کنتاکتورها به صورت گسترده در صنایع مختلف و حتی ساختمان های مسکونی مورد استفاده قرار می گیرند. سرج پروتکتور کنتاکتور یکی از تجهیزات حفاظتی است که در کنار کنتاکتور باید نصب شود. این کلیدهای الکترومکانیکی از راه دور و به کمک یک سیگنال راه انداز کنترل می شوند. مکانیزم فرمان کنتاکتور شامل یک سیم پیچ الکترومغناطیسی است. در لحظه قطع سیگنال فعال ساز و براساس قانون لنز، یک نیرو محرکه مغناطیسی معکوس در دو سر سیم پیچ ایجاد می شود.
نتیجه این حالت، تحمیل یک ولتاژ معکوس بزرگ به مدار است. این ولتاژ می تواند آسیب های جدی به ویژه برای قطعات و تجهیزات الکترونیکی از جمله plc به همراه داشته باشد. به منظور حفاظت از مدار در برابر این وضعیت از سرج پروتکتور استفاده می شود. در این مقاله به بررسی نحوه ایجاد سرج و محافظت از مدار در برابر آن می پردازیم.
سرج چیست؟
قبل از پرداختن به سرج پروتکتور کنتاکتور، مقدمه ای در مورد سرج بیان می کنیم. SURGE در لغت به معنای نوسان یا افزایش ناگهانی است. منظور از سرج در مدار الکتریکی، ایجاد یک موج گذرا روی جریان، ولتاژ یا توان است. به طور خاص در سیستم‌های قدرت، یک اضافه ولتاژ با مدت زمان کمتر از نیم سیکل در شکل موج ولتاژ ایجاد می شود. این نوسان می تواند در سیکل مثبت یا منفی اتفاق بیافتد و بنابراین ولتاژ را افزایش یا کاهش می دهد. این وضعیت در زمان کوتاهی از بین می رود. شکل زیر نمونه ای از این وضعیت را نشان می دهد.
این نوسانات گذرا، سبب افزایش ناگهانی ولتاژ یا اختلال در شکل موج می شوند وممکن است به تجهیزات الکترونیکی آسیب وارد کنند و یا حتی آن ها را به کلی از بین ببرند. سرج می تواند تا دامنه های ده ها هزار ولت برسد. این نوسانات به طور کلی در بازه های زمانی میکرو ثانیه اتفاق می افتند.
تجهیزات الکتریکی برای کار در یک ولتاژ نامی مشخص مانند 240 ولت AC طراحی شده اند. اغلب تجهیزات قابلیت تحمل تغییرات جزئی در ولتاژ اسمی استاندارد خود را دارند. با این حال، نوسانات بزرگ می‌تواند تقریباً به همه تجهیزات آسیب برساند. با استفاده از سرج پروتکتور کنتاکتور می توان مدار را در برابر بخشی از این نوسانات محافظت کرد. دلایل مختلفی برای ایجاد سرج در مدار وجود دارد. در یک دسته بندی کلی منابع تولید سرج را می توان به دو گروه داخلی و خارجی تقسیم کرد.
منابع خارجی ایجاد سرج
قابل تشخیص ترین منبع موج های تولید شده در خارج از تاسیسات، صاعقه است. اگرچه رعد و برق در مناطق خاصی تا حدودی نادر است، اما آسیبی که به تاسیسات وارد کند می تواند فاجعه بار باشد. سایر منابع خارجی این نوسانات ناخواسته شامل سوئیچینگ شبکه برق و بانک خازن می شود.
منابع داخلی سرج
روشن و خاموش شدن و عملکرد برخی از بارهای الکتریکی – به صورت خواسته یا ناخواسته- می تواند منبعی برای ایجاد سرج در سیستم الکتریکی باشد. این نوسانات به مراتب بیشتر از سرج با منبع خارجی رخ می‌دهند. روشن و خاموش شدن تجهیزات به عنوان بخشی از عملیات روزانه رخ می دهد.
