موتورها نقش بسیار مهم و تاثیرگذاری در صنایع مختلف دارند. موتور القایی سه فاز آسنکرون، پرکاربردترین موتور الکتریکی مورد استفاده در صنعت، برای هدایت بارهای مکانیکی است. هنگامی که موتور القایی راه اندازی می شود، جریان راه اندازی زیادی به نام جریان هجومی از شبکه می کشد.
جریان راه اندازی بالا باعث ایجاد مشکلات زیادی از جمله افت ولتاژ خط و غیره در سیستم تغذیه می شود. افت ولتاژ سیستم بر عملکرد سایر لوازم الکتریکی متصل به همان خط تأثیر می گذارد. این چالش سبب معرفی روش های راه اندازی موتور سه فاز شده است. با استفاده از این روش ها تلاش می کنیم جریان راه‌اندازی موتور را به محدوده جریان مجاز کاهش دهیم. در این مقاله به بررسی انواع روش های متداول برای راه اندازی موتور سه فاز خواهیم پرداخت. با من همراه باشید.
کاربرد موتور سه فاز در صنعت
موتورها را می توان در زمره پرکاربردترین تجهیزات صنعتی دانست. براساس تحقیقاتی که توسط کمپانی ABB انجام شده است، 70 درصد انرژی مورد استفاده صنایع توسط موتورها مصرف می شود. هر جایی از صنعت را که ببینید ردپای موتور وجود دارد. از پمپ ها و فن های ساده گرفته تا بازوهای مکانیکی پیشرفته همه از موتور بهره می برند. از جمله مهمترین کاربردهای موتورها در صنایع می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فن
- پمپ
- میکسر
- اکسترودر
- نوار نقاله
- جرثقیل
- آسانسور
- ماشین ابزار
- سورتینگ و سته بندی
- و …
به جرات می توان گفت هر صنعتی حداقل از چند موتور الکتریکی بهره می برد. از سوی دیگر می دانیم که فرآیند راه اندازی موتور الکتریکی، یک چالش بزرگ نه تهنا برای صنایع که حتی برای شبکه توزیع برق است! جریان هجومی بزرگی که موتورها در لحظه راه اندازی به آن نیاز دارند می تواند سبب افت ولتاژ شبکه شود. دلیل این افت ولتاژ ثابت بودن توان خروجی ترانسفورماتور است. در واقع به دلیل ثابت بودن توان، افزایش جریان خروجی کاهش ولتاژ را به همراه دارد.
چرا استفاده از روش های راه اندازی موتور سه فاز ضروری است؟
زمانی که یک موتور القایی توسط منبع AC سه فاز تغذیه می شود، یک میدان مغناطیسی در حال چرخش ایجاد می کند. این میدان با هادی های روتور ارتباط برقرار کرده و سبب ایجاد گشتاور می شود. این فرآیند جریان هجومی قابل توجهی از شبکه AC می کشد.
این جریان هجومی بالا می تواند منجر به کاهش قابل توجه ولتاژ سیستم توزیع AC شود. سایر بارهای الکتریکی متصل به همان سیستم، تحت تأثیر این کاهش ولتاژ قرار می گیرند. حتی سیم پیچ های موتور نیز ممکن است برا اثر این جریان هجومی بزرگ بسوزد. این جریان بزرگ در بدترین حالت می تواند منجر به خاموش شدن تجهیزات و توقف کامل خط شود.
اما روش هایی برای غلبه بر این چالش و پیشگیری از وقوع این مشکلات بزرگ وجود دارد. با استفاده از روش های راه اندازی موتور سه فاز می‌توان جریان راه‌اندازی را به یک مقدار مطمئن کاهش داد. با کاهش جریان هجومی در واقع از چالش های بعدی نیز پیشگیری می شود.
روش های راه اندازی موتور سه فاز
تکنیک های راه اندازی موتور سه فاز را می توان به روش های مختلف دسته بندی کرد. هر تکنیک با کنترل یکی از مشخصه های عملکردی موتور، اقدام به کاهش جریان هجومی می کند. راه اندازی با تکنیک ولتاژ کاهش یافته و یا با فرکانس کاهش یافته از جمله این روش ها است. روش های راه اندازی موتور القایی قفسه سنجابی عبارتند از:
- راه اندازی مستقیم (O.L)
- راه اندازی با مقاومت استاتور
- راه اندازی به روش ستاره – مثلث (Star-Delta)
- راه اندازی با استفاد از اتو ترانسفورماتور
- راه اندازی به کمک سافت استارتر
- راه اندازی به درایو فرکانس متغیر (VFD)
در ادامه به بیان جزئیات بیشتری از این روش ها خواهیم پرداخت.
