بررسی تخصصی و مهندسی مدار داخلی سافت استارتر. تحلیل عملکرد تریستورها، مدار بای پس، هیت سینک و برد فرمان. راهنمای کامل فنی برای مهندسان برق و مدیران فنی.
در دنیای مدرن صنعت، جایی که موتورهای الکتریکی غول پیکر چرخ های تولید را می چرخانند، نحوه راه اندازی این موتورها مرز باریک میان بهره وری بالا و خرابی های پرهزینه است. شاید شما به عنوان یک مهندس برق یا مدیر فنی، بارها با جعبه ای به نام “سافت استارتر” سر و کار داشته اید.
اما آیا تا به حال از خود پرسیده اید که در مدار داخلی سافت استارتر چه می گذرد؟ چگونه این تجهیز الکترونیکی می تواند ولتاژ عظیم سه فاز را رام کند و موتوری چند صد کیلوواتی را بدون کوچکترین لرزشی به حرکت درآورد؟ درک عمیق مدار داخلی این تجهیز، هم دانش مهندسی شما را ارتقا می دهد، هم در عیب یابی، تعمیر و نگهداری خطوط تولید نیز به شما قدرتی مضاعف می بخشد.
ما در شرکت مبین نیرو، به عنوان تامین کننده تخصصی تجهیزات برق صنعتی و نماینده رسمی برندهای پیشرویی مانند اشنایدر الکتریک و تکو (TECO)، معتقدیم که فروش پایان کار نیست، بلکه آغاز یک تعهد فنی است. ما روزانه با سوالات پیچیده ای درباره ساختار داخلی و تعمیرات این تجهیزات روبرو هستیم. به همین دلیل، تصمیم گرفتیم در این مقاله جامع، درب این جعبه سیاه را باز کنیم و نگاهی دقیق به قطعات، معماری و منطق عملکردی آن بیندازیم.
اطلاعات تماس و دسترسی:
برای مهندسانی که به دنبال درک سریع و لب کلام هستند، باید گفت که مدار داخلی سافت استارتر بر پایه تکنولوژی “الکترونیک قدرت” و استفاده از قطعات نیمه هادی بنا شده است. برخلاف کنتاکتورها که قطعاتی مکانیکی هستند، سافت استارتر هیچ قطعه متحرکی در بخش قدرت خود برای کنترل ولتاژ ندارد.
قلب اصلی این مدار، آرایش تریستورهای موازی معکوس (Back-to-Back Thyristors) یا همان SCRها است. در یک سافت استارتر کامل سه فاز، ما ۶ عدد تریستور داریم (دو عدد برای هر فاز) که به صورت موازی اما در جهت مخالف هم بسته شده اند. این آرایش به جریان متناوب (AC) اجازه می دهد تا در هر دو نیم سیکل مثبت و منفی عبور کند.
اما جادو کجا اتفاق می افتد؟ در زاویه آتش (Firing Angle). یک برد الکترونیکی هوشمند (میکروپروسسور)، به گیت این تریستورها فرمان می دهد که در چه لحظه ای از موج سینوسی روشن شوند. با تاخیر در روشن کردن تریستورها (تغییر زاویه آلفا)، سافت استارتر بخشی از موج ولتاژ را “برش” می دهد. در نتیجه، ولتاژ موثر (RMS) که به موتور می رسد، کاهش می یابد. این کاهش ولتاژ باعث کاهش جریان هجومی و گشتاور راه اندازی می شود. برای درک بهتر کاربرد این تکنولوژی در صنعت، پیشنهاد می کنیم ابتدا مقاله پایه ای سافت استارتر چیست را مطالعه کنید تا با اصول اولیه آن آشنا شوید.
اجزای کلیدی در یک نگاه:
همانطور که اشاره شد، تریستور یا یکسوساز کنترل شده سیلیکونی (SCR)، اصلی ترین قطعه در مدار داخلی سافت استارتر است. تریستور مانند یک “شیر الکترونیکی” عمل می کند. تا زمانی که به پایه گیت (Gate) آن فرمانی نرسد، جریان را عبور نمی دهد. و زمانی که روشن شد، تا وقتی جریان عبوری صفر نشود (که در برق AC در هر سیکل اتفاق می افتد)، روشن می ماند.
چرا در هر فاز دو تریستور داریم؟ چون تریستور ذاتا یک قطعه یک طرفه است (مثل دیود). اگر فقط یکی بگذاریم، نصف موج سینوسی حذف می شود و جریان DC به موتور می رسد که باعث ترمز و لرزش شدید می شود. با بستن دو تریستور به صورت معکوس، هم نیم سیکل مثبت و هم منفی پوشش داده می شوند.
در مدل های ارزان قیمت تر (معمولا توان پایین)، ممکن است فقط روی دو فاز از سه فاز، تریستور قرار دهند (مدل های Two-Phase Controlled). در این حالت فاز سوم مستقیما به موتور وصل است. این روش ارزان تر است اما تعادل جریانی کمتری دارد. اما در مدل های صنعتی و سنگین کار که شرکت مبین نیرو عرضه می کند (مانند محصولات اشنایدر و تکو)، معمولا کنترل روی هر سه فاز انجام می شود.
اگر تریستورها عضله باشند، برد کنترل مغز است. این برد وظایف حیاتی زیر را در مدار داخلی سافت استارتر بر عهده دارد:
کیفیت قطعات روی این برد تعیین کننده عمر سافت استارتر است. در برندهای معتبر، این بردها دارای پوشش محافظ (Coating) هستند تا در برابر رطوبت و غبار صنعتی مقاوم باشند.
یکی از بخش های کمتر شناخته شده اما حیاتی در مدار داخلی سافت استارتر، مدار اسنابر است. تریستورها به شدت به تغییرات ناگهانی ولتاژ (dv/dt) حساس هستند. نویزهای شبکه یا ولتاژهای برگشتی از سمت موتور می توانند باعث روشن شدن ناخواسته یا حتی سوختن تریستور شوند.
مدار اسنابر که معمولا ترکیبی از یک مقاومت و یک خازن (RC) است، به صورت موازی با هر تریستور بسته می شود. وظیفه این مدار، جذب انرژی های لحظه ای و نوسانات ولتاژ است تا تریستور در امان بماند. خرابی این مدار کوچک می تواند منجر به انفجار تریستورهای گران قیمت شود.
این بخش یکی از مهم ترین مفاهیم در مدار داخلی سافت استارتر است. تریستورها وقتی جریان را عبور می دهند، مقداری افت ولتاژ دارند (حدود 1 تا 1.5 ولت). این افت ولتاژ در جریان های بالا باعث تولید حرارت بسیار زیاد می شود.
مثال: اگر جریانی معادل 100 آمپر از سافت استارتر بگذرد، حدود 150 وات گرما در هر فاز تولید می شود! دفع این گرما نیاز به فن های بزرگ و هیت سینک های غول پیکر دارد.
برای حل این مشکل، از سیستم بای پس استفاده می شود.
انواع بای پس:
در داخل مدار سافت استارتر، معمولا روی هر فاز یا حداقل دو فاز، ترانس جریان (CT) وجود دارد. این CT ها جریان عبوری را لحظه به لحظه اندازه می گیرند و به برد کنترل می فرستند. این اطلاعات برای حفاظت های زیر استفاده می شود:
تمام قطعات الکترونیک قدرت (تریستورها) روی یک قطعه آلومینیومی بزرگ به نام هیت سینک (Heat Sink) سوار می شوند. خمیر سیلیکون بین تریستور و هیت سینک، انتقال حرارت را تسهیل می کند. فن ها نیز وظیفه دارند هوای خنک را از بین پره های هیت سینک عبور دهند. یکی از دلایل اصلی خرابی مدار داخلی سافت استارتر، گرفتگی فن ها یا کثیف شدن هیت سینک در محیط های پر گرد و غبار (مثل کارخانه سیمان) است که باعث بالا رفتن دمای تریستور و سوختن آن می شود.
در مدل های قدیمی تر یا ارزان قیمت (آنالوگ)، تنظیمات زاویه آتش و زمان راه اندازی توسط پتانسیومترهای روی برد (ولوم های چرخشی) انجام می شد. مدار فرمان این مدل ها ساده تر و بر پایه آپ امپ ها (Op-Amps) بود. اما در مدل های دیجیتال امروزی، یک پردازنده مرکزی (CPU) تمام کارها را انجام می دهد. این مدل ها دارای نمایشگر هستند و پارامترها به صورت عددی تنظیم می شوند. مزیت مدل دیجیتال، دقت بسیار بالاتر و امکان پیاده سازی الگوریتم های پیچیده مثل “کنترل گشتاور” است که در پمپ ها برای جلوگیری از ضربه قوچ حیاتی است.
بسیاری از افراد این دو تجهیز را اشتباه می گیرند. تفاوت اصلی در مدار داخلی آنهاست:
اگر نیاز به کنترل سرعت دارید، سافت استارتر کارایی ندارد و باید به سراغ اینورتر بروید. برای مطالعه دقیق تر درباره ساختار اینورترها، مقاله اینورتر چیست و چه کاربردی دارد را مطالعه نمایید.
وقتی سافت استارتر خطای داخلی (Internal Fault) می دهد، معمولا به یکی از دلایل زیر است:
در صورت بروز خرابی، اگر دانش کافی ندارید، هرگز اقدام به باز کردن دستگاه نکنید. ولتاژهای خطرناک حتی پس از قطع برق ممکن است در خازن های اسنابر وجود داشته باشد.
در طراحی مدار داخلی سافت استارتر، کیفیت قطعات نیمه هادی حرف اول را می زند. برندهای متفرقه از تریستورهای ضعیف استفاده می کنند که تحمل جریان هجومی را ندارند.
شرکت مبین نیرو با ارائه این برندها، کیفیت مدار داخلی و طول عمر تجهیزات شما را تضمین می کند. برای یادگیری بیشتر در مورد نحوه انتخاب و کار با این تجهیزات، بخش اموزش اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق در سایت ما منابع ارزشمندی را در اختیار شما قرار می دهد.
بله، در مدل های توان بالا (معمولا بالای 50 کیلووات) تریستورها به صورت ماژول های جداگانه (semipack) هستند و قابل تعویض اند. اما در مدل های کوچک، معمولا روی برد لحیم شده اند و تعمیر آن دشوار است.
خیر، مدار داخلی سافت استارتر فقط ولتاژ را کنترل می کند. فرکانس خروجی همیشه برابر با فرکانس ورودی (50 یا 60 هرتز) است.
وریستورها مقاومت های وابسته به ولتاژ هستند که در ورودی مدار برای حفاظت در برابر رعد و برق و شوک های ولتاژ شبکه (Surge) قرار می گیرند تا برد کنترلی نسوزد.
از نظر فنی بله، اما توصیه نمی شود. بدون بای پس، تریستورها دائم زیر بار هستند، به شدت داغ می شوند و عمرشان کم می شود. همچنین مصرف برق به دلیل تلفات حرارتی بالا می رود.
در مدل 2 فاز، فقط روی دو فاز تریستور وجود دارد و فاز سوم مستقیم است. مدار داخلی ساده تر و ارزان تر است اما عدم تعادل جریان کمی ایجاد می کند. مدل 3 فاز کامل ترین و نرم ترین راه اندازی را دارد.
اگر نویز شبکه یا هارمونیک ها زیاد باشد، مدار RC اسنابر انرژی زیادی جذب می کند و داغ می شود. داغ شدن بیش از حد نشانه کیفیت بد توان شبکه است.
بله، اکثر سافت استارترهای صنعتی ترمینال های A1 و A2 دارند که باید برق 220 ولت یا 24 ولت (بسته به مدل) برای روشن شدن برد فرمان به آن ها وصل شود.
بله، به دلیل برش موج ولتاژ توسط تریستورها، هارمونیک تولید می شود. اما چون سافت استارتر فقط چند ثانیه در مدار است (و بعد بای پس می شود)، این هارمونیک ها در شبکه مشکلی ایجاد نمی کنند.
فن ها با فرمان برد کنترل و بر اساس دمای هیت سینک روشن می شوند. کارکرد صحیح فن برای خنک ماندن تریستورها در لحظه استارت های مکرر حیاتی است.
ترایاک در واقع دو تریستور موازی معکوس در یک پکیج است. در توان های پایین ممکن است از ترایاک استفاده شود، اما در توان های صنعتی بالا، به دلیل دفع حرارت بهتر، همیشه از دو تریستور مجزا (SCR) استفاده می شود.
شناخت مدار داخلی سافت استارتر به ما نشان می دهد که این تجهیز یک جعبه ساده نیست، بلکه مجموعه ای پیچیده از الکترونیک قدرت، سیستم های کنترلی و حفاظتی است. تفاوت قیمت بین برندهای معتبر و مدل های متفرقه، دقیقاً در کیفیت همین تریستورها، طراحی برد فرمان و سیستم بای پس نهفته است.
وقتی شما برندی مانند اشنایدر یا تکو را از مبین نیرو تهیه می کنید، در واقع روی کیفیت مهندسی داخلی آن سرمایه گذاری می کنید. سرمایه گذاری که نتیجه آن کاهش توقف های خط تولید، افزایش عمر موتورها و آسودگی خیال تیم فنی شماست.
ما در مبین نیرو آماده ایم تا با دانش فنی خود، شما را در انتخاب، نصب و عیب یابی این تجهیزات یاری کنیم. صنعت جای آزمون و خطا نیست؛ با انتخاب تجهیزات اصیل، پایه های تولید خود را محکم کنید. برای کسب اطلاعات بیشتر و بررسی دقیق تر محصولات، حتما به وب سایت ما سر بزنید و یا با کارشناسان ما تماس بگیرید.
برای مطالعه بیشتر درباره استانداردهای قطعات الکترونیک قدرت، می توانید به وب سایت IEEE Power Electronics Society مراجعه کنید.
اطلاعات تماس شرکت مبین نیرو رای:
