شرح السوفت ستارتر Soft Starter بالتفصيل

تتعدد الطرق التي يتم بواسطتها التحكم في آلية اقلاع المحركات الحثية بهدف تجنب مخاطر تيار البدء العالي، ومن هذه الطرق: دائرة ستار دلتا، VFD، soft starter، ولكلٍ منها مميزاتها وعيوبها وفي هذا المقال شرح لجهاز الـ soft starter، الاسم الشائع له بالعربي (سوفت ستارتر) وهناك من يسميه جهاز التشغيل الناعم.

ما هو السوفت ستارتر soft starter؟

السوفت ستارتر أو التشغيل الناعم (soft starter) هو جهاز يعمل على التحكم في بدأ تشغيل المحرك الكهربائي الكترونيًا وذلك بالتحكم بالجهد حيث يعمل على زيادة الجهد تدريجيًا من الصفر حتى يصل إلى قيمته الكاملة بشكل تدريجي خلال فترة زمنية محددة، بهدف تقليل الضغط الميكانيكي على المحرك من خلال السماح له بالتسارع التدريجي لفترة من الوقت.

يعمل جهاز سوفت ستارتر على الحد من تيار بدء المحرك وعزم البدء عن طريق زيادة تدريجية (ramping) للجهد المطبق على المحرك أثناء بدء تشغيل المحرك. يتم استخدامه بشكل شائع في العمليات التي تتطلب بدء تشغيل وإيقاف سلس للمحركات وآلات الجر. يمكن ضبط زمن تزايد الجهد بالكامل، عادةً من 2 إلى 30 ثانية. نتيجة لذلك يمكن الحد من تيار البدء العالي إلى 2 – 4 أضعاف من تيار الحمل الكاملة.

حيث أنه يعمل على خفض جهد المحرك وبالتالي فإن تيار وعزم بدء المحرك يكونا منخفضين أيضًا، اذ أن تزايد العزم التدريجي يمكن التحكم به بتزويد الحمل بالعزم المتناسب حسب حاجته مما يقلل من الصيانة الميكانيكية للمحرك وناقلات الحركة المتصلة به. كما أن بعض أنواعها يحتوي على ميزة التوقف الناعم (soft stop) عند فصل مصدر الجهد مما يجنب الكثير من التطبيقات خطر الأعطال الميكانيكية التي تنتج عن التوقف المفاجئ عند فصل جهد المصدر.

يبين الشكل في الأعلى مقارنة بين التيار والسرعة لحظة البدء عند التوصيل المباشر، والتوصيل عن طريق ستار دلتا، والتوصيل عن طريق سوفت ستارتر.

مكونات جهاز السوفت ستارتر

يتكون الـ softstarter من عدد قليل من المكونات الرئيسية هي: الثايرستور التي يمكنها تنظيم الجهد الكهربائي للمحرك، ولوحة الدوائر المطبوعة (PCB) التي تستخدم للتحكم في الثايرستور. بالإضافة إلى المشتت الحراري والمراوح لتبديد الحرارة، ومحولات التيار لقياس التيار، وأحيانًا شاشة عرض ولوحة مفاتيح ثم الغلاف. اعتمادًا على طراز الـ softstarter، بعض الأنواع تكون مزوده بأوفرلود حراري مدمج (EOL) مما يلغي الحاجة إلى توصيل اوفرلود خارجي.

فيما يأتي أهم وظائف أجزاء السوفت ستارتر الرئيسة

1- الثايرستور: جهاز الكتروني مصنوع من أشباه الموصلات يعمل كمفتاح الكتروني، يتم التحكم في قيمة الجهد والتيار الواصل إلى الحمل عن طريق التحكم في زاوية قدح الثايرستور firing angel.
2- الدائرة الالكترونية المطبوعة PCB: تستخدم للتحكم في زاوية قدح الثايرستور وأيضًا لحساب القدرة ومعامل القدرة وحفظ البيانات وتخزينها، وغيرها..
3- مبرد حراري والمروحة: يستخدم للتخلص من الحرارة الزائدة عند البدء وخلال التشغيل، وتعتمد على حجم الجهاز وفي بعض الأجهزة الصغيرة لا يوجد فيها مروحة
4- غطاء خارجي: يصنع عادة من البلاستك المقوى لحماية الأجزاء الداخلية للجهاز.

فكرة عمل السوفت ستارتر

يتكون الجهاز من مجموعة من الكروت الالكترونية و ذلك للتحكم بتشغيل المحرك. تتكون دوائر القوى من إثنين من الثايرستور في وضع متعاكس (Back to Back) يعرف أيضًا باسم (الترياك) متصل في كل فازه ويتم تغيير قيمة الجهد عن طريق تغيير زمن توصيل هذه الثايرستورات خلال كل نصف دورة للجهد ويقل جهد الخرج كلما زاد زمن الاشتعال ويتم التحكم في هذه المنظومة عن طريق معالج دقيق (Microprocessor)، بالإضافة الى بعض الخصائص الأخرى كمراقبة وحماية المحرك.

يبدأ السوفت ستارت ببطء وتدريجيًا في تطبيق الفولتية المتزايدة على المحرك. يسمح هذا بتزايد سلس للطاقة بدلاً من الاندفاع المفاجئ والعنيف للطاقة الذي يمكن أن يتسبب في تلف المحرك والماكينة ككل. في حين أن معظم طرق بدء الحركة المباشرة تتسبب بحدوث ارتفاع هائل للتيارات الكهربائية دفعة واحدة إلى المحرك، فإن أجهزة الـ soft starter توفر تزايد خطي سلس وثابت للطاقة. هذا يقلل من التآكل الكلي على دوائر المحرك، مما ينتج عنه زيادة العمر الافتراضي للمحرك وأقل عرضة للتلف بسرعة. اعتمادًا على نوع الـ soft starter الذي تشتريه، يتميز بعض الأنواع بإمكانية ضبط جهد البدء وطول الوقت الذي يستغرقه المحرك حتى يتم تشغيله بالكامل.

