การใช้ชุดซอฟต์สตาร์ทเพื่อแก้ไขปัญหาการเพิ่มกำลังมอเตอร์และความปลอดภัยทางไซเบอร์

มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสสามเฟสที่ขับเคลื่อนด้วยไฟกระแสสลับและพิกัดกำลังหลักสิบถึงร้อยแรงม้า (HP) มีการใช้งานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมจำนวนมาก โดยทั่วไปแล้วจะมีกระแสมอเตอร์ไดรฟ์ประมาณ 10 แอมแปร์ (A) ไปจนถึงมากกว่า 1,000 A ที่แรงดันไฟฟ้าจากเพียง 200 โวลต์กระแสสลับ (V_AC) จนสูงถึง 700 V_AC ซึ่งปัญหาสำหรับนักออกแบบคือเมื่อสตาร์ทมอเตอร์ มอเตอร์จะมีกระแสไฟกระชากขนาดใหญ่ซึ่งอาจทำให้มอเตอร์เสียหายและส่งผลต่อโหลดได้

ชุดควบคุมซอฟต์สตาร์ทระหว่างสายไฟ AC และมอเตอร์จะควบคุมกระแสกระชากนี้โดยการจัดการความเร่งและแรงบิดในการสตาร์ทมอเตอร์ ดังนั้น จึงปรับประสิทธิภาพของมอเตอร์ให้เหมาะสมและลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ให้เหลือน้อยที่สุด ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ขั้นสูงยิ่งขึ้นยิ่งเพิ่มคุณสมบัติที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด ให้การป้องกันไฟฟ้าและความร้อน รวมถึงชุดตัวเลือกการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง และป้องกันการโจมตีทางไซเบอร์

บทความนี้จะสรุปฟังก์ชันของชุดซอฟต์สตาร์ท จากนั้นจะแนะนำและแสดงวิธีการใช้หน่วยควบคุม Altivar Soft Starter ATS480 จาก Schneider Electric

ฟังก์ชั่นซอฟต์สตาร์ทเตอร์

ชุดซอฟต์สตาร์ทใช้กับมอเตอร์เพื่อลดกระแสกระชากและควบคุมแรงบิดในระหว่างการสตาร์ทในช่วงการเปลี่ยนผ่าน โดยจะค่อยๆ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ซึ่งส่งผลให้อัตราเร่งราบรื่นโดยมีการกระตุก (อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร่ง) น้อยที่สุด

สตาร์ทเตอร์มักจะมีข้อกำหนดเพื่อให้ผู้ใช้สามารถปรับแรงบิดสตาร์ทและความเร็วของการหมุนให้เหมาะสมกับการใช้งานที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถลดกระแสสตาร์ทลงได้อย่างมากเพื่อให้เกิดการแยกตัวและกักกระแสไว้ในระหว่างการเร่งความเร็ว

ชุดซอฟต์สตาร์ทรุ่นใหม่มีคุณสมบัติเพิ่มเติมที่เพิ่มประสิทธิภาพ รักษาค่าตัวประกอบกำลังสูง (PF) โดยใช้การแก้ไข PF แบบไดนามิก เพิ่มความปลอดภัยทางไฟฟ้า ตรวจจับความผิดปกติของสายไฟและมอเตอร์ ให้การเชื่อมต่อเครือข่าย และแก้ไขข้อกังวลด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์

ตัวอย่างของความสามารถและคุณลักษณะของซอฟต์สตาร์ทเตอร์ที่ล้ำสมัยคือ Altivar Soft Starter ซีรีส์ ATS480 จาก Schneider Electric (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: Altivar Soft Starter ซีรีส์ ATS480 เพิ่มคุณสมบัติขั้นสูงมากมายให้กับฟังก์ชันหลัก (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ชุดซอฟต์สตาร์ทนี้มีไทริสเตอร์หกตัวและอัลกอริธึมควบคุมแรงบิดเพื่อควบคุมการเร่งความเร็ว การชะลอตัว และการหยุดของมอเตอร์อะซิงโครนัสแบบกรงกระรอกสามเฟสที่มีกำลังสูงสุด 900 กิโลวัตต์ (kW) รุ่นต่างๆ ในซีรีส์นี้รองรับแรงดันไฟฟ้าในการทำงานตั้งแต่ 208 ถึง 690 โวลต์ และกระแสตั้งแต่ 17 ถึง 1200 A ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน การรับรอง และข้อบังคับทั่วโลกที่กำหนดประสิทธิภาพ, ความปลอดภัย, ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC), ระดับมลภาวะ ตลอดจนแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน

โดย ATS480 รวมการป้องกันสายไฟ สตาร์ทเตอร์ และโหลดที่แตกต่างกันหลายประเภท ซึ่งรวมถึง:

• เฟสล้มเหลว (สายไฟ)
• ระบบป้องกันความร้อนในตัว (มอเตอร์)
• ระบบป้องกันความร้อน (สตาร์ทเตอร์)
• กระแสไฟเกิน (มอเตอร์)
• โหลดต่ำ (มอเตอร์)
• เวลาสตาร์ทนานเกินไป โรเตอร์ล็อค (มอเตอร์)
• การสูญเสียเฟสของมอเตอร์ (มอเตอร์)
• การสูญเสียเฟสการจ่ายของสายไฟ (สายไฟ, มอเตอร์)
• การป้องกันความร้อน (มอเตอร์) ผ่านการเชื่อมต่อโดยตรงกับเทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก (PTC) หรือโพรบตัวตรวจจับอุณหภูมิตามค่าความต้านทาน (RTD) ด้วยแพลทินัม 100 (PT100) แบบ 2 หรือ 3 สาย

มีความเป็นไปได้ในการเชื่อมต่อวงจรมากมายเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของการใช้งานเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่าพื้นฐานอย่างหนึ่งกำหนดเป้าหมายไปที่การควบคุมภายในซึ่งต้องการให้ต้องมีการดำเนินการแบบแมนนวลเพื่อรีสตาร์ทหลังจากการรีเซ็ตข้อผิดพลาด แม้ในกรณีของการควบคุมระยะไกล (รูปที่ 2) ในกรณีนี้ ผู้ปฏิบัติงานกดปุ่ม S3 เพื่อรีสตาร์ท

รูปที่ 2: หนึ่งในตัวเลือกการเดินสายจำนวนมากสำหรับชุดซอฟต์สตาร์ท ผู้ใช้จำเป็นต้องเริ่มต้นการรีสตาร์ทแบบแมนนวลหลังจากรีเซ็ตข้อผิดพลาดโดยกด S3 (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ลักษณะเฉพาะของการกำหนดส่วนประกอบถูกกำหนดไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1: แสดงส่วนประกอบในรูปที่ 2 (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

นอกจากนี้ ATS480 ยังมีหน้าสัมผัสรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าแบบปกติเปิด (NO) และแบบปกติปิด (NC) แยกกันที่พิกัด 2 A/250 V_AC และเอาต์พุตดิจิตอลโอเพ่นคอลเลคเตอร์ขนาด 30 โวลต์ หน้าสัมผัสและเอาต์พุตเหล่านี้ช่วยลดความยุ่งยากในการใช้งานคุณลักษณะเพิ่มเติม เช่น ไฟแสดงสถานะหรืออุปกรณ์เสริม

การเชื่อมต่อและความปลอดภัยทางไซเบอร์

นอกเหนือจากฟังก์ชันซอฟต์สตาร์ทขั้นสูงแล้ว ATS480 ทั้งหมดยังรองรับตัวเลือกการเชื่อมต่อที่หลากหลาย โดย ATS480 แต่ละยูนิตมีพอร์ต RJ45 สองพอร์ตสำหรับเชื่อมต่อกับการกำหนดค่าและการอัพเดตเฟิร์มแวร์ และเทอร์มินัลการแสดงผลข้อความธรรมดาหรือกราฟิกภายนอก นอกจากนี้ แต่ละช่องยังมีหนึ่งช่องสำหรับโมดูลการสื่อสารเพิ่มเติมที่รองรับรูปแบบ Modbus TCP, Ethernet/IP, CANopen, PROFINET หรือ PROFIBUS DP

