راه اندازی الکتروموتور

استارتر موتور چیست؟

استارتر موتور یک وسیله الکتریکی است که برای راه اندازی و خاموش کردن ایمن موتور استفاده می شود. مشابه رله، استارتر موتور برق را روشن/خاموش می‌کند و برخلاف رله، حفاظت از ولتاژ پایین و جریان اضافه را نیز فراهم می‌کند.

عملکرد اصلی استارتر موتور عبارت است از:

• برای راه اندازی ایمن یک موتور
•   ”    متوقف کردن ایمن یک موتور
•   ”    معکوس کردن جهت یک موتور
•   ”    محافظت از موتور در برابر ولتاژ پایین و جریان اضافه

 

 

استارتر موتور از دو جزء اصلی ساخته شده است که با هم کار می کنند تا موتور را کنترل و محافظت کنند.

کنتاکتور برقی: هدف کنتاکتور روشن/خاموش کردن منبع تغذیه موتور با ایجاد یا شکستن پایانه های تماس است.

مدار حفاظت اضافه بار: هدف این مدار محافظت از موتور در برابر آسیب احتمالی ناشی از شرایط اضافه بار است. جریان زیاد از طریق روتور ممکن است به سیم پیچ و همچنین سایر وسایل متصل به منبع آسیب برساند. جریان را حس می کند و منبع تغذیه را قطع می کند.

چرا به یک استارتر با موتور نیاز داریم؟

استارتر موتور برای راه اندازی موتور القایی ضروری است. به دلیل امپدانس کم روتور آن است. امپدانس روتور به لغزش موتور القایی بستگی دارد که سرعت نسبی بین روتور و استاتور است. امپدانس با لغزش برعکس تغییر می کند.

لغزش موتور القایی حداکثر است، یعنی 1 در حالت سکون (موقعیت استراحت)، بنابراین امپدانس در حداقل خود است و مقدار زیادی جریان به نام جریان هجومی را می کشد. جریان هجومی زیاد، شکاف هوای بین روتور و استاتور را مغناطیسی می کند که باعث القای EMF در سیم پیچ روتور می شود. این EMF یک جریان الکتریکی در سیم پیچ روتور تولید می کند که یک میدان مغناطیسی برای تولید گشتاور در روتور ایجاد می کند. با افزایش سرعت روتور، لغزش موتور کاهش می یابد و جریان کشیده شده توسط موتور کاهش می یابد.

جریان هجومی بالا 5-8 برابر جریان بار کامل نامی معمولی است. بنابراین چنین مقدار جریانی می‌تواند به سیم‌پیچ‌های موتور آسیب برساند یا بسوزاند که ماشین را بی‌استفاده می‌کند و می‌تواند باعث افت شدید ولتاژ خط تغذیه شود که می‌تواند به سایر وسایل متصل به همان خط آسیب برساند.

برای محافظت از موتور در برابر چنین حجم عظیمی از جریان‌ها، از استارتی استفاده می‌کنیم که جریان اولیه را برای مدت کوتاهی در هنگام راه‌اندازی محدود می‌کند و هنگامی که موتور به سرعت معینی رسید، منبع تغذیه طبیعی موتور از سر گرفته می‌شود. آنها همچنین محافظت در برابر شرایط خطا مانند ولتاژ پایین و جریان اضافی در طول عملیات عادی را فراهم می کنند.

اگرچه موتورهای کوچک با توان کمتر از 1 اسب بخار امپدانس بالایی دارند و می توانند جریان اولیه را تحمل کنند بنابراین به چنین استارتر موتوری نیاز ندارند، با این حال، آنها به سیستم حفاظت از جریان اضافه نیاز دارند که توسط استارتر های DOL (مستقیم بر روی خط) ارائه می شود. توضیحات بالا نشان می دهد که چرا برای نصب با موتور به استارتر نیاز داریم؟

 

 

استارتر موتور چگونه کار می کند؟

استارتر یک وسیله کنترلی است که برای تعویض موتور به صورت دستی یا خودکار استفاده می شود. برای کنترل روشن/خاموش ایمن موتورهای الکتریکی با ایجاد یا شکستن کنتاکت های آن استفاده می شود.

