1. مقدمه ای بر درایوهای AC (درایوهای فرکانس متغیر) در قلمرو کنترل صنعتی مدرن یک......
بیشتر بخوانیدالف سافت استارتر ولتاژ متوسط یک دستگاه کنترل موتور الکترونیکی است که برای افزایش تدریجی ولتاژ ارائه شده به موتور القایی AC با ولتاژ متوسط در هنگام راه اندازی طراحی شده است، گشتاور شتاب را کنترل می کند و جریان هجومی را محدود می کند که در غیر این صورت هنگام استفاده از استارت مستقیم از طریق موتور و سیستم الکتریکی متصل می شود. ولتاژ متوسط در این زمینه به ولتاژهای تغذیه اطلاق می شود که معمولاً از 2.3 کیلو ولت تا 13.8 کیلو ولت متغیر است که محدوده عملیاتی موتورهای صنعتی بزرگ مورد استفاده در پمپ ها، کمپرسورها، فن ها، نوار نقاله ها، آسیاب ها و سایر تجهیزات سنگین موجود در صنایعی مانند نفت و گاز، معدن، تصفیه آب، تولید برق و سیمان را پوشش می دهد.
اصل کارکرد اصلی یک استارت نرم MV به جفت تریستورهای ضد موازی (SCR - یکسو کننده های کنترل شده با سیلیکون) متکی است که به صورت سری با هر فاز منبع تغذیه موتور متصل می شوند. با کنترل زاویه شلیک این تریستورها - یعنی نقطه دقیق هر چرخه ولتاژ AC که در آن تریستورها برای هدایت تحریک می شوند - استارت نرم افزار کنترل می کند که چه نسبتی از ولتاژ تغذیه در هر لحظه به موتور اعمال می شود. در ابتدای دنباله شروع، زاویه شلیک به گونه ای تنظیم می شود که ولتاژ اولیه پایینی را ارائه دهد، که هم گشتاور شروع و هم جریان هجومی را محدود می کند. با پیشروی شروع، زاویه شلیک به تدریج برای ارائه ولتاژ فزاینده پیش می رود تا زمانی که ولتاژ خط کامل اعمال شود و تریستورها بای پس شوند - چه به صورت داخلی توسط یک کنتاکتور بای پس داخلی و چه در خارج توسط یک مدار بای پس جداگانه - به موتور اجازه می دهد تا با راندمان کامل کار کند بدون اینکه تریستورها تلفاتی در مدار در حال کار ایجاد کنند.
زمانی که مقیاس نیروهای الکتریکی و مکانیکی دخیل در راه اندازی موتورهای MV بزرگ را در نظر بگیرید، مورد استفاده از استارت نرم موتور با ولتاژ متوسط به جای استارت مستقیم روی خط یا سایر روش های راه اندازی با ولتاژ کاهش یافته مشخص می شود. یک موتور القایی ولتاژ متوسط در محدوده 500 کیلووات تا چند مگاوات می تواند شش تا هشت برابر جریان بار کامل خود را در طول راه اندازی مستقیم بر روی خط بکشد - نوسانی که چندین ثانیه طول می کشد و فشار شدیدی را بر سیم پیچ های موتور، اجزای مکانیکی تجهیزات رانده شده و شبکه تامین برق تغذیه کننده موتور وارد می کند.
در یک شبکه برق ضعیف یا ایزوله - مانند یک سایت صنعتی از راه دور، یک سکوی فراساحلی، یا یک تاسیسات تامین شده توسط تولید اختصاصی - این افزایش جریان باعث کاهش قابل توجه ولتاژ می شود که بر سایر تجهیزات متصل به همان باس تأثیر می گذارد. در تاسیسات متصل به شبکه، رویدادهای شروع مکرر با هجوم زیاد به مشکلات کیفیت برق کمک میکند و ممکن است جریمههای شرکت یا محدودیتهای ظرفیت تامین را ایجاد کند. شوک مکانیکی مرتبط با گشتاور راهاندازی بالا در استارتهای مستقیم روی خط، سایش کوپلینگها، گیربکسها، محرکهای تسمه و خود بار را تسریع میکند و فرکانس تعمیر و نگهداری و هزینههای خرابی برنامهریزی نشده را در طول عمر تجهیزات افزایش میدهد.
