کنتاکتور AC یک وسیله الکتریکی برای روشن و خاموش کردن مدارها و موتورهای AC از فواصل طولانی است. کنتاکتورها قادرند عملیات کنترلی متنوعی را بر روی موتور AC انجام دهند. از جمله می توان به راه اندازی، متوقف کردن، معکوس کردن جهت چرخش و تنظیم سرعت موتور اشاره کرد. کنتاکتورها همچنین با رله های حرارتی و سایر وسایل حفاظتی که از موتورها در برابر اضافه بار یا خرابی فاز محافظت می کنند، ترکیب می شوند.
از جمله کاربردهای دیگر کنتاکتورهای AC می توان به کنترل بارهای قدرت نظیر بخاری برقی، ماشین های روشنایی الکتریکی، دستگاه های جوش برقی، بانک های خازنی و غیره اشاره کرد. با توجه به تنوع نوع بار و همچنین میزان مصرف بارهای مختلف، انواع متفاوتی از کنتاکتورها طراحی و تولید شده اند.
کنتاکتورها از نظر ساختاری تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند. اما در بخش هایی مانند جنس تیغه ها، ضخامت تیغه ها و همچنین ابعاد فیزیکی باهم متفاوت هستند. در این مقاله به بررسی ساختار و عملکرد کنتاکتور AC می پردازیم. همچنین کلاس بندی مورد استفاده برای انواع مختلف بارها را بیان می کنیم.
ساختار کنتاکتور
در یک نگاه کلی ساختار کنتاکتورها شامل واحد الکترومغناطیسی (بوبین یا سیم پیچ) ، قسمت کنتاکت ها (پلاتین ها)، قسمت جرقه گیر و برخی قسمت های دیگر است. هریک از این بخش ها عملکرد متفاوتی دارند که در ادامه بیان خواهم کرد.
برای اطلاعات بیشتر درباره پلاتین ها مقاله “پلاتین کنتاکتور” را مطالعه کنید
• قسمت الکترومغناطیسی:
این بخش شامل سیم پیچ الکترومغناطیسی و هسته آهنی است. عملکرد این سیستم باعث باز و بسته شدن کنتاکت ها می شود.
• قسمت کنتاکت ها:
این سیستم بخش اجرایی کنتاکتور و شامل دو کنتاکت اصلی و کمکی است. کنتاکت اصلی برای قطع و وصل مدار اصلی و کنترل جریان زیاد استفاده می شود. اما وظیفه کنتاکت کمکی تامین نیاز مدهای مختلف کنترلی در مدار کنترل است.
• قسمت کنترل جرقه (آرک):
در هنگام تغییر وضعیت کنتاکت ها جرقه هایی تولید میشود که می تواند به کنتاکت ها آسیب برساند. این بخش از کنتاکتور AC وظیفه کنترل جرقه های تولید شده را بر عهده دارد. عملکرد صحیح این بخش تاثیر مهمی در طول عمر و پایداری عملکرد کنتاکتور دارد.
• سایر قطعات:
کنتاکتور همچنین بخش هایی از جمله پوسته کنتاکتور که عایق است، فنر که باعث بازگشت کنتاکت های متحرک به جای قبلی خود می شود، حلقه اتصال کوتاه، مکانیزم انتقال و غیره را نیز شامل می شود.
کنتاکتور AC چگونه کار می کند؟
برقراری جریان در سیم پیچ الکترومغناطیسی سبب افزایش قدرت آهنربایی آن می شود . این افزایش تا زمانی که مکش سیستم الکترومغناطیسی بر نیروی واکنش فنر آنتاگونیست و فنر تماسی غلبه کند، ادامه پیدا می کند. در این حالت کنتاکت متحرک با نیروی الکترومغناطیسی جذب شده و به کنتاکت ثابت می چسبد. اتصال کنتاکت ها به معنای وصل شدن مدار اصلی و روشن شدن مصرف کننده است.
هنگامی که جریان سیم پیچ قطع می شود، کنتاکت متحرک تحت تأثیر نیروی واکنش فنرها حرکت می کند و تماس قطع می شود. قطع تماس کنتاکت ثابت و متحرک سبب ایجاد جرقه می شود. با هدایت نیروی الکتریکی و نیروی آیرودینامیکی مدار کنتاکت، جرقه در محفظه خاموش کننده کنترل و سپس مدار اصلی خاموش می شود.
پارامترهای کلیدی کنتاکت
• فاصله بین کنتاکت های باز:
این پارامتر به کوتاه ترین فاصله بین کنتاکت های متحرک و ثابت که سبب قطع جریان می شود اشاره دارد. اندازه این فاصله براساس توانایی تحمل ولتاژ اضافی احتمالی در مدار و توانایی خاموش کردن جرقه تعیین می شود.
• اور ران (over run) :
پس از چسبیدن کنتاکت متحرک به کنتاکت ثابت، کنتاکت ثابت مقداری به عقب رانده می شود. این پارامتر به فاصله ای اطلاق می شود که کنتاکت متحرک پس از رسیدن به کنتاکت ثابت همچنان به حرکت خود ادامه می دهد. مقدار آن براساس خوردگی الکتریکی که کنتاکت در محدوده کاری متحمل شده است تعیین می شود.
• فشار اولیه:
فشار مثبتی که بلافاصله در لحظه بسته شدن به کنتاکت کنتاکتور AC وارد می شود.
• فشار پایانی:
میزان فشاری که در نقطه پایانی بسته شدن به کنتاکت تحمیل می شود. عوامل زیادی از جمله افزایش دما، ذوب شدن کنتاکت و غیره در تعیین میزان این فشار اثر گذارهستند.
• جنس ماده استفاده شده برای تولید کنتاکت ها:
در تولید کنتاکت ها از مواد مختلفی استفاده می شود که هر کدام ویژگی های متفاوتی دارند. در جدول زیر به اختصار این مواد را مورد بررسی قرار داده ایم:
جنس کنتاکت | مشخصات | کاربردها |
AgNi+Au | – به دلیل پوشش طلا ضدخوردگی در هواست. – در مقایسه با سایر مواد، مقاومت کنتاکت کمتر می شود و در بارهای کوچک پایداری بهتری دارد. – رسانایی الکتریکی و گرمایی بسیار خوب | – برای بارهای کوچک 10mW تا 1.5 وات – برای بارهای متوسط 2.4W تا 60W |
AgPd | – مقاوم در برابر خوردگی و مقاوم در برابر حرارت زیاد در دمای اتاق – مقاومت کنتاکت کم و پایداری خوب – قیمت بالا | – برای بارهای کوچک 10mW تا 1.5 وات – برای بارهای متوسط 2.4W تا 60W |
AgNi | – ماده استاندارد مورد استفاده در کنتاکت اغلب رله ها – رسانایی الکتریکی و گرمایی خوب – مقاوم در برابر فرسایش – مقاوم در برابر جوش خوردن کنتاکت – سهولت تولید به شکل سولفید | – بارهای مقاومتی و بارهای القایی کوچک – معمولا جریان نامی کمتر از 12 آمپر – معمولا حداکثر جریان لحظه ای قابل تحمل کمتر از 25 آمپر |
AgCdO | – بارهای بزرگ AC – رسانایی الکتریکی و گرمایی خوب – مقاومت خوب در برابر فرسایش – مقاومت خوب در برابر قفل شدن – سهولت تولید به شکل سولفید | – بارهای مقاومتی، موتور و بار القایی – معمولا جریان نامی کمتر از 30 آمپر – معمولا حداکثر جریان لحظه ای قابل تحمل کمتر از 50 آمپر |
AgSnO2 | – مقاومت بالا در برابر قفل شدن – نسبت به مواد بالا جریان DC کمتری را می تواند عبور دهد – سهولت تولید به شکل سولفید | – لامپ ها، بارهای خازنی و بارهای القایی – جریان لحظه ای بسیار بالا (بیش از 120 آمپر) |
AgSnO2 به همراه سایر اکسیدها | – مقاومت بالا در برابر قفل شدن – نسبت به مواد بالا جریان DC کمتری را می تواند عبور دهد – سهولت تولید به شکل سولفید | – لامپ ها، بارهای خازنی و بارهای القایی – جریان لحظه ای بسیار بالا (بیش از 120 آمپر) |
آهنربای الکتریکی و عملکرد آن در کنتاکتور AC
آهنربای الکتریکی از لایه های سیلیکونی ساخته شده است. هسته آهنی این آهنربا به دو بخش متحرک و ثابت تقسیم می شود. همانطور که از نام ان پیداست، بخش ثابت هسته همواره در جای خود ثابت است. هنگامی که سیم پیچ کنتاکتور روشن می شود، هسته متحرک تحت تأثیر جاذبه الکترومغناطیسی به سمت هسته ثابت حرکت می کند.
با خاموش شدن سیم پیچ و تحت تأثیر نیروی فنر، هسته متحرک به موقعیت اولیه خود باز می گردد. در واقع آهنربای الکتریکی انرژی الکترو مغناطیسی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. این بخش از کنتاکتور AC از سیم پیچ برای تولید میدان مغناطیسی در هسته آهنی، جذب آرمیچر و هدایت قطعات مکانیکی جهت تکمیل اقدامات مورد انتظار بهره می برد.
موارد استفاده و بارهای قابل کنترل با کنتاکتور AC
تجهیزات الکتریکی مختلف تفاوت های زیادی با هم دارند. این تفاوت ها در خواص بار و تغییرات جریان در فرآیند روشن و خاموش شدن بار حائز اهمیت است. با توجه به تفاوت بارهای مورد کنترل، الزامات کنتاکتورهای مورد استفاده نیز متفاوت است. با توجه به تفاوت های موجود بین بارهای تحت کنترل و در نتیجه کنتاکتورها، یک استاندارد بین المللی برای این تجهیزات تعریف شده است. طبق این استاندارد کنتاکتورها را در کلاس های مختلف دسته بندی می کنند. جدول زیر به صورت خلاصه به این دسته بندی اشاره دارد:
استاندارد کنتاکتور | موارد استفاده از کنتاکتور |
AC1 | باراهمی – بار غیر سلفی یا باخاصیت سلفی ضعیف – گرم کن برقی COSΦ=0/95 |
AC2 | برای راه اندازی موتورهای آسنکرون روتور سیم پیچی، بدون ترمز جریان مخالف، جریان راه اندازی بستگی به مقاومت مدار روتور دارد. پارامترهای موتور بر قیمت کنتاکتور تاثیر خواهد داشت. |
AC2 | برای راه اندازی موتور آسنکرون روتور سیم پیچی با ترمز جریان مخالف |
AC3 | برای راه اندازی موتور آسنکرون روتور قفسه‌ای – هنگام قطع جریان نامی از تیغه‌های کنتاکتور عبور می‌کند – تحمل جریان راه اندازی 5 تا 7 برابر جریان نامی |
AC4 | برای راه اندازی موتور آسنکرون روتور قفسه‌ای – به کار بردن ترمز جریان مخالف – تغییر جهت گردش الکتروموتور روتور قفسه‌ای – تعداد دفعات قطع و وصل زیاد در فواصل زمانی اندک |
AC11 | کنتاکتور کمکی – کنتاکتور فرمان بدون داشتن کنتاکت قدرت کوپل مغناطیسی – استفاده فقط در مدار فرمان |
در ادامه به معرفی رایج ترین بارهای قابل کنترل با کنتاکتور و نکات مهم در انتخاب کنتاکتور مناسب هریک می پردازیم.
سیستم های گرمایش برقی (هیتر)
جریان راه اندازی سیم های مقاومت بالا که در هیتر الکتریکی استفاده می شود، می تواند به 1.4 برابر جریان نامی دستگاه برسد. از جمله سیستم های گرمایش الکتریکی می توان منابع گرمایش داخلی، اجاق برقی، تهویه مطبوع و سایر تجهیزات را نام برد. با افزایش ولتاژ شبکه به میزان 10 درصد، جریان کاری مقاومت نیز به همین نسبت افزایش می یابد. هنگام انتخاب جریان نامی کنتاکتور برای هیترها نکات یاد شده را در نظر بگیرید. برای این نوع بارها از کنتاکتورهای سری AC-1 استفاده می شود.
بار ترانسفورماتوری ولتاژ پایین
هنگامی که یک ترانسفورماتور ولتاژ پایین شروع به کار می کند، در مدت زمان بسیار کوتاهی یک پیک جریانی به بزرگی 15 تا 20 برابر جریان نامی ترانسفورماتور تولید می کند. میزان این جریان به آرایش سیم پیچ و خواص هسته ترانسفورماتور مربوط می شود.
به عنوان مثال برای ترانسفورماتور مورد استفاده در دستگاه جوش برقی، عملیات جوش با اتصال کوتاه شدن سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور از طریق الکترود انجام می شود. هنگام استفاده از دستگاه جوش برقی، یک جریان بزرگ ناگهانی تولید می شود که فشار زیادی را به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور تحمیل می کند.
در این حالت، پارامترها و شرایط عملیاتی باید مشخص شوند. به عنوان مثال جریان نامی خروجی ترانسفورماتور، جریان اتصال کوتاه و فرکانس جوش در هنگام کوتاه شدن الکترود جوش از جمله پارامترهای مهمی است که باید در نظر گرفته شوند. برای این کاربردها از کنتاکتورهای AC کلاس AC-6A می توانید استفاده کنید.
تجهیزات روشنایی
روشن شدن یک لامپ رشته ای، جریان ضربه ای بزرگی تولید می کند که حدود 15 برابر جریان نامی لامپ است. تجهیزات روشنایی مختلف، هنگام روشن شدن جریان ضربه ای و زمان شروع متفاوتی دارند. ضریب توان بارهای روشنایی برابر با 1 نیست. عموما برای این بارها از کنتاکتور AC کلاس AC-5a استفاده می شود. همچنین اگر ولتاژ مجاز 10 درصد افزایش یابد، جریان بر این اساس افزایش می یابد. در این موارد از کنتاکتورهای کلاس AC-5b استفاده می شود.
بارهای خازنی
زمانی که بار خازنی روشن می شود، فرآیند شارژ گذرا اتفاق می‌افتد و جریان شارژ به مقدار بالایی می رسد. در این حالت شاهد تغییرات فرکانس خواهیم بود و فرکانس ممکن است تا هزاران هرتز افزایش پیدا کند. بنابراین الزامات شدیدی برای راه اندازی این قبیل بارها وجود دارد.
به منظور کنترل بارهای خازنی با در نظر گرفتن ملاحظات اقتصادی و جلوگیری جوش خوردن کنتکت ها در محل اتصال تحت شرایط کاری نامطلوب، می توان بارهای القایی یا مقاومت اضافی را به مدار اضافه کرد. این مقاومت ها به صورت سری با خازن ها و شاخه های مدار وصل می شوند. وجود این تجهیزات اضافی جریان راه اندازی را محدود کرده و تأثیر آن بر شبکه اصلی را کاهش دهد. برای کنترل بار خازنی از کنتاکتور AC کلاس AC-6B استفاده می شود.
کنتاکتور AC برای کنترل موتور
موتورهای ولتاژ پایین از جمله پرکاربردترین بارها در صنعت هستند. موتورهای القایی روتور زخمی و موتور آسنکرون پرکاربردترین نوع موتورهای AC هستند. هنگامی که موتور القایی روتور زخمی راه اندازی می شود یک مقاومت متصل به مدار روتور، جریان راه اندازی را محدود می کند. با این حال، زمان راه اندازی بارهای مختلف متفاوت است. هر چه بار سنگین تر باشد، زمان راه اندازی آن بیشتر می شود. برای کنترل موتور القایی از کنتاکتور AC کلاس AC-2 استفاده می شود.
به طور کلی موتورهای آسنکرون به صورت مستقیم راه اندازی می شوند. پس از فروکش کردن جریان راه اندازی، جریان پایداری در مدار برقرار می شود. به طور کلی، جریان راه اندازی (مقدار موثر) IA در موتور آسنکرون 4 تا 8 برابر جریان نامی موتور است. جریان بی باری IO موتور برابر با (0.95 ~ 0.2) جریان نامی است. زمان شروع TA تحت بار معمولی کمتر از 10 ثانیه است و در هنگام حمل بار سنگین ممکن است این زمان به بیشتر از 10 ثانیه افزایش پیدا کند.
کنتاکتور AC مورد استفاده برای راه اندازی و کنترل عملکرد موتور آسنکرون، در کلاس کاری AC-3 دسته بندی می شود.
زمانی که موتور آسنکرون در شرایط استارت و ترمز اتصال معکوس نرمال، عملکرد معکوس یا اینچ همزمان کار می کند، جریان اتصال و قطع آن برابر با جریان راه اندازی موتور هستند. برای این موتورها از کنتاکتورهای کلاس AC-4 استفاده می شود که دارای الزامات سخت گیرانه تری نسبت به کلاس AC-3 است.
جمع بندی
در این مقاله به بررسی عملکرد کنتاکتور AC پرداختیم و بخش های اصلی آن را مورد بررسی قرار دادیم. از جمله نکات بسیار مهم در انتخاب کنتاکتورها می توان به جنس تیغه ها اشاره کرد. آلیاژهای مختلف استفاده شده در تیغه کنتاکتورها آن ها را برای کارهای متفاوتی مناسب می کند. همچنین با توجه به نوع باری که قرار است به کنتاکتور متصل شود، ملاحظات متفاوتی را باید در نظر بگیریم.
به منظور سهولت استفاده و استانداردسازی، کنتاکتورهای AC در کلاس های کاری مختلفی دسته بندی شده اند. برای انتخاب متناسب با کاربری مورد انتظار لازم است آیتم های مختلفی از جمله جریان راه اندازی و نوع بار را در نظر بگیرید.