استارتر دستی برای موتورهای کوچکتر استفاده می شود که در آن اهرم دستی به صورت دستی کار می کند (موقعیت کنتاکت ها را به حالت ON یا OFF حرکت دهید). عیب این نوع استارتر ها این است که بعد از شکننده برق باید روشن شوند. به عبارت دیگر، برای هر عملیات (روشن یا خاموش) نیاز به کنترل دستی دارند. گاهی اوقات، این عمل ممکن است منجر به جریان های زیاد در سیم پیچ موتور شود که ممکن است موتور را بسوزاند. به همین دلیل است که در بیشتر مواردی که از استارت های موتور جایگزین دیگری مانند استارتر های اتوماتیک استفاده می شود، توصیه نمی شود.

از طرف دیگر، استارت‌رهای اتوماتیک که از رله‌های الکترومکانیکی و کنتاکتورها تشکیل شده‌اند، برای روشن/خاموش کردن موتور استفاده می‌شوند. هنگامی که جریان از سیم پیچ های کنتاکتور عبور می کند، انرژی می گیرد و میدان الکترومغناطیسی تولید می کند که کنتاکت ها را می کشد یا فشار می دهد تا سیم پیچ های موتور را به منبع تغذیه متصل کند.

دکمه های فشاری استارتر و استاپ متصل به موتور و استارتر را می توان برای روشن و خاموش کردن موتورها استفاده کرد. سیم‌پیچ‌های کنتاکتور را می‌توان با فشار دادن دکمه توقف که منجر به قطع برق سیم‌پیچ می‌شود، خاموش کرد. به این ترتیب، کنتاکت کنتاکتور به دلیل آرایش فنر به حالت عادی خود برمی گردد که منجر به خاموش شدن موتور می شود. در صورت قطع برق یا خاموش شدن دستی، موتور به طور خودکار روشن نمی شود تا زمانی که موتور را به صورت دستی با فشار دادن دکمه فشار شروع کنیم. نمودار زیر نحوه عملکرد استارت موتور DOL را برای عملکرد ON/OFF نشان می دهد.

انواع استارتر موتور بر اساس روش ها و تکنیک های راه اندازی

در صنایع از تکنیک های راه اندازی مختلفی برای راه اندازی موتور القایی استفاده می شود. قبل از بحث در مورد انواع موتورها، در اینجا برخی از تکنیک های مورد استفاده در استارتر موتورها آورده شده است.

• ولتاژ کامل یا در سراسر خط استارت

جهت موتور القایی 3 فاز را می توان با تعویض هر دو فاز معکوس کرد. چنین استارتی دارای دو کنتاکتور مغناطیسی به هم پیوسته مکانیکی با فازهای تعویض شده برای جهت جلو و معکوس است. در کاربردهایی استفاده می شود که موتور باید در هر دو جهت کار کند و از کنتاکتورها برای کنترل آن استفاده می شود.

• استارت معکوس ولتاژ کاملپ

جهت موتور القایی 3 فاز را می توان با تعویض هر دو فاز معکوس کرد. چنین استارتی دارای دو کنتاکتور مغناطیسی به هم پیوسته مکانیکی با فازهای تعویض شده برای جهت جلو و معکوس است. در کاربردهایی استفاده می شود که موتور باید در هر دو جهت کار کند و از کنتاکتورها برای کنترل آن استفاده می شود.

• استارتر چند سرعته

برای تغییر سرعت یک موتور AC، باید فرکانس منبع AC را تغییر دهید یا تعداد قطب های موتور را (با اتصال مجدد سیم پیچ ها در برخی) تغییر دهید. چنین نوع استارت‌رهایی موتور را در چند سرعت از پیش انتخاب‌شده به کار می‌اندازند تا کاربردهای آن را برآورده کنند.