سافت استارترهای ولتاژ متوسط هر دو مشکل را به طور همزمان برطرف می کنند. با کنترل رمپ ولتاژ در هنگام استارت، اوج جریان هجومی را به مضربی قابل برنامه ریزی از جریان بار کامل محدود می کنند - معمولاً 2.5 تا 4 برابر جریان بار کامل به جای 6 تا 8 بار - و گشتاور را به طور تدریجی به پیشرانه مکانیکی اعمال می کنند و بار ضربه ای مربوط به راه اندازی از سراسر خط را حذف می کنند. برای انواع بارهای خاص - به ویژه پمپ های گریز از مرکز و فن ها - یک عملکرد توقف نرم کنترل شده به همان اندازه ارزشمند است که به موتور اجازه می دهد به جای توقف ناگهانی به آرامی سرعت خود را کاهش دهد، که از چکش آب در سیستم های خط لوله جلوگیری می کند و استرس مکانیکی را در طول کاهش سرعت کاهش می دهد.
همه سافت استارترهای ولتاژ متوسط یکسان ساخته نمی شوند و تفاوت در توپولوژی داخلی و رویکرد طراحی پیامدهای عملی برای عملکرد، پیچیدگی نصب، اعوجاج هارمونیک و مناسب بودن برای کاربردهای مختلف دارد. درک تنظیمات اصلی به مهندسان کمک می کند تا محصول مناسب را برای نیازهای خود مشخص کنند.
سرراست ترین توپولوژی استارت نرم MV، جفت های تریستور را مستقیماً با هادی های منبع تغذیه موتور در سمت ولتاژ متوسط، با یک کنتاکتور بای پس که به محض رسیدن موتور به سرعت کامل، تریستورها را اتصال کوتاه می کند، به صورت سری قرار می دهد. این پیکربندی درون خطی از نظر مکانیکی ساده و مستقیم از نظر الکتریکی است، اما به تریستورها، مدارهای درایو گیت و اجزای حفاظتی مربوطه نیاز دارد که برای ولتاژ متوسط کامل درجه بندی شوند - که پیچیدگی و هزینه پشته برق را افزایش می دهد، به ویژه در ولتاژهای بالاتر از 6 کیلو ولت که در آن پشته های تریستور متصل به سری یا دستگاه های تریستور ولتاژ بالا مورد نیاز است. سافت استارترهای درون خطی MV به خوبی در بازار تثبیت شده اند و پیکربندی غالب برای ولتاژهای تا حدود 6.6 کیلو ولت هستند.
توپولوژی اتصال مثلث داخلی، ماژولهای تریستور ولتاژ پایینتر را در داخل سیمپیچهای مثلث یک موتور متصل به مثلث قرار میدهد تا در خطوط تغذیه اصلی. از آنجایی که ولتاژ در هر سیم پیچ یک موتور متصل به مثلث، ولتاژ فاز است نه ولتاژ خط، تریستورها در آرایش مثلث داخلی فقط باید کسری از ولتاژ کامل خط به خط را کنترل کنند - به ویژه 1/√3 ولتاژ خط. این امکان استفاده از دستگاههای تریستور کم ولتاژ و کمهزینه را فراهم میکند و در عین حال کنترل کامل موتور را فراهم میکند. توپولوژی مثلث داخلی همچنین منجر به اعوجاج هارمونیک کمتری در شبکه تغذیه در مقایسه با یک اتصال کامل درون خطی می شود، زیرا سوئیچینگ تریستور به جای اینکه مستقیماً روی خط باشد در داخل موتور رخ می دهد. محدودیت این است که این توپولوژی فقط برای موتورهای متصل به مثلث قابل استفاده است و برای اتصال داخلی نیاز به دسترسی به جعبه ترمینال موتور دارد.
