از موتور های الکتریکی به طور گسترده ای در صنایع مختلف استفاده می شود. موتور های الکتریکی عموما تجهیزات گران قیمتی محسوب می شوند. علاوه بر این توقف موتور الکتریکی ممکن است خسارت سنگینی در هر صنعتی به همراه داشته باشد. لذا هر کجا که نیاز به موتور الکتریکی باید به فکر حفاظت از آن باشیم.
حفاظت از موتور الکتریکی، در واقع موتور را در برابر خطاهای ناشی از شرایط شبکه و یا مشکلات داخلی موتور محافظت می کند. برای این منظور تجهیزات حفاظتی متنوعی طراحی و تولید شده است. در این محتوا پس از توضیح مختصری در رابطه با موتور الکتریکی و خطاهای احتمالی، با انواع تجهیزات حفاظتی موجود در بازار آشنا می شویم.
موتور الکتریکی سه فاز
موتور الکتریکی در ابعاد و با تکنولوژی های متنوعی طراحی و تولید می شود. موتور سه فاز القایی که با شبکه برق فشار ضعیف کار میکند، بیشترین کاربرد را در صنایع دارد. منظور از برق فشار ضعیف ولتاژ 230/400 ولت شبکه است. عدد 230 اختلاف بین ولتاژ هر فاز با نول و عدد 400 بیان کننده اختلاف ولتاژ بین دو فاز است.
موتور الکتریکی سه فاز از دو بخش استاتور و روتور تشکیل شده است. استاتور موتور سه فاز از سه سیم پیچ تو در تو ساخته می شود. وقتی سیم پیچ استاتور با برق سه فاز تغذیه شود، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی دوار روتور را به حرکت در می آورد. حرکت چرخشی روتور، شفت موتور را به حرکت در می آورد. نیروی مکانیکی موتور از طریق شفت منتقل می شود.
در ادامه به معرفی انواع خطا و تجهیزات حفاظت از موتور الکتریکی در زمان اتصال موتور به برق شبکه می پردازیم.
انواع خطا در موتور الکتریکی
مفهوم حفاظت از موتور در مقابل مفهوم بروز خطا معنا پیدا می کند. خطاهایی که در مورد موتور الکتریکی رخ می دهد به ساختار موتور و شرایط مدار بستگی دارد. رایج ترین خطاهای الکتریکی عبارتند از خطای اتصال کوتاه، اضافه بار و عدم تعادل فاز. در ادامه به بررسی بیشتر این خطاها می پردازیم.
خطای اتصال کوتاه
خطای اتصال کوتاه زمانی در موتور الکتریکی رخ می دهد که سیم فاز اتصالی داشته باشد. این اتصالی به سه حالت رخ می دهد:
- فاز با فاز
- فاز با نول
- فاز با زمین
در این شرایط موتورجریان زیادی از شبکه برق می کشد. این جریان بیشتر از مقدار جریان مورد نیاز موتور در زمان راه اندازی است. این خطا به شدت خطرناک است و خسارات زیادی به همراه دارد. حفاظت از موتور در مقابل این خطا بسیار حائز اهمیت است.
خطای اضافه بار
خطای اضافه بار یا اضافه جریان زمانی رخ می دهد که موتور جریانی بیشتر از حد نامی می کشد. افزایش جریان عبوری سبب گرم شدن موتور می شود. طبق مطالعات انجام شده افزایش دمای موتور به میزان 10 درجه، عمر مفید موتر را به نصف کاهش می دهد. این خطا در شرایط زیر رخ می دهد:
- روتور گیر کرده باشد
- موتور به صورت مکرر استارت می شود
- یکی از سه فاز قدرت قطع شده است
- زمان استارت خیلی طولانی شده باشد
- افزایش بار روی شفت موتور
- بروز اتصال کوتاه در سیم پیچ موتور
خطای عدم تعادل فاز
خطای عدم تعادل فاز یک خطای ولتاژی است که در موتور های سه فاز تعریف می شود. این خطا زمانی رخ می دهدکه یکی از فاز ها به هر دلیلی قطع شده باشد. این حالت در عملکرد موتور اختلال ایجاد میکند. اگر این خطا به کمک تجهیزات حفاظت از موتور تشخیص داده و برطرف نشود، موتور به اصطلاح لنگ می زند.
حفاظت از موتور الکتریکی
هر یک از تجهیزات حفاظتی با قابلیت های منحصر به فرد خود در مقابل خطاهای مشخصی از موتور الکتریکی محافظت می کند. پیش از آشنایی با انواع تجهیزات حفاظت از موتور نیاز داریم با دو مفهوم واحد شناسایی خطا (تریپ یونیت) و کلاس کاری آشنا شویم.
واحد شناسایی خطا
واحد شناسایی خطا یا تریپ یونیت یکی از بخش های داخلی تجهیزات حفاظت از موتور است. بریکر بر اساس عملکرد این واحد خطا را شناسایی و در صورت نیاز مدار را قطع می کند. تریپ یونیت به دو صورت طراحی شده و در تجهیزات حفاظتی قرار داده می شود:
- تریپ یونیت حرارتی مغناطیسی
- تریپ یونیت الکترونیکی
به کمک تریپ حرارتی مغناطیسی دو خطای اتصال کوتاه و جریان اضافه بار شناسایی می شود. تریپ الکترونیکی امکان تشخیص خطاهای بیشتر با دقت بالاتری را به ما می دهد. در ادامه بیشتر با هر یک از این دو واحدآشنا می شویم.
تریپ یونیت حرارتی مغناطیسی
بخش حرارتی و مغناطیسی با هم در غالب یک واحد الکترومغناطیسی طراحی می شوند. در واحد حرارتی یک بیمتال که از اتصال دو فلز با ضریب انبساط طولی متفاوت ساخته شده است در مسیر عبور جریان قرار میگیرد.
چنانچه موتور الکتریکی دچار اضافه بار شود حرارت در بیمتال بالا رفته و با خم شدن تیغه مدار قطع می شود. نوارهای بیمتال از دو فلز مختلف، معمولاً برنج و فولاد، ساخته شده‌اند که ضریب انبساط متفاوتی دارند. این فلزات در طول مسیر به هم متصل شده اند. گرمای ناشی از عبور جریان های معمولی تیغه بیمتال را تا نقطه قطع گرم نمی کند. با افزایش جریان عبوری از کلید به بیش از مقدار نامی، نوار گرم شده و در اثر خم شدن آن مسیر عبور جریان قطع می شود. نوارهای دو فلزی به گونه ای انتخاب می شوند که تأخیرهای زمانی خاصی را برای اضافه بارهای مختلف ایجاد کنند.
در امتداد بیمتال یک سیم پیچ الکترومغناطیسی قرار می گیرد که همان بخش مغناطیسی تریپ یونیت است. اگر خطای اتصال کوتاه رخ بدهد، جریان در کسری از ثانیه ناگهان به شدت افزایش می یابد (بیشتر از جریان راه اندازی موتور). در این شرایط قبل از اینکه بیمتال عمل و مدار را قطع کند، جریان اضافی بوبین را مغناطیسی می کند. در این حالت میدان مغناطیسی آنقدر بزرگ می شود که وضعیت تیغه ها را تغییر می دهد و مدار را باز می کند.
تریپ یونیت الکترونیکی
واحد تریپ یونیت الکترونیکی در تجهیزات پیشرفته حفاظت از موتور مانند برخی نمونه های کلید حرارتی و کلید اتوماتیک وجود دارد. تریپ الکترونیکی به صورت دیجیتالی جریان مدار را تحلیل می کند و امکان تشخیص خطای بیشتری را دارد.
این خطاها به صورت خلاصه با پنج حرف مشخص می شود. LSING .
- L خطای اضافه بار
- S خطای اتصال کوتاه تاخیری
- I خطای اتصال کوتاه آنی
- N خطای هادی نول
- G خطای زمین
خطای هادی نول وقتی اتفاق می افتد که نول دچار مشکلی شده باشد. در این حالت جریان عبوری از موتور از مقدار نامی بیشتر است ولی آنقدر زیاد نیست که به عنوان خطا تشخیص داده شود.
خطای زمین به این معناست که فاز در حال اتصال به زمین است. این جریان وارد موتور نمی شود ولی از شبکه برق می کشد. چنانچه این خطاها شناسایی نشوند، در دراز مدت سیستم با مشکل مواجه خواهد شد.
جزئیات بیشتر در مورد واحدهای تشخیص خطا را در مقاله ” تریپ یونیت کلید اتوماتیک ” ببینید.
نمودار تریپ یا منحنی قطع
انتخاب تجهیز مناسب برای حفاظت از موتور الکتریکی تا حدود زیادی به درک صحیح نمودار تریپ وابسته است. اگر تجهیز به درستی انتخاب نشود باعث قطع مکرر مدار و یا وارد آمدن خسارت مالی، جانی و آتش سوزی می شود.
نمودار تریپ یا منحنی قطع مدت زمانی را که طول می کشد تا بریکر مدار را قطع کند به نسبت مقدار جریان عبوری از مدار نمایش می دهد. نمودار تریپ کمک می کند در ک بهتری از رفتار تجهیزات حفاظت از موتور در شرایط اضافه بار و اضافه جریان داشته باشیم.
منحنی تریپ از سه بخش تشکیل شده است :
- بخش حرارتی
- بخش مغناطیسی
- بخش واکنش آنی
بخش حرارتی نمودار تریپ به پاسخ در شرایط اضافه بار (جریان اضافه در مدت زمان طولانی ) می پردازد. این شرایط تغییرات آهسته ولی پیوسته ای دارد.
بخش مغناطیسی منحنی عکس العمل در شرایط جریان اتصال کوتاه (افزایش ناگهانی جریان) را بررسی می کند. نمودار تریپ مغناطیسی معمولا یک خط راست است. به این معنا که عکس العمل در مقابل خطای اتصال کوتاه آنی است. بازه زمانی نمودار مغناطیسی در حد چند ثانیه است. اما عکس العمل به مقدار جریان اضافه بار بر روی نمودار رنج گسترده تری دارد. تجهیزات حفاظتی بر اساس حساسیت به جریان اتصال کوتاه در 5 گروه طبقه بندی می شود.
کلاس Z: این کلاس در جریانی 2 تا 3 برابر جریان نامی عکس العمل نشان می دهد و مناسب حفاظت از مدارات حساس نیمه هادی است.
کلاس B: در جریان 3 تا 5 برابر جریان نامی مدار را قطع می کند. قطع کننده ها با منحنی کلاس B مناسب مصارف خانگی هستند.
کلاس C: در جریان 5 تا 10 برابر جریان نامی عمل می کند. این گروه با نام کلاس موتوری شناخته می شوند.
کلاس K: این کلاس مربوط به تجهیزاتی است که در جریان 10 تا 14 برابر جریان نامی عمل می کنند. این دسته برای حفاظت از ترانسفورماتور و موتور های سنگین به کار می روند.
کلاس D: در جریان 10 تا 20 برابر جریان نامی عمل می کند.
منحنی واکنش آنی : حداکثر سطح جریانی است که بریکر بدون هیچ تاخیری قطع می کند و به صورت یک خط نمایش داده میشود.
تجهیزات حفاظت از موتور الکتریکی
اگر قصد انتخاب یک تجهیز مناسب برای محافظت از موتور را داشته باشید، انتخاب های زیادی پیش روی شماست. به عنوان مثال تجهیزات حفاظتی زیمنس در انواع مختلف برای حفاظت از موتور مورد استفاده قرار می گیرند.
حفاظت از موتور با فیوز
فیوز از جمله قدیمی ترین تجهیزات حفاظتی است. فیوزها در برابر اتصال کوتاه از مدار محافظت می کنند. فیوز به عنوان یکی از اولین تجهیزات حفاظتی موتور در مدار قرار می گیرد. فیوز مناسب حفاظت موتوری باید بتواند جریان راه اندازی را در مدت زمان راه اندازی تحمل کند. مقدار جریان راه اندازی تقربا 5 تا 7 برابر جریان نامی است. مدت زمان استارت یا راه اندازی از 0.5 ثانیه در موتورهای کوچک شروع می شود و تا 60 ثانیه در موتور های نسبتا بزرگ بطول می انجامد. عموما در زمان انتخاب فیوز برای محافظت از موتور الکتریکی، مقدار آن را دو برابر جریان راه اندازی موتور در نظر می گیرند.
حفاظت از موتور با کلید مینیاتوری
کلید مینیاتوری یا Miniatour Circuit Breaker را به اختصار MCB نیز می نامند. کلید مینیاتوری خطای اتصال کوتاه و خطای اضافه بار را تشخیص می دهد. MCB ها نقش مهمی در حفظ ایمنی و جلوگیری از حوادث الکتریکی دارند. کلید مینیاتوری را به اشتباه فیوز مینیاتوری هم می نامند. فیوز عملکرد یکبار مصرف دارد و پس از اولین نوبت قطع مدار باید تعویض شود ولی از کلید ها به دفعات می توان استفاده کرد.
جزئیات بیشتر در مورد این بریکرها را در مقاله ” کلید مینیاتوری چیست و چه کاربردهایی دارد ” ببینید.
برای حفاظت از موتور باید از کلید میناتوری کلاس C استفاده کنید. این کلیدها عموما در رنج جریان 0.5 آمپر تا 100 آمپر تولید می شوند. البته در برخی برندها تفاوت های جزیی وجود دارد. به عنوان مثال رنج جریان کلید میناتوری زیمنس با توجه به دسته بندی آن متفاوت است.
حفاظت از موتور با رله اضافه بار
T.O.L یا Thermal over loud relay (رله اضافه بار) از موتور الکتریکی در مقابل خطای اضافه بار و عدم تعادل فاز محافظت می کند. رله اضافه بار به صورت سری با موتور بسته می شود و جریان موتور از آن عبور می کند. به منظور تشخیص خطای عدم تعادل فاز مشخصات حرارتی هر فاز به صورت مستقل اندازه گیری می شود. چنانچه یکی از فاز ها قطع شده باشد، جریان در سایر فاز ها بالا می رود. بالا رفتن جریان باعث ایجاد گرما می شود. پس از مدت زمان مشخصی، چنانچه روند افزایش گرما ادامه داشته باشد بیمتال فرمان قطع مدار را صادر می کند.
قطع مدار به صورت مستقیم توسط بیمتال انجام نمی شود و نیاز به تجهیزات اضافه مانند کنتاکتور وجود دارد. بی متال ها رنج جریانی متفاوتی دارند. به طور مثال رله بیمتال زیمنس که یکی از محصولات با کیفیت در بازار است رنج جریان 0.11 تا 100 آمپر دارد.
رله اضافه بار یا بیمتال اگر چه یک تجهیز خوب برای حفاظت موتور در مقابل اضافه بار و عدم تعادل فاز است اما تجهیز کاملی محسوب نمی شود. بیمتال به تنهایی توانایی حفاظت از موتور در مقابل جریان اتصال کوتاه را ندارد و به عنوان بخشی از یک مدار حفاظتی به کار می رود.
جزئیات بیشتر در مورد این تجهیزات را در مقاله ” بیمتال چیست و چگونه کار می کند ” ببینید.
حفاظت از موتور با کلید حرارتی
MCPB( Motor protection circuit bricker) یا کلید حرارتی به صورت تخصصی در حفاظت از موتور به کار می رود. کلید حرارتی از موتور در مقابل خطای اتصال کوتاه، اضافه بار و عدم تعادل فاز حفاظت می کند. در واقع این بریکر ترکیبی از توانایی های کلید مینیاتوری و رله بیمتال است.
با استفاده از کلید حرارتی امکان حفاظت کامل موتور وجود دارد و استفاده از آن باعث صرفه جویی در فضا و هزینه می شود. تریپ یونیت در کلید حرارتی می تواند حرارتی مغناطیسی و یا الکترونیکی باشد. کلید حرارتی در صورت تشخیص خطای اتصال کوتاه خیلی سریع مسیر جریان را قطع می کند. اما در رله بیمتال فرمان قطع مدار صادر می شود و باید تجهیز دیگری مانند کنتاکتور مدار را قطع کند. اینکار بر سرعت قطع مدار تاثیر گذار است.
جزئیات بیشتر در مورد این بریکرها را در مقاله ” کلید حرارتی چیست و چه کاربردهایی دارد ” ببینید.
کلید حرارتی قابلیت قطع مدار در زمان اضافه بار را با امکان مدیریت شرایط وصل مدار دارد. به این ترتیب تا خنک نشدن موتور، کلید حرارتی اجازه وصل مجدد آن را نمی هد. در صورت کاهش دما اجازه راه اندازی مجدد داده می شود. در برخی از انواع کلید های حرارتی امکان وصل مجدد مدار به صورت خودکار نیز وجود دارد.
کلید حرارتی زیمنس با پیش کد یا سری 3RV عرضه می شود. 3RV20 و 3RV21 و 3RV23 مخصوص حفاظت از موتور الکتریکی است. 3RV20 در بازار ایران رواج بیشتری دارد و رنج جریان 16 تا 100 آمپر را پوشش میدهد. برای محافظت از موتور با جریان های بیشتر از 100 آمپر به سراغ کلید اتوماتیک می رویم.
حفاظت از موتور با کلید اتوماتیک
کلید اتوماتیک (Molded Case Circuit Breaker) MCCB به منظور حفاظت از موتور و مدار در جریان های بالا مورد استفاده قرار میگیرد. کلید اتوماتیک از موتور در برابر خطای اضافه بار، اتصال کوتاه، عدم تعادل فاز و … محافظت می کند.
این کلید هم مشابه سایر بریکر ها مجهز به واحد تشخیص خطا است. اما ظرفیت شکست در کلید اتوماتیک نسبت به سایر تجهیزات حفاظت از موتور بالاتر است. رنج جریان این کلید عموما بین 100 آمپر تا 1000 آمپر است. برخی برند ها رنج جریان بالاتر را هم ارائه می دهند. به طور مثال کلید اتوماتیک زیمنس سری 3VA رایج ترین گروه کلید اتوماتیک این شرکت است. در این گروه تولیدات با کد 3VA2 حفاظت از موتور را در رنج جریان 100 تا 1600 آمپر انجام می دهند.
جزئیات بیشتر در مورد این کلیدها را در مقاله ” کلید اتوماتیک چیست و چه کاربردهایی دارد ” ببینید.
کلید ثابت یا قابل تنظیم
کلید اتوماتیک و کلید حرارتی به دو صورت ثابت و قابل تنظیم در بازار موجود هستند. در کلیدهای ثابت جریان قطع اتصال کوتاه و اضافه بار مقداری مشخصی دارد و غیر قابل تنظیم هستند. کلید ثابت نیاز به تنظیم دستی ندارد و امکان خطای انسانی را کاهش می دهد. ضمن اینکه هزینه کمتری نیز دارد.
اما کلید های قابل تنظیم امکانات بیشتری را در اختیار ما قرار می دهند. شرایط انتخاب جریان قطع اتصال کوتاه و اضافه بار را تریپ یونیت فراهم می کند. کلید های قابل تنظیم در سه مدل وجود دارند که بر اساس طراحی و نیاز کاربر انتخاب می شود:
- حرارتی – مغناطیسی قابل تنظیم
- حرارتی ثابت مغناطیسی قابل تنظیم
- حرارتی قابل تنظیم و مغناطیسی ثابت
به طور مثال اگر بخواهیم از موتور با کلید اتوماتیک ثابت محافظت کنیم باید کلیدی انتخاب کنیم که جریان قطع اتصال کوتاه آن بیشتر از مقدار جریان در زمان راه اندازی موتور است. پس اگر جریان موتور در زمان راه اندازی تا 6 برابر جریان نامی برسد کلید اتوماتیک ثابت با جریان قطع اتصال کوتاه 7 برابر جریان نامی مناسب است.
جمع بندی
موتور الکتریکی به عنوان یکی از تجهیزات مهم در سیستم های الکتریکی نیاز به حفاظت ویژه دارد. حفاظت از موتور الکتریکی در مقابل خطای اضافه بار، اتصال کوتاه و عدم تعادل فاز صورت می پذیرد. تجهیزات حفاظتی موتور الکتریکی شامل کلید مینیاتوری، رله اضافه بار( بیمتال)، کلید حرارتی و کلید اتوماتیک است. کلید مینیاتوری خطای اضافه بار و اتصال کوتاه را تشخیص می دهد.
بیمتال از موتور در مقابل خطای اضافه بار و عدم تعادل بار محافظت می کند. کلید حرارتی و کلید اتوماتیک محافظت کاملی در مقابل هر سه خطا از موتور الکتریکی دارد. کلید حرارتی به عنوان تجهیز حفاظتی تخصصی از موتور با نام MOTOR PROTECTION شناخته می شود. کلید اتوماتیک رنج جریان بالاتری را نسبت به کلید حرارتی پوشش می دهد.