• استارتر ولتاژ کاهش یافته

رایج‌ترین روش راه‌اندازی کاهش ولتاژ در هنگام راه‌اندازی موتور برای کاهش جریان هجومی است که می‌تواند به سیم‌پیچ‌های موتور آسیب برساند و همچنین باعث افت شدید ولتاژ شود. این استارت ها برای موتورهای با رتبه بالا استفاده می شوند.

 

انوع استارتر موتور

در مورد انواع موتورهای زیر و روش راه اندازی آنها بر اساس روش های راه اندازی موتور فوق با مزایا و معایب بحث خواهیم کرد.

• استارتر آنلاین مستقیم (DOL)
•    ”      مقاومت استاتور
•    ”      موتور مقاومتی روتور یا حلقه لغزش
•    ”      اتوترانسفورماتور
•    ”      دلتا
• سافت استارتر
• درایو فرکانس متغیر (VFD)

استارتر موتورها انواع مختلفی دارند اما عمدتاً به دو نوع طبقه بندی می شوند.

استارتر دستی

این نوع استارتر به صورت دستی کار می کند و نیازی به تجربه ندارد. برای خاموش و روشن کردن موتور متصل به آن از یک دکمه فشاری استفاده می شود. مکانیزم پشت دکمه شامل یک سوئیچ مکانیکی است که باعث می شود مدار موتور را متوقف یا روشن کند.

آنها همچنین محافظت در برابر اضافه بار را ارائه می دهند. با این حال، این استارت‌رها LVP (محافظت در برابر ولتاژ پایین) ندارند، یعنی در صورت قطع برق مدار را نمی‌شکنند. این می تواند برای برخی از برنامه ها خطرناک باشد زیرا موتور با بازیابی برق دوباره راه اندازی می شود. بنابراین از آنها برای موتورهای کم توان استفاده می شود. استارت مستقیم آنلاین (DOL) یک استارت دستی است که محافظت در برابر اضافه بار را فراهم می کند.

استارتر مغناطیسی

استارتر های مغناطیسی رایج ترین نوع استارتر هستند و بیشتر برای موتورهای AC با قدرت بالا استفاده می شوند. این استارتر ها به صورت الکترومغناطیسی مانند رله ای عمل می کنند که با استفاده از مغناطیس تماس ها را می شکند یا ایجاد می کند.

ولتاژ پایین تر و مطمئن تری را برای راه اندازی فراهم می کند و همچنین شامل محافظت در برابر ولتاژ پایین و جریان اضافه می شود. در هنگام قطع برق، استارتر مغناطیسی به طور خودکار مدار را قطع می کند. برخلاف استارت‌رهای دستی، شامل عملیات خودکار و از راه دور است که اپراتور را مستثنی می‌کند.

استارتر مغناطیسی از دو مدار تشکیل شده است.

مدار قدرت: این مدار وظیفه تامین برق موتور را بر عهده دارد. این شامل کنتاکت های الکتریکی است که برق تامین شده از خط تغذیه به موتور را از طریق رله اضافه بار روشن/خاموش می کند.

مدار کنترل: این مدار کنتاکت های مدار قدرت را برای ایجاد یا قطع منبع تغذیه موتور کنترل می کند. سیم‌پیچ الکترومغناطیسی برای کشیدن یا فشار دادن کنتاکت‌های الکتریکی انرژی می‌دهد یا از آن خارج می‌شود. بنابراین یک کنترل از راه دور برای استارت مغناطیسی ارائه می شود.

استارتر آنلاین مستقیم (DOL)

DOL یا Direct Online Starter ساده ترین شکل استارتر موتور است که موتور را مستقیماً به منبع تغذیه متصل می کند. این شامل یک کنتاکتور مغناطیسی است که موتور را با یک خط تغذیه و یک رله اضافه بار برای محافظت در برابر جریان اضافه متصل می کند. هیچ کاهش ولتاژی برای راه اندازی ایمن موتور وجود ندارد. بنابراین موتور مورد استفاده با چنین استارت‌هایی دارای قدرت کمتر از 5 اسب بخار است. دارای دو دکمه فشاری ساده است که موتور را روشن و خاموش می کند.