راه اندازی مستقیم
همانطور که از نام آن مشخص است، در این روش منبع برق سه فاز مستقیماً به موتور القایی وصل می شود. این روش (Direct On Line) D.O.L نیز نامیده می شود. شکل زیر مدار راه اندازی مستقیم را نشان می دهد.
در این روش راه اندازی موتور، جریان راه اندازی کاهش نمی یابد. به بیان دیگر جریان هجومی راه اندازی در این روش از شبکه کشیده می شود. بزرگی این جریان معمولاً 5 تا 7 برابر جریان نامی موتور است. در مدار راه اندازی مستقیم از فیوزها یا بریکرها، کنتاکتورها و رله های حفاظت اضافه بار استفاده می شود. در این روش هیچ پیش بینی برای کنترل جریان راه اندازی وجود ندارد. از این رو، این روش معمولاً برای موتورهای القایی با توان کمتر از 5 کیلو وات استفاده می شود.
راه اندازی موتور سه فاز با مقاومت استاتور
روش راه اندازی با مقاومت استاتور از جمله تکنیک های راه اندازی با ولتاژ کاهش یافته است. وقتی یک موتور القایی را راه اندازی می کنیم، روتور جریان زیادی می کشد. با شتاب گرفتن موتور و رسیدن به سرعت کامل، جریان موتور کاهش می یابد. اگر یک مقاومت سری را به مقاومت استاتور اضافه کنیم، مقاومت کل بزرگ شده و مانع افزایش بیش از حد جریان می شود؛ در نتیجه جریان راه اندازی موتور کاهش می یابد.
در این روش در هنگام استارت، مقاومت خارجی را به صورت سری با هر فاز سیم پیچ استاتور وصل می کنیم. افت ولتاژ در مقاومت خارجی رخ می دهد و بنابراین ولتاژ پایانه های موتور کاهش می یابد. کاهش ولتاژ استاتور منجر به جریان کمتر استاتور می شود. اکنون مقاومت استاتور به صورت پلکانی و متناسب با شتاب موتور بای پس می شود. هنگامی که موتور به سرعت کامل می رسد، مقاومت های خارجی به طور کامل قطع می شوند و استاتور ولتاژ نامی کامل را در پایانه های موتور دریافت می کند.
این روش جریان هجومی راه اندازی موتور را کنترل می کند اما در عین حال معایب زیر را نیز دارد:
- تلفات توان در مقاومت های خارجی به صورت گرما صورت می گیرد.
- کاهش ولتاژ باعث شتاب کند موتور می شود.
راه اندازی به روش ستاره – مثلث
روش راه اندازی ستاره مثلث نیز از جمله تکنیک های راه اندازی موتور سه فاز با ولتاژ کاهش یافته است. ستاره مثلث رایج ترین روشی است که برای راه اندازی موتورهای القایی استفاده می شود. نمودار مدار استارت ستاره مثلث در شکل زیر نشان داده شده است.
در این روش، سیم‌پیچ استاتور موتور در زمان راه‌اندازی به صورت ستاره و در حالت عادی کارکرد به صورت مثلث به مدار متصل می‌شود.
هنگامی که موتور در اتصال ستاره راه اندازی می شود، ولتاژ تغذیه 57.7 درصد ولتاژ عادی می شود و در نتیجه جریان راه اندازی موتور کاهش می یابد. هنگامی که موتور به حدود 80 درصد سرعت عادی خود رسید، به اتصال مثلث تبدیل می شود.
برای تغییر اتصال از ستاره به مثلث از کلید دوطرفه استفاده می شود. در اتصال ستاره، ظرفیت تحویل گشتاور یک سوم ظرفیت گشتاور کامل موتور است.
راه اندازی با اتوترانسفورماتور
یکی دیگر از تکنیک های راه اندازی با ولتاژ کاهش یافته، استفاده از اتوترانسفورماتور است. در این روش از یک ترانسفورماتور خودکار برای کاهش جریان راه اندازی موتور استفاده می شود. مدار راه اندازی موتور با اتوترانسفورماتور در شکل زیر نشان داده شده است.
در اینجا، اتوترانسفورماتور مورد استفاده یک ترانس کاهنده سه فاز است که خروجی های مختلفی برای به دست آوردن ولتاژهای متفاوت دارد. راه اندازی موتور با اتوترانسفورماتور به طور کلی دارای سه مرحله ولتاژی 50، 65، و 80 درصد است. به منظور شتاب گرفتن نرم موتور می توان تعداد پله های ولتاژ را بیشتر کرد. موتور با سطح ولتاژ کمتر راه اندازی می شود و با شتاب موتور به سطوح بالاتر تغییر می کند.