การเชื่อมต่อนี้ทำให้เกิดข้อกังวลด้านความปลอดภัยอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ อุปกรณ์ชุดนี้มี “แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด” ด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์ฝังอยู่ในหน่วยต่างๆ เพื่อป้องกันการโจมตีโดยเจตนา (การแฮ็ก) และกิจกรรมที่มีเจตนาดีแต่ไม่ระมัดระวังโดยพนักงานหรือผู้รับเหมา โดยการป้องกันเหล่านี้มีการจัดการบัญชี รวมถึงการตรวจสอบและการอนุญาตผู้ใช้ และการป้องกันด้วยรหัสผ่านหลายชั้น นอกจากนี้ยังมีข้อจำกัดโดยเจตนาเกี่ยวกับพอร์ต ฟังก์ชัน และแหล่งที่มาต่างๆ

การรักษาความปลอดภัยระดับที่สูงขึ้นประกอบด้วยการป้องกันในเชิงลึกและเชิงรุกเพื่อจัดการเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยทางไซเบอร์ รวมถึงบันทึกกิจกรรมจากผู้ใช้และเวลาโดยละเอียด โดยความถูกต้องของเฟิร์มแวร์ที่ติดตั้งมาและการอัพเกรดใดๆ จะปรับปรุงผ่านเฟิร์มแวร์และคีย์การเข้ารหัสลับแบบดิจิทัล เพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้เฟิร์มแวร์ที่ถูกต้องในการเปิดเครื่องแต่ละรอบ

การรองรับส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร

นอกเหนือจากการเชื่อมต่อที่กว้างขวางแล้ว การติดตั้งแบบซอฟต์สตาร์ทจำนวนมากยังมีการเตรียมการเพื่อให้ผู้ปฏิบัติงานเข้าถึงได้ทันทีและโดยตรง การเข้าถึงนี้เริ่มต้นด้วยการเริ่มต้น RUN และ STOP พื้นฐานผ่านสวิตช์ที่อยู่บนมอเตอร์หรือใกล้กับมอเตอร์ที่แยกจากกัน มองเห็นได้ชัดเจน และมีป้ายกำกับชัดเจน ซึ่งเป็นการปฏิบัติตามมาตรฐานข้อบังคับด้านความปลอดภัย

เพื่อปฏิบัติตามข้อกำหนดเหล่านี้ ทำให้ ATS480 สามารถต่อสายเข้ากับสวิตช์สตาร์ทและหยุดแยกกันสองตัว หรือสตาร์ท/หยุดรวมกันในหนึ่งตัว (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: สามารถต่อสายชุดซอฟต์สตาร์ทเพื่อใช้ปุ่มกดสตาร์ทและหยุดแยกกันสองตัว หรือสวิตช์หนึ่งตัวสำหรับทั้งการสตาร์ทและหยุด (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

สำหรับการตั้งค่าพื้นฐาน การใช้งาน และการพิสูจน์ทราบ ผู้ออกแบบสามารถใช้เทอร์มินัลแสดงข้อความธรรมดาแปดบรรทัด VW3A1113 (รูปที่ 4) การใช้ขั้วต่อ RJ45 ที่มีอยู่ ทำให้สามารถเชื่อมต่อเทอร์มินัลนี้และติดตั้งที่ด้านหน้าของชุดซอฟต์สตาร์ท หรือติดตั้งเข้ากับประตูตู้โดยใช้อุปกรณ์เสริมสำหรับการติดตั้งระยะไกล

รูปที่ 4: เทอร์มินัลแสดงข้อความธรรมดา VW3A1113 เชื่อมต่อกับซอฟต์สตาร์ทเตอร์โดยใช้ขั้วต่อ RJ45 ที่ให้มา และรองรับฟังก์ชันการตั้งค่าพื้นฐาน เรียกใช้งาน และพิสูจน์ทราบ (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