با فشار دادن دکمه استارت، سیم پیچی که کنتاکتورها را به هم می کشد تا مدار را ببندد، انرژی می دهد. و با فشار دادن دکمه توقف، سیم پیچ کنتاکتور برق می‌گیرد و کنتاکت‌های آن از هم جدا می‌شود و در نتیجه مدار قطع می‌شود. کلیدی که برای روشن/خاموش کردن منبع تغذیه استفاده می شود می تواند از هر نوع مانند چرخشی، تراز، شناور و غیره باشد.

اگرچه این استارتر ولتاژ راه اندازی ایمن را ارائه نمی دهد، رله اضافه بار از گرمای بیش از حد و جریان اضافی محافظت می کند. رله اضافه بار معمولاً دارای کنتاکت های بسته است که سیم پیچ کنتاکتور را انرژی می دهد. هنگامی که رله خاموش می شود، سیم پیچ کنتاکتور برق گرفته و مدار را قطع می کند.

 

 

مزایای استارتر موتور DOL

• طراحی بسیار ساده و مقرون به صرفه ای دارد.
• درک و کار با آن بسیار آسان است.
• به دلیل جریان راه اندازی بالا، گشتاور راه اندازی بالایی را فراهم می کند.

معایب استارتر موتور DOL

• جریان هجومی زیاد می تواند به سیم پیچ ها آسیب برساند
• جریان هجومی زیاد باعث افت ولتاژ در خط برق می شود.
• برای موتورهای سنگین مناسب نیست
• می تواند طول عمر موتور را کاهش دهد

استارتر مقاومت استاتور

استارتر مقاومتی استاتور از تکنیک RVS (استارت ولتاژ کاهش یافته) برای راه اندازی موتور استفاده می کند. مقاومت خارجی به صورت سری به هر فاز از استاتور موتور القایی 3 فاز اضافه می شود. وظیفه مقاومت کاهش ولتاژ خط (در نتیجه کاهش جریان اولیه) اعمال شده به استاتور است.

در ابتدا، مقاومت متغیر در موقعیت حداکثر نگه داشته می شود که حداکثر مقاومت را ارائه می دهد. بنابراین ولتاژ دو طرف موتور به دلیل افت ولتاژ در مقاومت حداقل است (در سطح ایمن). ولتاژ پایین استاتور جریان هجومی راه اندازی را محدود می کند که می تواند به سیم پیچ های موتور آسیب برساند. با افزایش سرعت موتور، مقاومت کاهش می یابد و فاز استاتور مستقیماً به خطوط برق متصل می شود.

از آنجایی که جریان مستقیماً با ولتاژ متناسب است و گشتاور با مجذور جریان تغییر می کند، کاهش 2 برابری ولتاژ باعث کاهش 4 برابر گشتاور می شود. بنابراین گشتاور راه اندازی با استفاده از چنین استارت بسیار کم است و باید حفظ شود.

 

 

مزایای استارتر موتور مقاومتی استاتور

• انعطاف پذیری در ویژگی های شروع را فراهم می کند.
• منبع ولتاژ متغیر اجازه می دهد تا شتاب صاف
• می توان آن را به هر دو موتور متصل به ستاره یا مثلث متصل کرد.

معایب راه انداز موتور مقاومتی استاتور

• مقاومت ها توان را از بین می برند
• گشتاور راه اندازی به دلیل کاهش ولتاژ بسیار کم است
• مقاومت ها برای موتورهای بزرگ بسیار گران هستند.

استارت موتور مقاومتی روتور یا حلقه لغزش

این نوع استارتر موتور بر روی تکنیک راه اندازی موتور با ولتاژ کامل کار می کند. این موتور فقط بر روی یک موتور القایی حلقه لغزنده کار می کند به همین دلیل است که به عنوان استارتر موتور رینگ لغزشی نیز شناخته می شود.

