15 تفاوت درایو (VFD) با سافت استارتر ( soft starter )

سافت ‌استارتر جریان راه‌اندازی موتور را محدود می‌کند و فقط فاز استارت/استاپ نرم را کنترل می‌کند. درایو یا VFD ولتاژ و فرکانس را کنترل می‌کند و سرعت/گشتاور را در کل چرخه کاری خود تنظیم می‌کند. تفاوت سافت استارتر و اینورتر در دامنه کنترل است: سافت ‌استارتر برای لحظه‌های گذرا، اینورتر برای کنترل پیوسته. از منظر شبکه، سافت ‌استارتر به‌صورت گذرا هارمونیک کمتری تزریق می‌کند؛ اینورتر با فیلتر درست و EMC مناسب پایدار است. این تمایز همان چیزی است که در تفاوت درایو و سافت استارتر نیز بیان می‌شود.

۱- مقایسه کلی عملکرد سافت استارتر و درایو

سافت استارتر و درایو فرکانس متغیر (VFD) هر دو برای راه‌اندازی و متوقف کردن الکتروموتورها استفاده می‌شوند، اما مأموریت اصلی آن‌ها یکسان نیست.  خرید سافت استارتر برای محدود کردن جریان هجومی و نرم‌کردن استارت و در بعضی مدل ها برای نرم کردن استاپ به‌کار می‌رود؛ یعنی تمرکز آن روی «کنترل جریان و تنش مکانیکی ابتدای حرکت» است. در مقابل، VFD علاوه بر راه‌اندازی نرم، وظیفه اصلی‌اش «کنترل سرعت و گشتاور» موتور در یک محدوده وسیع از دور است، به همین دلیل در فرآیندهایی که تنظیم سرعت اهمیت دارد، انتخاب اول است.

عملکرد داخلی سافت استارتر

در یک سافت استارتر متداول سه‌فاز، معمولاً از 6 تریستور یا همان یک‌سوساز کنترل‌شونده سیلیکونی (SCR) برای ایجاد استارت نرم استفاده می‌شود. تریستور یک کلید نیمه‌هادی است که می‌تواند جریان و ولتاژ AC را در یک جهت کنترل کند. هر تریستور سه پایانه دارد: گیت، کاتد و آند.
گیت فرمان کنترلی را دریافت می‌کند و تعیین می‌کند عنصر در حالت هادی باشد یا قطع. آند ترمینال مثبت و کاتد ترمینال منفی است. با کنترل این عناصر، سافت استارتر مقدار ولتاژ مؤثر روی موتور و در نتیجه جریان راه‌اندازی را به‌صورت تدریجی افزایش می‌دهد تا موتور نرم و بدون شوک مکانیکی به سرعت نامی برسد.

عملکرد داخلی درایو (VFD)
 درایو فرکانس متغیر معمولاً از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود:

• یکسوکننده (Rectifier)
• لینک DC یا فیلتر DC
• اینورتر

در گام اول، یکسوکننده ولتاژ AC ورودی را مشابه دیودها به ولتاژ DC تبدیل می‌کند. سپس در لینک DC، خازن‌ها ریپل را کاهش می‌دهند و یک  ولتاژ DC نسبتاً صاف می‌سازند. در نهایت، اینورتر با استفاده از ترانزیستورها (مثل IGBT یا MOSFET) این ولتاژ DC را به یک ولتاژ AC با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم تبدیل می‌کند. با تغییر فرکانس خروجی، سرعت موتور هم کنترل می‌شود.
در ایران معمولاً به VFD ، «اینورتر» یا «کنترل‌دور» می‌گویند. در تنظیمات VFD نیز مانند سافت استارتر می‌توان رمپ افزایش و کاهش سرعت (Ramp Up/Down) را تعریف کرد تا موتور به‌صورت نرم راه‌اندازی و متوقف شود، با این تفاوت که در VFD سرعت کاری هم در طول بهره‌برداری قابل تغییر است.

۲- تفاوت سافت استارتر و درایو در نحوه راه‌اندازی

در راه‌انداز نرم، هدف این است که جریان راه‌اندازی به حدود ۲.۵ برابر جریان نامی محدود شود؛ در حالی که در استارت مستقیم روی شبکه، این مقدار می‌تواند به چندین برابر جریان نامی برسد. در سافت استارتر از کلیدهای حالت جامد (SSR) استفاده می‌شود؛ در توان‌های کم معمولاً ترایاک و در توان‌های بالاتر دو تریستور معکوس و موازی در هر فاز به‌کار می‌رود. در این روش، شکل موج ولتاژ سینوسی با کنترل زاویه روشن‌شدن در هر دو نیم‌سیکل مثبت و منفی تغییر می‌کند، اما فرکانس همان فرکانس شبکه باقی می‌ماند.