منابع سوئیچینگ و ایجاد سرج در شبکه عبارتند از:
- عملیات کنتاکتور، رله و بریکر
- سوئیچینگ بانک ها و بارهای خازن (مانند اصلاح ضریب توان)
- تخلیه دستگاه های القایی (موتور، ترانسفورماتور و …)
- شروع و توقف بارها
- خطای زمین
- رفع خطا یا وقفه
- بازیابی سیستم برق (در صورت قطعی)
- سستی اتصالات
- کوپلینگ مغناطیسی و القایی
از دیگر منابع داخلی ایجاد سرج در شبکه می توان به تخلیه الکتریسیته ساکن اشاره کرد.
سرج ناشی از عملیات کنتاکتور
همانطور که در بخش قبل به آن اشاره کردیم، یکی از منابع اصلی ایجاد سرج داخلی در مدار، تغییر وضعیت یا عملیات کنتاکتور است. در مقاله “کنتاکتور چیست؟” تشریح کردیم که تغییر وضعیت کنتاکتور در اثر اعمال سیگنال فرمان به سیم پیچ اتفاق می افتد. رسیدن سیگنال فرمان به بخش الکترومغناطیسی کنتاکتور سبب ایجاد آهنربای الکتریکی و وصل شدن کنتاکت ها می شود.
کلیه قوانین حاکم بر مدارات الکترومغناطیسی، بر مکانیزم فرمان کنتاکتور حاکم است. طبق قانون لنز، میدان مغناطیسیِ در حال کاهش، جریانی را در جهت معکوس به مدار القا می‌کند. در نتیجه این جریان، یک پتانسیل منفی روی سیم پیچ ایجاد می‌شود که نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back EMF) یا ولتاژ بازگشتی (Flyback Voltage) نامیده می‌شود.
پدیده EMF برگشتی زمانی در مدارهای القایی رخ می دهد، که جریان عبوری از یک سیم پیچ به طور ناگهانی قطع شود یا تغییر کند. فروپاشی میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان عبوری از سیم پیچ سبب ایجاد این ولتاژ می شود. برای مقابله با این ولتاژ ناخواسته از سرج پروتکتور کنتاکتور استفاده می شود.
اثرات ولتاژ بازگشتی روی مدار
در بخش قبل اشاره کردیم که نیروی الکترومغناطیسی معکوس، سبب ایجاد ولتاژی بزرگ با پلاریته معکوس در دو سر سیم پیچ می شود. در این وضعیت سیم پیچ تلاش می کند تا انرژی ذخیره شده را تخلیه کند. از آنجا که مقاومت فیزیکی در محل باز شدن مدار وجود ندارد، این ولتاژ به صورت یک جرقه بزرگ تخلیه می شود.
تمام انرژی این جرقه به شکل گرما در تیغه های کنتاکتور تخلیه می شود. این وضعیت به تیغه ها آسیب می رساند و طول عمر آن ها را به شدت کاهش می دهد. تجهیزاتی مانند کلیدهای الکترومکانیکی (کنتاکتورها) و قطعات نیمه هادی مانند ترانزیستورها از این شرایط آسیب می بینند. در واقع ولتاژ فلایبک سبب ایجاد سرج الکتریکی شده و به سایر اجزای مدار آسیب می رساند. جالب است بدانید این وضعیت حتی به خروجی های plc متصل به مدار فرمان آسیب می رساند. اما با استفاده از تجهیزاتی ساده به نام سرج پروتکتور کنتاکتور می توان این آسیب ها را به حداقل رساند.
سرج پروتکتور یا جرقه گیر کنتاکتور
این تجهیزات ساده قادرند سرج ایجاد شده در اثر سوئیچینگ کنتاکتور را کنترل کنند و از وارد شدن آسیب به کنتاکتور و سایر اجزای مدار جلوگیری کنند. این تجهیزات با نام تجاری Surge Protector، Surge Supppressor یا Surge Protective Device (SPD) شناخته می شوند. این تجهیزات ساده به صورت موازی با کویل کنتاکتور بسته شده و مدار را در برابر سرج ناشی از عملکرد کنتاکتور محافظت می کنند. اغلب برندهای عرضه کننده کنتاکتور، سرج پروتکتور کنتاکتور را به عنوان یکی از تجهیزات جانبی به بازار عرضه می کنند.
SPD ها را می توان براساس مدار داخلی شان به 5 دسته مختلف تقسیم کرد. در ادامه به بررسی هریک از این ساختارها خواهیم پرداخت. لازم به ذکر است ساختارهای دیودی و دیودی – زنری صرفا برای کنتاکتور DC مورد استفاده قرار می گیرند. منظور از کنتاکتور DC در اینجا کنتاکتوری است که ولتاژ کویل آن DC باشد.
“همه چیز درباره کنتاکتور DC و کاربردهایش” را اینجا بخوانید
دیود هرزگرد
یکی از ساده ترین ساختارهای موجود برای سرج پروتکتور یا جرقه گیر کنتاکتور، شامل یک دیود است که در به صورت معکوس با کویل کنتاکتور موازی می شود. این ساختار پرکاربرد به دیود هرزگرد مشهور است و کاربرد گسترده ای در مدارات الکترونیکی دارد.
با ایجاد ولتاژ معکوس در دو سر سیم پیچ، دیود در بایاس مستقیم قرار می گیرد و انرژی ذخیره شده از طریق آن تخلیه می شود.
جزئیات بیشتر در این زمینه را می توانید در مقاله “دیود هرزگرد کنتاکتور” ببینید. این ساختار تنها در مدار DC قابل استفاده است.
ساختار دیودی – زنری
این ساختار نیز مانند دیود هرزگرد تنها برای کنتاکتورهای با سیگنال فرمان DC قابل استفاده است. در این ساختار یک دیود زنر به صورت معکوس با دیود هرزگرد سری می شود. این دیود زنر در فرآیند کنترل جرقه کنتاکتور نقش پررنگی ندارد. دلیل استفاده از دیود زنر، حفاظت از دیود هرزگرد در برابر ولتاژهای بزرگی است که ممکن است به دیود آسیب برسانند.
وریستور کنتاکتور
وریستورها در هر دو سیستم ولتاژی AC و DC قابل استفاده هستند. وریستورها در واقع مقاومت های وابسته به ولتاژ (Voltage Dependent Resistors) هستند. در شرایط کار عادی مقاومت وریستور بسیار بالا است. در این حالت مدار به عملکرد خود ادامه می دهد. اگر ولتاژ دو سر وریستور از حد آستانه (یا ولتاژ شکست) بالاتر برود، مقاومت موثر وریستور به شدت کاهش پیدا می کند.
براساس قانون اهم، کاهش مقاومت وریستور سبب بسته شدن مسیر جریان از طریق آن و تخلیه آرام سرج می شود. وریستور به عنوان یکی از رایج ترین نمونه های سرج پروتکتور کنتاکتور شناخته می شود.
جزئیات بیشتر در مورد عملکرد این قطعه را می توانید در مقاله
“تجزیه و تحلیل عملکرد و انتخاب وریستور برای کنتاکتور AC” ببینید.
دیود TVS به عنوان جرقه گیر کنتاکتور
دیود سرکوب کننده ولتاژ گذرا (Transient-Voltage-Suppression) یک قطعه الکترونیکی است که برای محافظت از وسایل الکترونیکی در برابر نوسانات ناگهانی ولتاژ ساخته شده است. هنگامی که ولتاژ القایی از ولتاژ شکست این دیود بیشتر شود، TVS مسیر جریان را باز می کند. با این عملکرد تمام ولتاژهای بیشتر از ولتاژ شکست دیود سرکوب می شوند. با از بین رفتن اضافه ولتاژ، دیود به طور خودکار بازنشانی می شود. این دیودها مانند وریستور در مدار AC و DC قابل استفاده هستند.
استفاده از ترکیب RC در سرج پروتکتور کنتاکتور
این ترکیب در هر دو سیستم AC و DC مورد استفاده قرار می گیرد. ترکیب خازن و مقاومت سری، در واقع یک فیلتر بالاگذر است. با توجه به زمان بسیار کوتاه سرج، این سیگنال ها فرکانس بالایی دارند. این فیلتر بالاگذر با فراهم کردن امکان عبور سیگنال های فرکانس بالا، از کنتاکتور و سایر تجهیزات در برابر سرج حفاظت می کند. این ترکیب برای کاربردهایی که سرعت تغییرات در آن زیاد نیست عملکرد قابل اطمینانی ندارند.
در واقع بر خلاف نمونه های قبلی که به افزایش ولتاژ حساس بودند، این ترکیب به افزایش فرکانس حساس است. با طراحی مناسب و در نظر گرفتن مقادیر دقیق مقاومت و خازن می توان عملکرد این فیلترها را بهبود داد..
یکی از تجهیزاتی که استفاده از آن در کنار کنتاکتور عملکرد کلی مدار را بهبود می بخشد، خازن عدسی کنتاکتور است.
این خازن به موازات سیم پیچ کنتاکتور نصب می شود. سیم پیچ کنتاکتور به عنوان یک بار القایی نسبت به نوسانات سیگنال فرمان پاسخ های شدیدی نشان می دهد. ولتاژهای ناخواسته ناشی از این نوسانات می تواند آسیب های جدی به سایر بخش های مدار به ویژه تجهیزات الکترونیکی وارد کند. با استفاده از یک خازن عدسی می توان از این مشکلات پیشگیری کرد.
برای اطلاعات بیشتر درباره این خازن مهم به مقاله “خازن عدسی کنتاکتور” مراجعه کنید.
کاربرد جرقه گیر کنتاکتور
سرج پروتکتور از جمله تجهیزاتی است که علاوه بر کنتاکتور، از سایر تجهیزات مدار نیز حفاظت می کند. در استفاده از جرقه گیرها به چند نکته مهم باید توجه کرد:
- نکته اول: براساس سیستم ولتاژی سیم پیچ کنتاکتور، روش مناسب را از بین روش های بالا انتخاب کنید.
- نکته دوم: برخی از کنتاکتورها از جرقه گیر داخلی بهره می برند. برای اطمینان از اینکه کنتاکتور به جرقه گیر نیاز دارد یا نه، کاتالوگ محصول مورد نظر را بررسی کنید. همچنین اطلاعات کافی در موردسرج پروتکتور مناسب برای کنتاکتور را می توانید در کاتالوگ ببینید..
برخی از برندهای معتبر تولید کننده کنتاکتور، سرج پروتکتور کنتاکتور را به عنوان یکی از تجهیزات جانبی کنتاکتور عرضه می کنند. به عنوان مثال کنتاکتور زیمنس از قطعه استاندارد Siemens Surge Supppressor برای این منظور استفاده می کند.
جمع بندی
نوسانات ناخواسته یا سرج از جمله چالش های مدارهای الکتریکی است که باید با آن مقابله کنیم. منابع مختلفی برای تولید سرج در مدار الکتریکی وجود دارد که یکی از آن ها تغییر وضعیت یا کلید زنی مدار است. کنتاکتور یکی از کلیدهای پرکاربرد در صنایع مختلف است. مکانیزم فرمان کنتاکتور از یک سیم پیچ الکترومغناطیسی بهره می برد که قطع ناگهانی ولتاژ دو سر آن سبب القای یک ولتاژ بزرگ با پلاریته معکوس در دوسر سیم پیچ می شود.
این ولتاژ معکوس می تواند برای تیغه های کنتاکتور و سایر تجهیزات مدار از جمله plc ها آسیب های جدی به بار بیاورد. برای حفاظت از مدار در برابر این آسیب ها می توان از سرج پروتکتور کنتاکتور استفاده کرد. این تجهیزات با نام جرقه گیر کنتاکتور نیز شناخته می شوند.