مقاومت های خارجی با روتور در ترکیب ستاره ای از طریق حلقه لغزش متصل می شوند. این مقاومت ها جریان روتور را محدود کرده و گشتاور را افزایش می دهند. این به نوبه خود جریان استاتور راه اندازی را کاهش می دهد. همچنین به بهبود ضریب قدرت کمک می کند

مقاومت ها فقط در هنگام راه اندازی موتور مورد استفاده قرار می گیرند و زمانی که موتور سرعت نامی خود را بدست آورد، حذف می شوند.

 

 

مزایای استارتر موتور مقاومتی روتور

• با استفاده از ولتاژ کامل جریان راه اندازی کم را فراهم می کند.
• به دلیل گشتاور راه اندازی بالا، موتور می تواند تحت بار راه اندازی شود
• این روش ضریب توان را بهبود می بخشد.
• طیف وسیعی از کنترل سرعت را فراهم می کند

معایب استارتر موتور مقاومتی روتور

• فقط روی موتور القایی حلقه لغزنده کار می کند
• روتور گرانتر و سنگین تر است.

استارتر اتوترانسفورماتور

این نوع استارتر موتورها از یک اتوترانسفورماتور به عنوان ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش ولتاژ اعمال شده به استاتور در مرحله راه اندازی استفاده می کنند. می توان آن را به هر دو موتور متصل به ستاره و مثلث متصل کرد.

ثانویه اتوترانسفورماتور به هر فاز موتور متصل است. نوارهای متعدد اتوترانسفورماتور کسری از ولتاژ نامی را فراهم می کند. در هنگام راه اندازی، رله در موقعیت شروع قرار دارد، یعنی نقطه ضربه که ولتاژ کاهش یافته را برای راه اندازی فراهم می کند. رله بین نقاط شیر سوئیچ می کند تا ولتاژ را با سرعت موتور افزایش دهد. در نهایت، آن را با ولتاژ نامی کامل وصل می کند.

در مقایسه با سایر تکنیک‌های کاهش ولتاژ، ولتاژ بالایی را برای یک جریان راه‌اندازی خاص ارائه می‌دهد. به ارائه گشتاور راه اندازی بهتر کمک می کند.

 

 

مزایای استارتر اتوترانسفورماتور

• گشتاور راه اندازی بهتری را فراهم می کند.
• برای راه اندازی موتورهای بزرگ با بار قابل توجه استفاده می شود.
• همچنین کنترل دستی سرعت را ارائه می دهد.
• همچنین انعطاف پذیری در ویژگی های شروع ارائه می دهد.

معایب استارتر اتوترانسفورماتور

با توجه به اندازه بزرگ اتوترانسفورماتور، چنین استارت فضای زیادی را اشغال می کند. مدار پیچیده و نسبتاً گران نسبت به سایر استارتر ها است.

استارتر دلتا

این روش متداول دیگری است که در صنایع برای موتورهای بزرگ استفاده می شود. سیم‌پیچ‌های موتور القایی 3 فاز برای راه‌اندازی موتور بین اتصال ستاره و مثلث سوئیچ می‌شوند.

برای راه اندازی موتور القایی، آن را با استفاده از یک رله پرتاب دوقطبی سه قطبی به صورت ستاره وصل می کنیم. ولتاژ فاز در اتصال ستاره با ضریب 1/√3 کاهش می یابد و جریان راه اندازی و همچنین گشتاور راه اندازی را به میزان 1/3 مقدار نامی نرمال کاهش می دهد.

هنگامی که موتور شتاب می گیرد، یک رله تایمر، اتصال ستاره سیم پیچ های استاتور را به اتصال مثلث تغییر می دهد و اجازه می دهد تا ولتاژ کامل در هر سیم پیچ وجود داشته باشد. موتور با سرعت نامی کار می کند.