در این روش هنگام راه اندازی، ولتاژ تغذیه کاهش یافته از طریق اتوترانسفورماتور به موتور اعمال می شود. هنگامی که موتور به سرعتی در حدود 80 درصد سرعت نامی رسید، اتوترانسفورماتور به طور خودکار توسط کنتاکتور اتصال کوتاه از مدار خارج می شود و موتور با ولتاژ تغذیه کامل کار می کند.
توجه داشته باشید که گشتاور راه اندازی موتور متناسب با مجذور ولتاژ است. بنابراین، گشتاور راه‌اندازی موتور در ولتاژ پایین‌تر کاهش می‌یابد و استارت‌های اتوترانسفورماتور برای راه‌اندازی باری که گشتاور راه‌اندازی کم می‌خواهد مناسب هستند.
استارت اتوترانسفورماتور دارای مزایای زیر است.
- تلفات کم توان
- جریان راه اندازی کم
- مناسب برای موتورهای تا 25 اسب بخار
راه اندازی موتور سه فاز به کمک سافت استارتر
سافت استارتر نوعی راه انداز الکترونیکی است که از روش ولتاژ کاهش یافته برای راه اندازی ایمن موتور استفاده می کند. اساس کار سافت استارترها بر پایه تنظیم زاویه آتش تریستور بنا نهاده شده است. نمودار مدار قدرت سافت استارتر در زیر آورده شده است.
جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد ساختار و عملکرد این تجهیزات به مقاله “سافت استارتر چیست و چه کاربردهایی دارد؟” مراجعه کنید.
سافت استارتر در زمان شروع به کار موتور ولتاژ را کاهش می دهد و با شتاب گرفتن موتور به سمت سرعت کامل، ولتاژ را افزایش می دهد. بنابراین، به کمک سافت استارتر می توان ولتاژ موتور را از صفر تا ولتاژ کامل خط تنظیم کرد. استفاده از سافت استارتر علاوه بر راه اندازی نرم موتور، تکان های موتور و تجهیزات محرک را در هنگام راه اندازی کاهش می دهد و از این رو قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد. همچنین برخی از نمونه های راه انداز نرم، علاوه بر استارت نرم امکان توقف نرم موتور را نیز فراهم می کنند.
راه اندازی با درایو فرکانس متغیر (VFD)
درایوها با نام اینورتر نیز در بازار شناخته می شوند. این تجهیزات از تکنیک کاهش فرکانس برای راه اندازی موتور سه فاز بهره می برند. اساس کار درایوها بر پایه تبدیل ولتاژ AC منبع به ولتاژ DC و سپس تولید یک سیگنال متناوب با فرکانس متغیر نهاده شده است.
جزئیات بیشتر در مورد این تجهیزات را می توانید در مقاله “درایو چیست و چه کاربردی دارد” ببینید.
شکل زیر بلوک دیاگرام عمومی یک VFD را نشان می دهد:
VFD علاوه بر راه اندازی و توقف نرم الکتروموتورها، قابلیت کنترل سرعت موتور القایی را نیز دارد. VFD یک راه انداز پیشرفته است که سرعت موتور را با تغییر فرکانس کنترل می کند. همچنین به نسبت تغییر فرکانس توسط اینورتر، ولتاژ نیز برای حفظ شار ثابت در موتور تغییر می کند.
جمع بندی
راه اندازی موتور الکتریکی به دلیل جریان هجومی بزرگی که در لحظه راه اندازی موتور از شبکه کشیده می شود، یک چالش جدی در صنایع مختلف است. این جریان بزرگ می تواند سبب کاهش ولتاژ منبع و آسیب رسیدن به سایر تجهیزات الکتریکی متصل به شبکه شود. از اینرو کنترل جریان راه اندازی موتور الکتریکی الزامی است. به منظور پیشگیری از این چالش ها، از تکنیک های ویژه ای استفاده می شود. روش های راه اندازی موتور سه فاز را می توان براساس تکنیک مورد استفاده به سه گروه تقسیم کرد:
- راه اندازی مستقیم
- راه اندازی با ولتاژ کاهش یافته
- راه اندازی با فرکانس متغیر
پیشرفته ترین تجهیزات مورد استفاده برای راه اندازی موتور، درایوهای فرکانس متغیر هستند که علاوه بر راه اندازی و توقف نرم موتور، امکان کنترل سرعت و سایر پارامترهای موتور را نیز فراهم می کنند.