توقف و با توجه به مدل آن، پروسه قطع تغذیه، توقف نرم یا انواع ترمزها سپری شده و بعد از آن کنتاکتور قطع می‌شود. در این روش وقتی الکتروموتور خاموش است، هیچ ولتاژی در سیم‌پیچ آن وجود نخواهد داشت. مزیت دیگر استفاده از کنتاکتور، قطع کامل مدار قدرت هنگام رخ دادن خطا در دستگاه است.

علاوه بر مزایای ذکر شده می‌توان از دو کنتاکتور برای ساخت مدار چپ گرد و راست گرد نیز استفاده کرد. در این روش کنتاکتورها قبل از سافت استارتر قرار گرفته و محل دوفاز ورودی را تغییر می دهند. در این مدار ضمن دستیابی به سطح ایمنی مناسب، می‌توان راه‌اندازی و توقف نرم در هردو جهت را ایجاد کرد.

بای پس

همانطور که مشاهده کردید تریستورها تنها در زمان راه اندازی و توقف میزان ولتاژ را کنترل کرده و حالت های راه اندازی نرم و توقف نرم را ایجاد می کنند. به عبارت دیگر این عناصر در حالت کار دائم هیچ کنترلی روی ولتاژ نداشته و تمام آن را از خود عبور می دهند. عبور جریان دائم از عناصر نیمه هادی باعث ایجاد تلفات، افزایش حرارت و کاهش عمر آن ها خواهد شد. برای رفع این مشکل از سیستم بای پس یا مسیر جایگزین استفاده می شود. بای پس سافت استارتر با توجه به مدل و برند می تواند به صورت داخلی یا خارجی باشد. به عنوان مثال مدل های زیمنس، ABB و دانفوس دارای بای پس داخلی بوده و سافت استارتر سری 48 اشنایدر نیاز به بای پس خارجی دارد.درتصویر زیر یک مدل مجهز به بای پس خارحی نمایش داده شده است. در نظر داشته باشید که با داشتن بای پس خارجی اختلالی در سیستم حفاظت الکتروموتور ایجاد نخواهد شد. این مطالب را می توانید در مقاله حفاظت سافت استارتر مطالعه کنید.
این ویدئو برگرفته از دوره جامع راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز است.

تفاوت سافت استارتر و درایو

پس از آشنا شدن با ماهیت این دستگاه می توان آن را با درایو یا اینورتر مقایسه کرد. همانطور که شرح داده شد یک سافت استارتر تنها روی ولتاژ کنترل داشته و نمی تواند تغییری در فرکانس ایجاد کند. از طرفی کنترل ولتاژ نمی تواند به تنهایی در کنترل دور الکتروموتور استفاده شود. به عبارت دیگر کنترل ولتاژ بدون تغییر در فرکانس فقط به صورت کوتاه مدت در راه اندازی و توقف قابل قبول است. با توجه به این ساختار نمی توان از این تجهیز در کنترل دور الکتروموتورها استفاده کرد.

در طرف مقابل درایو یک ساختار پیچیده داشته و ابتدا جریان AC را به جریان DC تبدیل می کند. ولتاژ DC در درایو با سوئیچ های IGBT تبدیل به ولتاژ و فرکانس متغییر شده و به منظور کنترل دور الکتروموتور استفاده می شود. در واقع تفاوت اصلی سافت استارتر و درایو در کنترل فرکانس است. در سافت استارتر تنها ولتاژ تحت کنترل خواهد بود اما در درایو ولتاژ و فرکانس قابل کنترل هستند. به منظور درک بهتر از ساختمان درایو توصیه می شود مقاله ی اینورتر یا درایو چیست را مطالعه کنید.

محتوای این مقاله برگرفته از کتاب راه اندازی و حفاظت الکتروموتورهای سه فاز تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.