อุปกรณ์นี้รองรับได้หลายภาษา (อังกฤษ ฝรั่งเศส สเปน อิตาลี เยอรมัน และจีน และภาษาอื่นๆ ที่สามารถดาวน์โหลดได้) และต้องใช้รหัสผ่านในการเข้าสู่ระบบเพื่อความปลอดภัยของระบบ เมื่อเชื่อมต่อแล้ว จะสามารถใช้เพื่อ:

• ควบคุม ปรับ และกำหนดค่าชุดซอฟต์สตาร์ท
• แสดงค่าปัจจุบันของมอเตอร์ อินพุต/เอาต์พุต และข้อมูลเครื่องจักร
• จัดเก็บและดาวน์โหลดการกำหนดค่า
• คัดลอกการกำหนดค่าของชุดซอฟต์สตาร์ทที่เปิดเครื่องหนึ่งกับอีกชุดหนึ่งที่เปิดเครื่องอยู่ด้วย

สำหรับการวินิจฉัย การควบคุม การตรวจสอบ และการจัดการไฟล์ขั้นสูงยิ่งขึ้น ตัวจัดการประเภทอุปกรณ์ (DTM) และซอฟต์แวร์ SoMove ของ Schneider สามารถใช้กับการจัดเรียงจอแสดงผลเทอร์มินัลกราฟิกบนพีซี

ระดับกำลังไฟกำหนดรูปแบบแพ็คเกจและฟอร์มแฟคเตอร์

แม้ว่าอุปกรณ์ในตระกูล Altivar Soft Starter ATS480 จะมีฟังก์ชัน ความสามารถ อินเทอร์เฟซผู้ใช้ และการเชื่อมต่อที่เหมือนกัน แต่มีระดับกำลังขับเคลื่อนแตกต่างกัน ซึ่งเป็นสิ่งกำหนดแพ็คเกจและฟอร์มแฟคเตอร์ที่เหมาะสม สามารถมองเห็นได้ง่ายโดยดูจากอุปกรณ์ที่มีกำลังต่ำสุดและสูงสุด

ATS480D17Y (รูปที่ 5 ซ้าย) มีพิกัดการจ่ายไฟและควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสด้วยกระแส 17 A ตั้งแต่ 208 ถึง 690 V_AC และทำงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟควบคุม 110 ถึง 230 V_AC มีความสูง 275 มิลลิเมตร กว้าง 160 มิลลิเมตร ลึก 8 มิลลิเมตร และมีน้ำหนักไม่เกิน 5 กิโลกรัม (กก.)

รูปที่ 5: หน่วยที่เล็กที่สุด (ซ้าย) และใหญ่ที่สุด (ขวา) ในตระกูล Altivar Soft Starter ATS480 มีฟังก์ชันการทำงานที่คล้ายคลึงกัน แต่ครอบคลุมช่วงกว้างในการจัดการกระแสไฟฟ้าและข้อกำหนดด้านน้ำหนัก (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ในทางกลับกัน ATS480M12Y (รูปที่ 5 ขวา) มีพิกัดสำหรับกระแสไฟฟ้า 1200 A ที่ทรงพลังกว่ามากจาก 208 ถึง 690 V_AC และทำงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟควบคุม 110 ถึง 230 V_AC แม้ว่าจะมีฟีเจอร์และฟังก์ชันที่แทบจะเหมือนกับรุ่น 17 A แต่ก็มีขนาดใหญ่กว่ามากที่ความสูง 890 มม. กว้าง 770 มม. และลึก 329 มม. โดยมีน้ำหนัก 115 กก.

สรุป

ซอฟต์สตาร์ทเตอร์เป็นส่วนเชื่อมต่อที่สำคัญระหว่างสายไฟฟ้ากระแสสลับหลายเฟสกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสขนาดกลางถึงใหญ่ ซึ่งทำหน้าที่จัดการกระแสกระชาก กลุ่มผลิตภัณฑ์ Altivar Soft Starter ATS480 จาก Schneider Electric รองรับมอเตอร์ตั้งแต่ 17 A ถึง 1200 A พร้อมการเชื่อมต่อเครือข่ายที่กว้างขวางและความปลอดภัยทางไซเบอร์ที่ได้รับการปรับปรุง นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชันต่างๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือ