مقایسه روش های راه اندازی الکتروموتور سه فاز

راه اندازی موتور سه فاز سنگین همواره یک چالش بوده و از مهمترین دغدغه های اکثر کارهای سنگین هستش. راه اندازی الکتروموتور سه فاز توان بالا باعث میشه جریان زیادی از شبکه کشیده بشه. در شبکه های با برق ضعیف این جریان زیاد باعث افت ولتاژ شدید متناسب با قدرت الکتروموتور شده و سایر تجهیزات برقی موجود رو تحت تاثیر قرار میده؛ طوری که حتی این افت ولتاژ در تجهیزات روشنایی به خوبی قابل مشاهده هستش.

به همین خاطر معمولا شرکت های برق قوانین لازم رو وضع میکنن تا از کیفیت شبکه برق محافظت کنن. مثلا برای الکتروموتور 3 فاز بالاتر از یک کیلوواتی مشترکان صنعتی ملزم اند که تدابیری رو برای کاهش جریان راه اندازی به کار بگیرن. بعلاوه اگه این جریان شدید، مدت زمان زیادی ادامه پیدا بکنه باعت گرم شدن بیش از حد الکتروموتور سه فاز و کاهش عمر اون میشه.

مسئله دیگه اینه که این جریان راه اندازی بالا باعث تولید گشتاور و شتاب اضافی و شدید در راه اندازی میشه که این مسئله به مرور زمان باعث ضربات مکانیکی شدید و استهلاک سیتم ما میشه.

راه انداز الکتروموتور چیست؟

به بیان ساده راه انداز موتور سه فاز یک دستگاه یا مجموعه ای از قطعات است که معمولا درون تابلو برق قرار گرفته و با استفاده از اون برق 3 فاز 380 ولت شبکه به سه سیم پیچ الکتروموتور سه فاز وصل شده و باعث میشه الکتروموتور سه فاز از حالت توقف (سرعت صفر) شروع به حرکت کرده و به سرعت مورد نظر ما برسه. و این کار بایستی به بهترین نحو و کمترین تنش ممکن انجام بگیره. علاوه بر استارت، راه انداز باید حفاظت های ضروری رو هم روی دستگاه داشته باشه.

در شکل زیر یک سیستم راه انداز الکتروموتور (تک فاز) به صورت شماتیک نشون داده شده

امروزه و از گذشته روش های مختلفی برای راه اندازی موتور سه فاز مورد استفاده قرار می گیره. در این مطلب قصد داریم روش های مختلف راه اندازی موتور سه فاز رو معرفی کنیم و مهمترین مزایا و معایب هر کدوم رو با هم مورد مقایسه قرار بدیم.

جریان اینراش یا جریان روتور-قفل؟

موقعی که الکتروموتور سه فاز برق دار میشه یک جریان اولیه‌ی گذرایی به وجود میاد که به اسامی مختلفی شناخته میشه: جریان اینراش، جریان راه اندازی یا جریان روتور-قفل. همه این الفاظ اغلب اشاره دارن به یه چیز: یه جریان شدید؛ 10-5 برابر جریان نامی الکتروموتور. این جریان شدید، با دور گرفتن الکتروموتور و رسیدن به دور نامی کاهش پیدا می کنه.

روش های راه اندازی موتور سه فاز

برای کاهش این جریان راه اندازی موتور سه فاز و جلوگیری از ایجاد افت ولتاژ شبکه و جلوگیری از تولید شتاب اضافی مهلک، روش های مختلفی به کار گرفته میشن که مهمترین اشون اینا هستن:

1. راه اندازی مستقیم (Direct on-line یا روش DOL)
2. راه اندازی با مقاومت راه انداز سری با سیم پیچ استاتور
3. راه اندازی با مقاومت راه انداز روتور (در الکتروموتور های اسلیپ رینگ)
4. راه اندازی با اتو ترانس
5. راه اندازی الکتروموتور سه فاز با سیم پیچ فاز شکسته
6. راه اندازی ستاره-مثلث
7. راه اندازی با سافت استارتر
8. راه اندازی با اینورتر

در هر موردی توی کار انتخاب روش راه ندازی موتور سه فاز بستگی داره به فاکتور های الکتریکی، مکانیکی و صد البته بحث اقتصادی قضیه. البته نوع بار هم در انتخاب سیستم راه اندازی الکتروموتور سه فاز اهمیت زیادی داره. در ادامه به معرفی برخی از پرکاربردترین این روش ها و مزایا و معایب هرکدوم نسبت به هم می پردازیم.

راه اندازی مستقیم (Direct on-line یا روش DOL)

از اسمش هم معلومه. در راه انداری موتور سه فاز به صورت مستقیم یا DOL، الکتروموتور به صورت مستقیم و فقط در یه مرحله به شبکه برق سه فاز با ولتاژ نامی متصل می شه. به همین خاطر به این روش راه اندازی تک ضرب هم میگن.

راه اندازی تک ضرب ساده ترین و ارزان ترین روش راه اندازی موتور سه فاز هستش و در اون فقط از یک کنتاکتور و شستی های استپ/استارت برای اتصال مستقیم سیم پیچ های استاتور به شبکه برق 3 فاز استفاده می شه. و البته یک کلید یا فیوز حفاظتی مناسب نیز مورد نیازه. (شکل زیر) بنابراین به لحاظ هزینه در وهله اول منطقی ترین روش راه اندازی موتور سه فاز هستش مگه اینکه مشکلاتی که در بالا عرض کردم مجبورمون کنه از روش های دیگه استفاده کنیم.

البته در مدار فرمان تابلو برق راه انداز تک ضرب، علاوه بر پوش باتن های استپ/استارت، تجهیزات دیگری مثل سیگنال های LED واسه نمایش وضعیت الکتروموتور یا شبکه هم استفاده میشه. بعلاوه متناسب با نیاز، تجهیزات دیگه ای مثل لیمیت سوئیچ، فلو سوئیچ، پرشر سوئیچ (که در جای مناسب نصب میشن) هم استفاده میشه. بعنوان یک مثال در شکل زیر قطعات مورد نیاز راه اندازی تک ضرب کمپرسور سه فاز رو میبینید که در صورت افت فشار، کمپرسور با فرمان پرشر سوئیچ به صورت DOL راه اندازی می شه.

مزایای راه اندازی موتور سه فاز بصورت تک ضرب

مزایای این روش راه اندازی عبارتند از:

1. ساده و ارزان: در این روش فقط یک عدد کنتاکتور برای استارت الکتروموتور سه فاز مورد نیاز است. بنابراین کمترین تجهیزات و پیچیدگی رو داریم.
2. گشتاور بالا: گشتاور الکتروموتور سه فاز در روش DOL بیشترین مقدار ممکن هستش. بنابراین سخت ترین و سنگین ترین بارها در سریعترین زمان ممکن راه اندازی میشن.

معایب راه اندازی الکتروموتور سه فاز بصورت تک ضرب

اما این روش با داشتن مزایایی که بالا اشاره شد، معایب مهمی داره که عبارتند از:

• جریان راه اندازی بالا: در راه اندازی موتور سه فاز به صورت مستقیم معمولا جریان راه اندازی تا 8 برابر جریان کاری می تونه بالا بره. که البته مقدار دقیق اش متناسب با نوع بار هستش. در بعضی بارهای سنگین تر این جریان ممکنه تا 14 برابر هم بالا بره! البته مقدار جریان اینراش الکتروموتور سه فاز به طراحی الکتروموتور هم بستگی داره. در الکتروموتور های راندمان بالای امروزی به خاطر امپدانس کم سیم پیچی، جریان راه اندازی بالاتر از الکتروموتور های سه فاز قدیمی تر هستش. اگه کیلووات الکتروموتور بالا باشه، این جریان کشی افت ولتاژ شدیدی در شبکه به وجود میاره.
• پیک جریان شدید (جریان مغناطیس سازی یا magnetization peak current): در چند لحظه اولیه و سیکل های ابتدایی جریان گذرای بسیار شدیدی به وجود میاد که تا بالای 20 برابر جریان کاری هم ممکنه برسه. این جریان کوتاه مدته و قبل از جریان راه اندازی هستش و از مغناطیس سازی اولیه هسته استاتور ناشی میشه.

• صدمات مکانیکی: در راه اندازی موتور سه فاز به شکل مستقیم یا DOL گشتاور راه اندازی از مقدار گشتاور مورد نیاز بار بیشتره. لذا باعث شتاب زیاد میشه و نیروی زیادی به قسمت مکانیکی وارد میکنه. این نیروی اضافی صدمات و تنش های مکانیکی روی اجزایی مثل تسمه، کوپلینگ، گیربکس و باقی قسمت های مکانیکی ایجاد میکنه و عمر مکانیکی اشون کم میشه. بعلاوه در سیستم های حمل مخصوصا نوار نقاله (کانوایر)، شتاب و جابجایی سریع ممکنه باعث بشه آسیب به کالای محموله وارد بشه.

در چه مواردی می‌توان موتور سه فاز را تک ضرب استارت کرد؟

با وجود همه این حرف ها و مشکلات، خیلی از جاها و موارد، این روش برای راه اندازی موتور سه فاز مناسب و کافیه و به روش های پیچیده تر و گران قیمت تر نیاز نیست. مثلا جاهایی که:

1. قدرت الکتروموتور در مقایسه با شبکه برق خیلی بالا نیست. در این حالت با توجه به قواعد شرکت برق، جریان راه اندازی خلل زیادی در ولتاژ شبکه به وجود نمیاره.
2. فواصل زمانی استارت الکتروموتور زیاده. مثلا هرچند الکتروموتور سنگینه ولی فقط یه بار صبح استارت میشه.
3. بار مکانیکی متصل به الکتروموتور سه فاز دمپر داره و این دمپر از ضربات مکانیکی در راه اندازی سیستم جلوگیری میکنه.
4. یا سیستم و بار کلا جوریه که گشتاور و شتاب راه اندازی بالا مشکلی ایجاد نمی کنه.

همانطور که عرض شد شرکت های برق جهت حفاظت از کیفیت برق شبکه، مشترکان صنعتی رو ملزم می کنن که قواعد خاصی رو رعایت کنن. و این البته توی کشورهای مختلف فرق میکنه. مثلا توی دانمارک الکتروموتورهای سه فاز با جریان راه اندازی بالاتر از 60 آمپر اجازه ندارند به روش تک ضرب یا DOL راه اندازی بشن. در چنین مواردی و نیز در جهت کاهش استهلاک و صدمات مکانیکی نیازه که ترتیبات و روش های دیگه ای برای راه اندازی الکتروموتور سه فاز به کار گرفته بشه.

راه اندازی ستاره مثلث (دو ضرب)

برای مطالعه بیشتر در این مورد، شما رو به مطلب راه اندازی ستاره مثلث ارجاع میدم. در اون مقاله به تفصیل در مورد این روش و تمام زوایای اون صحبت کردم و نیازی به تکرار دوباره مطالب در اینجا وجود نداره.

به صورت خلاصه در راه اندازی موتور سه فاز بالای 10 اسب معمولا راه اندازی دو ضرب (ستاره مثلث) اولین و معقول ترین جایگزین برای راه اندازی تک ضرب یا DOL محسوب میشه. چرا که این روش با کاهش جریان راه اندازی به حدود 30% روش تک ضرب، ممانعت میکنه از کشیدن جریان بیش از حد از شبکه و افت ولتاژ کمتری ایجاد میشه. علاوه بر اون گشتاور راه اندازی موتور سه فاز هم به حدود 25% میرسه که از این نظر استهلاک مکانیک هم کمتر میشه.

هرچند همونجور که در مطلب مورد اشاره توضیح دادم از عمده اشکالات این روش اینه که در هنگام سوئیچ از سربندی ستاره به مثلث جریان های شدیدی میتونه ایجاد بشه. در کنار اون گشتاور راه اندازی هم در بارهای سنگین ممکنه جواب کار رو نده و اصطلاحا الکتروموتور زیر بار میمونه.

راه انداز نرم الکتروموتور (سافت استارتر)

سافت استارتر دستگاهیه که از قطعات نیمه هادی (تریستور) و بردهای الکترونیکی تشکیل میشه. در یک کلام سافت استارتر هم مثل روش ستاره مثلث ولتاژ راه اندازی موتور سه فاز رو کاهش میده. با این تفاوت که اینجا مقدار ولتاژ اعمالی به الکتروموتور کاملا قابل تنظیم و برنامه ریزی هستش و مثل ستاره مثلث پله ای و سوئیچ نیست.

روال کلی کار سافت استارتر اینجوریه که ما متناسب با نیاز بار و نوع بار و گشتاور لازم برای راه اندازی، یه مقدار جریان مجازی رو تعیین و تنظیم می کنیم که معمولا حدود 3 تا 5 برابر جریان بار کامل هستش. همچنین می تونیم طول مدت راه اندازی رو هم تنظیم کنیم. سپس سافت استارتر با توجه به تنظیمات ما خودش مقدار مورد نیاز ولتاژ رو اعمال میکنه.

در واقع راه اندازی الکتروموتور به این شکل هستش که با توجه به محدوده جریانی که ما تنظیم کردیم، سافت استارتر درصدی از ولتاژ 380 ولت رو به الکتروموتور سه فاز اعمال می کنه تا جریان به حد تنظیمی ما برسه ولی بالاتر از اون نره. در ادامه با دور گرفتن الکتروموتور و کاهش جریان الکتروموتور، سافت استارتر هم ولتاژ رو کم کم زیاد میکنه تا ولتاژ الکتروموتور به مقدار نهایی و نامی برسه.

سپس در این حالت معمولا در سافت استارتر ها، سیستم بای پس، دستگاه رو از مدار خارج میکنه تا تلفات دستگاه راه انداز نرم کم بشه. برای بای پس معمولا یک کنتاکتور کلاس AC1 می تونه کافی باشه. البته در بسیاری از سافت استارتر های امروزی، این کنتاکتور داخل دستگاه تعبیه شده.

مزایای راه اندازی موتور سه فاز با سافت استارتر

1. در این روش علاوه بر اینکه جریان راه اندازی به 3 تا 5 برابر جریان بار کامل محدود می شه، هیچ سوئیچینگ و حالت گذرایی هم رخ نمیده و جریان سوئیچینگ مانند راه اندازی ستاره مثلث به وجود نمیاد.
2. بعلاوه در مقایسه با روش های قبلی گشتاور راه اندازی اضافی ایجاد نمیشه و لذا سیستم مکانیکی (تسمه، گیربکس و. . . ) به مرور مستهلک نمی شه.
3. مزیت دیگه بحث توقف نرم هست. در بعضی کاربری ها نیاز داریم که بار نرم و کنترل شده متوقف بشه. مثلا در سیستم های پمپاژ اگه توقف پمپ به صورت کنتاکتوری باشه، ممکنه با برگشت آب، پمپ، لوله ها یا شیرهای یک طرفه در معرض ضربات فشار آب موسوم به کله قوچی قرار بگیرن. یا مثال دیگه سیتم های حمل مواد و نوار نقاله ها هستند. در اونجا هم در صورت توقف الکتروموتور سه فاز به صورت کنترل نشده، احتمال جابجایی اجسام در حال حمل و برخورد و آسیب بهشون وجود داره.

مقایسه سافت استارتر با ستاره مثلث

• راه انداز ستاره مثلث از سافت استارتر ارزون تره و ممکنه در بارهای سبک جریان راه اندازی کمتری هم داشته باشه. ولی جریان و گشتاور های سوئیچینگ و گذرا مشکل بزرگی هستند.
• بعلاوه در ستاره مثلث هیچگونه تنظیمی متناسب با شرایط بار و گشتاور مورد نیاز در صورت نیاز (مثلا راه اندازی تحت بار یا بی بار) وجود نداره. در حالی که با استفاده از سافت استارتر همه این موارد حل شده اند.
• همچنین در راه انداز ستاره مثلث برخلاف سافت استارتر امکان توقف نرم و کنترل شده در صورت نیاز (پمپ و کانوایر) وجود نداره.

و نهایتا اینکه در کاربری هایی که نیاز به تغییر سرعت وجود نداره، سافت استارتر یک راه انداز بهتر در مقایسه با راه اندازی ستاره مثلث و از سوی دیگر با هزینه مناسب تر در مقایسه با اینورتر (درایو) می باشد.

به دوستانی که علاقه دارند پیشنهاد میکنم مطلب پاسخ به سوالات رایج درباره سافت استارتر رو هم مطالعه کنند. اونجا اطلاعات و جزئیات بیشتری درباره سافت استارتر گفته شده.

راه اندازی با دستگاه کنترل دور موتور (اینورتر)

تقریبا تمامی روش های راه اندازی موتور سه فاز (به جز روش راه اندازی تک ضرب یا DOL) برمبنای کاهش ولتاژ عمل می کنند و همانطور که می دانیم رابطه بین گشتاور و جریان با ولتاژ بصورت زیر است:

Istart ∝ (Voltage) ²

Tstart ∝ (Voltage) ²

لذا در صورت کاهش ولتاژ، جریان راه اندازی و گشتاور راه اندازی هم کاهش پیدا می کنند.

اما اینورتر (VFD یا VSD) بر این مبنا کار نمی کنه. درایو فرکانس برق اعمالی به الکتروموتور سه فاز رو به تدریج از 0 تا مقدار نامی افزایش میده و بدین صورت سرعت الکتروموتور کاملا نرم بالا میره تا برسه به سرعت نهایی. البته هم‌زمان با تغییر فرکانس، ولتاژ اعمالی رو هم متناسبا تغییر میده. (لذا به یه بیان غیردقیق میشه گفت الکتروموتور از همون لحظه استارت تحت ولتاژ نامی هستش! پس از همون لحظه استارت، گشتاور راه اندازی و جریان راه اندازی به اندازه مقادیر نامی اند)

البته معمولا قطعات اینورتر جوری انتخاب میشن که در بارهای سنگین تا ۱.۵ برابر جریان نامی رو هم موقع راه اندازی تحمل کنند که در این صورت گشتاور راه اندازی ۱.۵ برابر گشتاور نامی خواهد بود.

البته خب میدونیم این قابلیت تغیر فرکانس در اینورتر صرفا برای راه اندازی الکتروموتور طراحی نشده. بلکه در اصل برای تنظیم سرعت الکتروموتور طراحی شده. لذا بخاطر قیمت بالا و تولید هارمونیک این دستگاه در مقایسه با سافت استارتر، در کارهایی که نیاز به تغییر دور نداریم استفاده از اینورتر صرفا برای استپ/استارت الکتروموتور از نظر هزینه و پیچیدگی معقول نیست.

طبیعتا همانند سافت استارت در اینجا هم در صورت نیاز به توقف نرم الکتروموتور 3 فاز(در پمپ و نوار نقاله) به راحتی اینورتر این کار رو انجام میده.

در شکل زیر مقایسه ای بین جریان های راه اندازی روش های مختلف آورده شده.

جدول مقایسه روش های راه اندازی الکتروموتور سه فاز

در اینجا برای جمع بندی، مهمترین فاکتور های مطرح شده در مقاله را برای روش های مختلف راه اندازی، بصورت جدول در زیر مقایسه کرده ایم. البته عرض شود که اطلاعات جدول زیر بصورت مقایسه ای و کلی مد نظر هستند. یعنی ممکنه بر حسب برند محصول، نوع کاربری، شرایط بار و … تفاوت هایی ایجاد شود. پس لطفا اطلاعات جدول را مطلق فرض نکنید!

و نهایتا اینکه

راه اندازی موتور سه فاز توسط استارتر های الکترونیکی هرسال در حال تکامل و گسترش هستند؛ هرچند روشهای سنتی مثل ستاره مثلث همچنان بخاطر بحث اقتصادی و سادگی همچنان جایگاه خودشون رو دارند. در این مطلب بنده فقط به روش هایی پرداختم که بیشتر استفاده میشه. ولی با این حال روش ها و تکنیک های راه اندازی الکتروموتور 3 فاز گسترده تر از مباحث فوق هستش و در فرصت های آتی -به شرط حیات- به برخی دیگر از زوایای این بحث می پردازم.

شما به این مقاله چه امتیازی می‌دهید؟ 😊