برخی از طرحهای استارت نرم MV از یک ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش ولتاژ متوسط به سطح پایینتری استفاده میکنند که در آن میتوان از فناوری تریستور ولتاژ پایین استاندارد استفاده کرد، با ولتاژ کنترل و سپس از طریق یک ترانسفورماتور سری قبل از اعمال به موتور، مجدداً افزایش مییابد. این رویکرد از بلوغ و مقرون به صرفه بودن فناوری تریستور ولتاژ پایین استفاده می کند، اما ترانسفورماتورهای اضافی اندازه، وزن، هزینه و تلفات توان را در مقایسه با طرح های تریستور MV مستقیم اضافه می کنند. معماریهای مبتنی بر ترانسفورماتور در نسلهای قبلی نرمافزارهای MV رایجتر بودند و در طرحهای محصول فعلی کمتر رایج بودند، اگرچه مزیتهای کاربردی را در سناریوهای تخصصی خاص حفظ میکنند.
تعیین یک سافت استارتر با ولتاژ متوسط برای یک برنامه کاربردی مستلزم درک مجموعه ای از پارامترهای فنی است که هم قابلیت دستگاه و هم سازگاری آن را با موتور و سیستمی که کنترل می کند تعریف می کند. مشخصات زیر مهمترین موارد برای ارزیابی و مقایسه در بین محصولات مختلف است.
| مشخصات | محدوده / مقادیر معمولی | آنچه را تعیین می کند |
| رتبه بندی ولتاژ | 2.3 کیلو ولت، 3.3 کیلو ولت، 4.16 کیلو ولت، 6 کیلو ولت، 6.6 کیلو ولت، 10 کیلو ولت، 11 کیلو ولت، 13.8 کیلو ولت | باید دقیقاً با ولتاژ موتور و منبع تغذیه مطابقت داشته باشد |
| محدوده قدرت موتور | 200 کیلو وات - 20000 کیلو وات | اندازه موتورهایی را که واحد می تواند کنترل کند را تعیین می کند |
| رتبه فعلی (FLC) | مطابق با جریان بار کامل موتور | ظرفیت حرارتی مداوم دستگاه |
| شروع حد فعلی | 2.0-4.5 × FLC (قابل برنامه ریزی) | حداکثر جریان هجومی در هنگام شروع |
| زمان افزایش سرعت | 2-120 ثانیه (قابل تنظیم) | مدت رمپ شتاب ولتاژ |
| در هر ساعت شروع می شود | 2 تا 6 شروع در ساعت معمولی | قابلیت چرخه وظیفه حرارتی |
| توابع حفاظتی | اضافه بار، افت فاز، خطای تریستور، زیر/اضافه ولتاژ | پوشش حفاظتی موتور و سیستم |
| پروتکل های ارتباطی | Modbus RTU/TCP، Profibus، DeviceNet، Ethernet/IP | ادغام با سیستم های SCADA و DCS |
| کلاس محوطه | IP42، IP54، IP65 (وابسته به برنامه) | حفاظت از محیط زیست برای محل نصب |
| دور زدن پیکربندی | کنتاکتور بای پس داخلی یا پنل بای پس خارجی | راندمان در حال اجرا و محافظت از تریستور |
در حالی که یک سافت استارتر با ولتاژ متوسط از نظر تئوری می تواند برای هر کاربرد موتور بزرگ مفید باشد، موارد استفاده خاص بیشترین بازده سرمایه را دارند. درک اینکه کدام برنامهها قویترین نامزدها هستند، به اولویتبندی مکانهایی که شروعکنندههای نرمافزار MV باید نسبت به روشهای راهاندازی سادهتر مشخص شوند، کمک میکند.