 

 

مزایای Starter Delta Starter

• طراحی آن ساده و ارزان است
• نیازی به نگهداری ندارد
• جریان موج کم را ارائه دهید.
• برای راه اندازی موتورهای القایی بزرگ استفاده می شود.
• برای زمان شتاب طولانی بهترین است.

معایب استارتر دلتا

• روی موتور متصل مثلث کار می کند
• اتصالات سیم بیشتری وجود دارد.
• گشتاور راه اندازی پایینی ارائه می دهد که نمی توان آن را حفظ کرد.
• انعطاف پذیری بسیار محدودی در ویژگی های شروع وجود دارد.
• هنگام تغییر از ستاره به مثلث، یک تکان مکانیکی وجود دارد.

 سافت استارترها

سافت استارتر نیز از تکنیک کاهش ولتاژ استفاده می کند. از کلیدهای نیمه هادی مانند TRIAC برای کنترل ولتاژ و همچنین جریان راه اندازی عرضه شده به موتور القایی استفاده می کند.

یک TRIAC با کنترل فاز برای ارائه ولتاژ متغیر استفاده می شود. ولتاژ با تغییر زاویه هدایت یا زاویه شلیک TRIAC تغییر می کند. زاویه هدایت در حداقل نگه داشته می شود تا ولتاژ کاهش یابد. ولتاژ به تدریج با افزایش زاویه هدایت افزایش می یابد. در حداکثر زاویه هدایت، ولتاژ کامل خط به موتور القایی اعمال می شود و با سرعت نامی کار می کند.

این افزایش تدریجی و صاف در ولتاژ شروع، جریان و همچنین گشتاور را فراهم می کند. بنابراین هیچ حرکت مکانیکی وجود ندارد و عملکرد نرمی را ارائه می دهد که طول عمر دستگاه را افزایش می دهد.

 

 

مزایای Soft Starter

• کنترل بهتری بر جریان و ولتاژ راه اندازی فراهم می کند
• شتاب نرمی را ارائه می دهد، بنابراین هیچ تکانی ندارد.
• باعث کاهش نوسانات برق در سیستم می شود.
• طول عمر سیستم را افزایش می دهد
• بهره وری بهتر و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری را ارائه می دهد
• اندازه آن کوچک است

معایب سافت استارتر

• نسبتاً گران است
• اتلاف انرژی به شکل گرما وجود دارد

درایو فرکانس متغیر (VFD)

درست مانند سافت استارتر، درایو فرکانس متغیر (VFD) می تواند ولتاژ و فرکانس جریان تغذیه را تغییر دهد. این عمدتا برای کنترل سرعت موتور القایی استفاده می شود زیرا به فرکانس عرضه بستگی دارد.

AC از خط تغذیه با استفاده از یکسو کننده ها به DC تبدیل می شود. DC خالص با استفاده از روش مدولاسیون عرض پالس از طریق ترانزیستور قدرت مانند IGBT به AC با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم تبدیل می شود.

کنترل کامل بر روی سرعت موتور از 0 تا سرعت نامی را فراهم می کند. گزینه تنظیم سرعت با ولتاژ متغیر جریان راه اندازی و شتاب بهتری را ارائه می دهد.

 

 

مزایای درایو فرکانس متغیر

• این شتاب بهتر و نرم را برای موتورهای بزرگ فراهم می کند
• این کنترل سرعت کامل را با شتاب و کاهش سرعت ارائه می دهد.
• به دلیل عدم وجود استرس الکتریکی و مکانیکی باعث افزایش طول عمر می شود
• عملکرد رو به جلو و معکوس یک موتور را ارائه می دهد

معایب درایو فرکانس متغیر

• نسبتاً گران است مگر اینکه کنترل سرعت لازم باشد
• اتلاف گرما وجود دارد
• VFD هارمونیک هایی را در خطوط الکتریکی ایجاد می کنند که می تواند بر تجهیزات الکترونیکی و ضریب قدرت تأثیر بگذارد.