با طراحی مدار فرمان مناسب، می‌توان یک سافت استارتر را برای چند موتور (مثلاً ۱۰ موتور یا بیشتر) به‌صورت ترتیبی استفاده کرد. در اینجا فقط راه‌اندازی نرم انجام می‌شود و دور موتور از مقدار نامی فراتر نمی‌رود. مدار ستاره–مثلث نیز یک نوع راه‌انداز نسبتاً نرم مبتنی بر کنتاکتور است که جریان راه‌اندازی آن معمولاً حدود ۴ برابر جریان نامی است و پروفایل راه‌اندازی آن جهشی و غیرقابل تنظیم است. در مقابل، اینورتر نرم‌ترین راه‌اندازی را فراهم می‌کند اما قیمت آن معمولاً بیش از چهار برابر یک سافت استارتر هم‌رده است.

در اینورتر، تغییر دور توسط تغییر فرکانس انجام می‌شود؛ بنابراین می‌توان فرکانس خروجی را حتی تا چند برابر فرکانس ورودی افزایش داد. در نتیجه، امکان کارکرد موتور بالاتر از سرعت نامی وجود دارد، هرچند در این محدوده گشتاور قابل‌دسترس کاهش می‌یابد.

در سافت استارت ها، در توان‌های بالا معمولاً از ترانزیستورهای IGBT و در توان‌های پایین از MOSFET قدرت استفاده می‌شود.

۳- تفاوت در مدهای کنترلی

سافت استارتر اساساً روی «ولتاژ خروجی در زمان راه‌اندازی و توقف» کنترل دارد و پس از رسیدن به سرعت نامی، معمولاً از مدار کنار گذاشته می‌شود؛ بنابراین چیزی شبیه مد کنترلی پیوسته برای سرعت یا گشتاور در آن تعریف نمی‌شود.
در مقابل، درایوهای کنترل‌دور با مدهای مختلف کنترلی عرضه می‌شوند؛ ساده‌ترین آن‌ها V/f (ولتاژ به‌تناسب فرکانس) است و در سطوح بالاتر، مدهای برداری (VVVF/VSD و… ) امکان کنترل دقیق گشتاور، کنترل حلقه‌بسته سرعت و حتی موقعیت را فراهم می‌کنند. در این مدها می‌توان هم در زیر سرعت نامی و هم در نزدیک و حتی بالاتر از سرعت نامی، رفتار موتور را دقیق تنظیم کرد.

۴- تفاوت روش‌های توقف موتور

سافت استارتر بعد از راه‌اندازی، معمولاً فقط می‌تواند توقف موتور را یا با کاهش تدریجی ولتاژ (Stop نرم) انجام دهد یا موتور را به‌نوعی رها کند تا با اینرسی مکانیکی متوقف شود.
در اینورتر، روش‌های توقف متنوع‌تری در دسترس است:

• توقف با رمپ (مشابه راه‌اندازی نرم)
• قفل‌کردن شفت به کمک گشتاور کنترلی
• تزریق جریان DC برای توقف سریع‌تر
• ترمز دینامیکی

هر روش برای نوع خاصی از کاربرد (بار اینرسی بالا، توقف سریع، دقت موقعیت و…) انتخاب می‌شود.

۵- تفاوت مدار داخلی و هارمونیک‌ها

در سافت استارتر، تریستورها تا زمان راه‌اندازی کامل موتور در مدار هستند و جریان را با کنترل زاویه هدایت محدود می‌کنند. هر تریستور سه پایانه گیت، آند و کاتد دارد و با سیگنال گیت روشن می‌شود و جریان را از آند به کاتد عبور می‌دهد. پس از تمام‌شدن فرآیند استارت، یک کنتاکتور بای‌پس وارد مدار می‌شود و جریان اصلی را مستقیماً به موتور می‌فرستد. در این مرحله تریستورها عملاً از مدار قدرت خارج می‌شوند و دیگر هارمونیک قابل‌توجهی به شبکه تزریق نمی‌شود. این نکته از نظر کیفیت توان مزیت مهمی برای سافت استارتر است.

در اینورتر، کلیدهای نیمه‌هادی (IGBT/MOSFET) در تمام مدت کار موتور در حال سوئیچ‌کردن هستند و شکل موج خروجی به‌صورت PWM تولید می‌شود؛ بنابراین مدیریت هارمونیک و فیلترینگ در طراحی اینورتر اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

۶- تفاوت از نظر کاربرد

سافت استارتر فقط در بازه راه‌اندازی و گاهی توقف نرم در مدار است و پس از رسیدن به سرعت نامی، کنار گذاشته می‌شود؛ بنابراین برای کاربردهایی مناسبت است که موتور با سرعت ثابت کار می‌کند، اما استارت نرم و محدودکردن جریان راه‌اندازی ضروری است (مثل پمپ‌ها، فن‌های بزرگ، نوارهای نقاله سنگین).
اینورتر هم راه‌انداز است و هم کنترل‌کننده دائمی سرعت؛ در نتیجه در فرآیندهایی که نیاز به تغییر دور، تنظیم دبی/فشار یا هماهنگی سرعت چند محور وجود دارد، استفاده از VFD ترجیح داده می‌شود.