کاربردهای پمپ گریز از مرکز یکی از قویترین موارد استفاده برای راهاندازهای نرم ولتاژ متوسط، به ویژه در کاربردهای تامین آب، آبیاری، خط لوله و صنعت فرآیند است. ترکیبی از شتاب کنترلشده برای محدود کردن جریان هجومی و کاهش سرعت کنترلشده برای جلوگیری از چکش آب، استارتهای نرم MV را به راهحل اولیه ترجیحی برای سیستمهای پمپاژ بزرگ که در آن گذرا فشار خط لوله نگرانکننده است، تبدیل میکند. توقف ناگهانی پمپ با قطع برق موتور در حین کار با سرعت کامل، موج فشاری ایجاد می کند که از طریق خط لوله عبور می کند و می تواند باعث از کار افتادن اتصالات لوله، آسیب دیدن صندلی های سوپاپ، یا در موارد شدید، پارگی خط لوله شود. یک عملکرد توقف نرم که باعث کاهش سرعت پمپ در یک دوره زمانی قابل برنامه ریزی می شود، این خطر را به طور کامل حذف می کند.
فنهای گریز از مرکز بزرگ و فنهای جریان محوری - که در سیستمهای کشش اجباری و کشش القایی نیروگاهها، تهویه معدن، تهویه تونلی و سیستمهای هوای فرآیند صنعتی استفاده میشوند - دارای مجموعههای چرخشی با گشتاورهای اینرسی بسیار بالا هستند. راهاندازی این بارها در سراسر خط منجر به کشش جریان زیاد طولانیمدت میشود زیرا موتور یک روتور و پروانه سنگین را از حالت سکون به سرعت کامل شتاب میدهد و باعث ایجاد تنش حرارتی طولانی بر سیمپیچهای موتور و کاهش قابل توجه ولتاژ در شین منبع تغذیه میشود. راهاندازهای نرم ولتاژ متوسط اجازه میدهند تا جریان راهاندازی در طول دوره شتاب، بدون توجه به مدت زمانی که این شتاب طول میکشد، به سطح ایمن بسته شود و از موتور و سیستم تغذیه حتی در طولانیترین توالی راهاندازی محافظت میکند.
کمپرسورهای گاز، کمپرسورهای هوا و کمپرسورهای تبرید، بسته به نوعشان، طیف وسیعی از چالشهای راهاندازی را ارائه میکنند. کمپرسورهای سانتریفیوژ و محوری از نظر خصوصیات راه اندازی مشابه فن ها عمل می کنند. کمپرسورهای رفت و برگشتی ممکن است نیازمندیهای گشتاور جدایی بالایی داشته باشند که باید از طریق برنامهریزی دقیق پارامتر راهانداز نرم برای اطمینان از وجود گشتاور راهاندازی کافی و در عین حال محدود کردن جریان، مورد توجه قرار گیرند. کمپرسورهای اسکرو معمولاً برای راه اندازی نرم مناسب هستند. در تمام کاربردهای کمپرسور، توانایی تعیین یک دنباله شروع دقیق کنترل شده - به جای تکیه بر ویژگی های غیرقابل پیش بینی شروع مستقیم یا اتوترانسفورماتور - یک مزیت قابل توجه از نظر قابلیت اطمینان فرآیند و کیفیت توان است.