مميزات جهاز سوفت ستارتر Soft Starter

يمتاز جهاز سوفت ستارتر بالمزايا الآتية :

1. تقليل تيار البدئ الذي يصل 8 أضعاف التيار المقنن الى 3 أضعاف.
2. تقليل عزم البدء الي الحد المناسب للحمل.
3. تقليل الاجهادات علي المنظومة الميكانيكية (صندوق التروس ، السيور، وغيرها) .
4. إمكانية زيادة عدد مرات بدء التشغيل في الساعة.
5. تقليل تكاليف التوصيل (6 كابلات في حالة دائرة ستار/ دلتا و3 كونتاكتور)
6. تشغيل متغير تدريجي للعزم والجهد حسب حاجة الحمل.
7. الإيقاف التدريجي الذي يمنع حدوث انزلاقات السيور ويمنع ظاهرة المطرقة المائية في حالة استخدامه مع طلمبات المياه (عند إغلاق المضخة بشكل مفاجئ يتسبب هذا بحدوث ضغط على الانابيب ويؤثر عليها بشكل كبير وتسمى هذه بالمطرقة المائية Water hammer) .
8. ليس هنالك هبوط في الجهد ما يجعل الأجهزة المتصلة به أكثر أمنًا.
9. لا يحتاج الى صيانة ميكانيكية.

عيوب السوفت ستارتر

1. تكلفته أعلى من دوائر ستار دلتا.
2. لا يمكنه التحكم بسرعة المحرك، غير مناسب للتطبيقات التي تتطلب تحكم بالسرعة.
3. الحرارة العالية المتولدة منه.

تطبيقات السوفت ستارتر

يُستخدم السوفت ستارتر في التطبيقات التي تتطلب زيادة متدرجة للتيار والعزم مثل مضخات المياه حيث يؤدي تشغيل المحرك بشكل مباشر لارتفاع تيار البدء لقيم عالية جدًا وهذا بدوره يزيد من قيمة الضغط في الأنابيب عند بدء التشغيل مما يؤثر على المنظومة، وكذلك في السيور الناقلة في المصانع يؤدي تيار البدء العالي لحدوث اجهادات ميكانيكية على المحرك والتروس المرتبطة به، وتحتاج لصيانة كثيرة ويقل عمرها.

فيما يلي أهم استخدامات السوفت ستارتر:

• الطلمبات (مضخات رفع المياه)
• المراوح
• الكباسات
• ناقلات الحركة (السيور)

(كما يمكن استبدال بادئات الحركة التقليدية مثل دائرة الستار/ دلتا لأي تطبيق بسهولة).

طرق توصيل جهاز التشغيل الناعم soft starter

توجد طريقتين لربط السوفت ستارتر مع المحركـ، التوصيل المباشر وهي الطريقة الأكثر شيوعًا، وتوصيلة دلتا، وفي الواقع هناك أنواع قليلة فقط من السوفت ستارتر يمكن ربطها بطريقة دلتا.

طريقة التوصيل المباشر ln Line connection

يتم توصيل جهاز السوفت ستارتر على التوالي مع كونتاكتور ومرحل الحماية الحراري، في حالة التوصيل المباشر يجب أن يكون لكل الأجهزة في الدائرة نفس تصنيف تيار المحرك المقنن.

مثلًا إذا كان تيار المحرك المقن يساوي 1OOA وعليه فإن تيار أجهزة الدارة ( المرحل الحراري، جهاز starter Soft، الكونتاكتور) يجب أن تكون ذات سعة 100A مثل الموتور.

طريقة التوصيل دلتا lnside Delta connection

طريقة توصيل دلتا تمكننا من وضع جهاز سوفت ستارتر في دائرة دلتا بطريقة تسهل علينا استبداله مكان دائرة ستار دلتا الموجودة.

عند ربط سوفت ستارتر بطريقة دلتا فإنه يسحب 58% فقط من تيار الخط وبهذه الطريقة يمكن خفض قدرة الجهاز لتوفير حل اقتصادي بتكلفة منخفضة، مثلًا إذا كان تيار المحرك المقن يساوي 1OOA وعليه فإن تيار جهاز Soft starter والكونتاكتور يجب أن تكون ذات سعة 58A.

ويجب مراعاة أن يكون المحرك مصمم للعمل على توصيلة دلتا (يحتوي صندوق تجميعه على ستة أطراف)

مكان الكونتاكتر الرئيسي

عند ربط السوفت ستارتر بطريقة دلتا هناك خيارين لمكان الكونتاكتر : إما داخل توصيلة دلتا أو خارجها،

هذه الطريقتين تؤدي نفس الغرض، ولكن في الخيار الأول عندما يكون الكونتاكتر خارج توصيلة دلتا يجب اختياره بحسب تيار المحرك المقنن، بينما إذا كان الكونتاكتر داخل توصيلة دلتا فيمكن اختياره بحسب 58% من تيار المحرك المقنن

يمكن توصيل السوفت ستارتر والتحكم به يدويًا باستخدام مفاتيح تشغيل وإيقاف او يمكن التحكم بها أوتوماتيكيًا عن طريق ربط السوفت ستارتر مع الـ PLC.