۷- تفاوت از نظر حفاظت و نحوه قرارگیری در مدار

سافت استارتر ذاتاً یک تجهیز حفاظتی کامل نیست و معمولاً فقط بخشی از حفاظت جریان راه‌اندازی را مدیریت می‌کند؛ بنابراین در کنار آن باید از کلید حرارتی، فیوز یا کلید کمپکت برای حفاظت اضافه‌بار، اتصال‌کوتاه و… استفاده شود که مدار را کمی پیچیده‌تر می‌کند.
اینورترها در اغلب موارد دارای توابع حفاظتی داخلی برای اضافه‌بار، اضافه‌جریان، اضافه‌ولتاژ، افت ولتاژ، عدم‌تعادل فاز و… هستند و در بسیاری از پروژه‌ها به‌عنوان لایه اصلی حفاظت موتور هم عمل می‌کنند (هرچند حفاظت بالادست شبکه همچنان لازم است).

۸- تفاوت در مصرف انرژی

هر دو روش، در مقایسه با راه‌اندازی مستقیم یا حتی مدار ستاره–مثلث، می‌توانند فشار اولیه روی شبکه و برخی تلفات را کاهش دهند؛ اما ماهیت صرفه‌جویی در آن‌ها متفاوت است.

• در استارت مستقیم: مصرف انرژی و جریان لحظه‌ای بسیار بالا است.
• در ستاره–مثلث: جریان و توان استارت کمی کمتر، اما همچنان بالاست.
• در سافت استارتر: جریان و توان راه‌اندازی نسبتاً پایین و قابل‌قبول است.
• در اینورتر: هم جریان استارت کنترل می‌شود و هم در بهره‌برداری، با کاهش سرعت در کاربردهایی مثل پمپ و فن، صرفه‌جویی واقعی و پایدار در انرژی به‌دست می‌آید.

۹- مقایسه از نظر قیمت

سافت استارتر چون فقط برای راه‌اندازی نرم استفاده می‌شود و بعد از استارت غالباً بای‌پس می‌شود، ساختار ساده‌تر و قیمت پایین‌تری نسبت به اینورتر دارد. اینورتر علاوه بر راه‌اندازی، کنترل پیوسته سرعت، گشتاور، حفاظت و ارتباطات را بر عهده می‌گیرد و طبیعی است قیمت آن بالاتر باشد، اما در عوض کارایی و امکانات بسیار بیشتری ارائه می‌دهد.

۱۰- تفاوت در سرعت قابل‌دسترسی موتور

در سافت استارتر فرکانس شبکه تغییر نمی‌کند؛ بنابراین حداکثر سرعتی که به آن می‌رسیم همان سرعت متناظر با فرکانس نامی است (سرعت نامی موتور).
در اینورتر، فرکانس خروجی قابل تنظیم است؛ می‌توان زیر سرعت نامی کار کرد و در صورت نیاز، فرکانس را بالاتر از فرکانس نامی برد و سرعت را افزایش داد. البته در ناحیه فرکانس بالاتر از نامی، گشتاور قابل‌دسترس معمولاً کاهش می‌یابد و باید محدودیت‌های مکانیکی موتور نیز در نظر گرفته شود.

۱۱- توابع حفاظتی

هر دو تجهیز دارای آلارم و خطا برای شرایط غیرعادی هستند؛ اما درایوها به‌علت استفاده از پردازنده و الگوریتم‌های نرم‌افزاری، طیف گسترده‌تری از خطاها و رخدادها را تشخیص می‌دهند و با دقت بیشتری وضعیت موتور را پایش می‌کنند. سافت استارترها معمولاً حفاظت‌ها و پیام‌های ساده‌تری دارند و تمرکز آن‌ها روی محدوده راه‌اندازی است.

۱۲- راه‌اندازی چند موتور

با طراحی یک مدار فرمان مناسب، می‌توان یک سافت استارتر را برای راه‌اندازی چند موتور (مثلاً ۱۰ موتور یا بیشتر) به‌صورت ترتیبی به‌کار گرفت؛ یعنی سافت استارتر فقط لحظه استارت هر موتور را پوشش می‌دهد.
در مورد اینورتر، توصیه فنی این است که برای هر موتور یک درایو مجزا در نظر گرفته شود تا کنترل سرعت، حفاظت و مانیتورینگ به‌صورت مستقل و دقیق انجام شود؛ استفاده از یک اینورتر برای چند موتور هم ممکن است، اما محدودیت‌ها و پیچیدگی‌های خودش را دارد
به عبارتی دیگر یک  سافت استارتر توانایی راه اندازی چند موتور به صورت همزمان را ندارد ولی یک  اینورتر توانایی راه اندازی چند موتور به صورت همزمان را دارد (البته با رعایت تنظیمات و حفاظت های لازم)

۱۳- مانیتورینگ و شبکه‌های صنعتی

درایوهای کنترل‌دور از ابتدا با هدف اتصال به شبکه‌های صنعتی طراحی شده‌اند و عموماً از پروتکل‌هایی مثل Modbus و سایر باس‌های صنعتی پشتیبانی می‌کنند. درگاه‌هایی مانند RS232، RS485 یا LAN امکان مانیتورینگ، پیکربندی و کنترل از طریق PLC، HMI و سیستم اسکادا یا رایانه را فراهم می‌کنند.
سافت استارترها نیز در برخی مدل‌ها دارای امکانات ارتباطی هستند، اما معمولاً سطح و تنوع امکانات شبکه‌ای درایوها به‌مراتب بیشتر است.

۱۴- کنترل حلقه‌بسته

در بسیاری از درایوهای مدرن، امکان پیاده‌سازی حلقه‌بسته (مثلاً کنترل PID روی فشار، دما، سطح و…) وجود دارد؛ به‌این‌ترتیب می‌توان بدون نیاز به PLC مجزا، یک حلقه کنترلی کامل روی خود VFD اجرا کرد.
در سافت استارتر، چنین مد کنترلی پیوسته‌ای تعریف نشده و نقش آن عمدتاً به راه‌اندازی نرم و گاهی توقف نرم محدود می‌شود.

۱۵- سرعت بالاتر از فرکانس نامی

سافت استارتر چون فرکانس را تغییر نمی‌دهد، حداکثر تا سرعت نامی موتور می‌تواند همراهی کند.
در مقابل، درایوها که بر پایه تغییر فرکانس و PWM کار می‌کنند، این امکان را دارند که در صورت نیاز و رعایت محدودیت‌های مکانیکی، موتور را تا چند برابر فرکانس نامی نیز راه‌اندازی کنند (با افت گشتاور در ناحیه بالای فرکانس نامی).

جمع‌بندی مزیت‌های سافت استارتر نسبت به اینورتر

• کاهش مؤثر جریان راه‌اندازی در زمان استارت
• عدم تزریق هارمونیک به شبکه پس از بای‌پس شدن
• قیمت پایین‌تر نسبت به اینورتر
• مناسب برای کاربردهای ساده با سرعت ثابت مانند پمپ‌ها، نوار نقاله‌ها و بارهای تسمه‌ای

سافت استارتر یا اینورتر؛ کدام را انتخاب کنیم؟
انتخاب بین سافت استارتر و اینورتر به نیاز کاربرد بستگی دارد: اگر فقط به راه‌اندازی نرم، کاهش جریان هجومی و محدودکردن تنش مکانیکی نیاز دارید و سرعت در حین کار ثابت است، سافت استارتر گزینه اقتصادی و منطقی است. اما اگر تنظیم سرعت، صرفه‌جویی انرژی در حین کار، حلقه کنترلی، ارتباطات صنعتی و حفاظت پیشرفته برای شما مهم است، سرمایه‌گذاری روی اینورتر انتخاب دقیق‌تری خواهد بود. در برخی پروژه‌ها هم ترکیب این دو (مثلاً سافت استارتر برای موتورهای خیلی بزرگ و اینورتر برای محورهای کنترلی) می‌تواند بهترین راه‌حل باشد.

جمع‌بندی

در این مقاله اول تعریف کردیم درایو فرکانس متغیر VFD و سافت استارتر چیست و هرکدام در صنعت چه نقشی دارند. سپس نحوه کار داخلی آن‌ها را توضیح دادیم؛ از ساختار یکسوکننده، لینک DC و اینورتر در VFD تا استفاده از تریستورها برای راه‌اندازی نرم در سافت استارتر. بعد، تفاوت‌های کلیدی آن‌ها را از نظر نحوه راه‌اندازی، روش توقف، مدهای کنترلی، حفاظت، مصرف انرژی و سرعت قابل‌دسترسی موتور بررسی کردیم. در ادامه، مزیت‌ها و محدودیت‌های هر کدام را برای کاربردهای مختلف (مثل پمپ، فن، نوار نقاله و فرآیندهای سرعت‌متغیر) مقایسه کردیم. در نهایت هم جمع‌بندی شد که برای راه‌اندازی نرم و سرعت ثابت، سافت استارتر گزینه اقتصادی‌تری است و برای کنترل سرعت، صرفه‌جویی انرژی و کنترل پیشرفته، درایو VFD انتخاب مناسب‌تر است.