آسیاب های گلوله ای، آسیاب های SAG، سنگ شکن ها و محرک های نوار نقاله در معدن و فرآوری مواد معدنی، برخی از پرتقاضاترین کاربردهای راه اندازی موتور را در هر صنعتی نشان می دهند. این بارها ترکیبی از اینرسی بسیار بالا، الزامات گشتاور جدایی قابل توجه و نیاز به راه اندازی مکرر در برخی از تنظیمات، همراه با این واقعیت است که خرابی در مکان های استخراج از راه دور از نظر هزینه تعمیر و تولید از دست رفته بسیار گران است. استارتهای نرم MV که در کاربردهای معدن استفاده میشوند، معمولاً با عملکردهای حفاظتی پیشرفته، رتبهبندی چرخه کاری بالاتر، و ساختار قوی مناسب برای محیطهای گرد و غبار و لرزان مشخص میشوند. توانایی برنامهریزی مشخصات گشتاور دقیق در حین شروع - از جمله یک پالس شروع برای شکستن اصطکاک استاتیک قبل از رمپ اصلی - ویژگیای است که به ویژه برای کاربردهای آسیاب و سنگ شکن ارزشمند است.
موتورهای پمپ فشار بالا در کارخانههای نمکزدایی اسمز معکوس، ایستگاههای پمپ بالابر آب دریا و تأسیسات بزرگ تصفیه آب اغلب از تابلوهای برق متوسط اختصاصی که در آن پایداری ولتاژ حیاتی است، کار میکنند. یک شروع پمپ بزرگ که باعث افت ولتاژ قابل توجهی می شود، می تواند تجهیزات فرآیند حساس را در همان گذرگاه از کار بیاندازد، و باعث ایجاد زنجیره ای از اختلالات در فرآیند شود که بازیابی آنها پرهزینه است. سافت استارترهای ولتاژ متوسط با کنترل دقیق محدود کننده جریان، راه حل استاندارد برای مدیریت راه اندازی پمپ در این محیط ها بدون ایجاد بی ثباتی در سیستم الکتریکی هستند.
الف medium-voltage soft starter is not the only way to start a large MV motor, and the decision to use one should be made with a clear understanding of how it compares to the available alternatives across the dimensions that matter most for the specific application.
| روش شروع | جریان هجومی | راه اندازی کنترل گشتاور | توقف نرم | هزینه سرمایه | کنترل سرعت |
| مستقیم بر روی خط (DOL) | 600-800٪ FLC | هیچ کدام | خیر | پایین ترین | خیر |
| الفutotransformer | 300-400٪ FLC | محدود (شیرهای ثابت) | خیر | متوسط | خیر |
| استارت رآکتور (امپدانس). | 300-500٪ FLC | محدود | خیر | متوسط | خیر |
| سافت استارتر ام وی | 250-400% FLC (قابل برنامه ریزی) | دقیق، پیوسته | بله | متوسط-High | خیر (start/stop only) |
| درایو فرکانس متغیر MV | 100-150٪ FLC | کامل، دقیق | بله | بالاترین | سرعت متغیر کامل |
مقایسه بالا روشن می کند که یک استارت نرم ولتاژ متوسط در سلسله مراتب روش راه اندازی موقعیت کاملاً تعریف شده ای را اشغال می کند - به طور قابل توجهی محدودیت جریان و کنترل گشتاور بهتری را نسبت به روش های مکانیکی ولتاژ کاهش یافته با کسری از هزینه یک درایو فرکانس متغیر ولتاژ متوسط کامل ارائه می دهد. برای کاربردهایی که عملیات سرعت متغیر در حین اجرا مورد نیاز نیست و نیازهای اولیه محدودیت جریان هجومی، گشتاور راهاندازی کنترلشده و قابلیت توقف نرم است، یک راهانداز نرم MV معمولاً از نظر فنی و اقتصادی راهحل بهینه است.
واحدهای استارت نرم ولتاژ متوسط مدرن دارای عملکردهای حفاظتی جامع موتور و سیستم هستند که قبلاً به پانل های حفاظتی رله جداگانه نیاز داشتند. این ادغام حفاظت در سیستم کنترل استارتر نرم، تعداد کلی اجزا را کاهش می دهد و طراحی مرکز کنترل موتور را ساده می کند و در عین حال حفاظت هماهنگی را ارائه می دهد که همیشه از وضعیت کار موتور آگاه است.
استقرار موفقیت آمیز یک استارت نرم ولتاژ متوسط نیاز به توجه دقیق به الزامات نصب، رویه های راه اندازی و شیوه های تعمیر و نگهداری مداوم دارد. درست کردن این جنبه ها به اندازه انتخاب مشخصات صحیح محصول مهم است.
استارترهای نرم MV گرما را از طریق تریستورها و مدارهای مربوطه در طول توالی استارت پراکنده می کنند و خنک سازی کافی برای عملکرد مطمئن ضروری است. اکثر واحدها از خنککننده هوای اجباری با فنهای داخلی استفاده میکنند و محیط نصب باید هوای خنک و کافی را تامین کند - یا از طریق تهویه باز در یک محیط تمیز یا از طریق یک سیستم خنککننده اختصاصی در محیطهای گرد و غبار یا تهاجمی. دمای محیط اتاق سوئیچ معمولاً برای تجهیزات دارای رتبه استاندارد باید کمتر از 40 درجه سانتیگراد باشد و برای نصب در دماهای محیطی بالاتر یا ارتفاعات قابل توجه، درجه بندی درجه بندی لازم است. وزن و ابعاد مجموعههای راهانداز نرم MV - که میتواند برای واحدهای پرقدرت قابل توجه باشد - باید در طراحی ساختاری مرکز کنترل موتور یا اتاق سوئیچ در نظر گرفته شود.
راه اندازی صحیح راه اندازی نرم افزار MV برای دستیابی به مزایای مورد نظر و جلوگیری از سفرهای مزاحم یا محافظت ناکافی بسیار مهم است. فرآیند راه اندازی شامل تنظیم پارامترهای پلاک موتور - ولتاژ، جریان، توان و رتبه سرعت - است که خط پایه را برای همه محاسبات حفاظتی تعریف می کند. پارامترهای راه اندازی از جمله ولتاژ اولیه، حد جریان، و زمان رمپ باید برای مطابقت با مشخصه گشتاور-سرعت واقعی بار تنظیم شوند، که ممکن است نیاز به تنظیم تکراری در چندین شروع آزمایشی داشته باشد. تنظیمات رله حفاظتی - به ویژه کلاس اضافه بار، آستانه عدم تعادل فاز و تایمر استال - باید با مهندس حفاظت سیستم هماهنگ شود تا از تبعیض مناسب با دستگاه های حفاظت بالادست اطمینان حاصل شود.
استارتهای نرم ولتاژ متوسط عموماً دستگاههای قابل اعتمادی هستند که در مقایسه با تجهیزات راهاندازی مکانیکی نیاز به تعمیر و نگهداری نسبتاً متوسطی دارند، اما یک برنامه تعمیر و نگهداری پیشگیرانه ساختاریافته برای اطمینان از قابلیت اطمینان طولانیمدت در کاربردهای حیاتی ضروری است. فعالیتهای تعمیر و نگهداری کلیدی شامل بازرسی و تمیز کردن سالانه مسیرهای تهویه و عملکرد فن خنککننده، بازرسی دورهای اتصالات کابل MV برای نشانههای تنش حرارتی یا شل شدن، آزمایش عملکردی عملکرد رله حفاظتی با استفاده از تزریق ثانویه یا حالتهای تست، تأیید عملکرد کنتاکتور بایپس و وضعیت تماس، و بررسی گزارش رویداد برای هر گونه رویداد ثبتشده که ممکن است نشان دهنده بروز خطا یا مشکلی باشد.
گردآوری تمام ملاحظات فنی مورد بحث در بالا در یک فرآیند انتخاب منسجم نیازمند یک رویکرد ساختاریافته است. چک لیست زیر مهم ترین سوالاتی را که باید قبل از نهایی کردن مشخصات استارت نرم MV پاسخ دهید را پوشش می دهد.