پیشرفت تکنولوژی سبب ایجاد تغییر گسترده در تجهیزات برق صنعتی شده است. انواع مختلفی از این تجهیزات برای کاربردهای متفاوت عرضه شده است. یکی از تجهیزاتی که از گذشته تا به امروز همواره نقش مهمی در صنایع مختلف بازی کرده است، کنتاکتور است.
این کلیدهای الکترومکانیکی کاربردهای گسترده ای دارند. تا آنجا که موضوع وظیفه کنتاکتور در تابلو برق مورد بررسی قرار گرفته است. ترکیب این کلیدها با کلید اتوماتیک یا کلید مینیاتوری به منظور راه اندازی موتور الکتریکی به روش مستقیم بسیار مرسوم است. علاوه بر این کاربردهای گسترده دیگری نیز دارند. با من همراه باشید تا این کلیدهای پرکاربرد را بیشتر بررسی کنیم.
کنتاکتور چیست؟
به بیان ساده کنتاکتور یک کلید الکترومکانیکی است که برای قطع و وصل مدار الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. کنتاکتورها را می توان به کمک یک سیگنال الکتریکی که سیگنال فرمان نامیده می شود از راه دور کنترل کرد. معمولاً ولتاژ کنترلی در سطح بسیار پایین تری نسبت به ولتاژ تغذیه بار قرار دارد. به عنوان مثال، با یک سیگنال فرمان 24 ولتی می توان یک موتور الکتریکی 220 ولتی را کنترل می کرد.
عملکرد این کلید مشابه رله است اما تفاوت های زیادی دارند. مهمترین تفاوت کنتاکتور و رله در رنج جریان آن ها است. این کلیدها دارای یک تیغه اصلی و در برخی موارد چند تیغه کمکی هستند. تیغه اصلی به طور معمول در وضعیت باز (Normally open) قرار دارد. با اعمال ولتاژ به سیم پیچ فرمان، مسیر بسته و توان عملیاتی بار تامین می شود.
کنتاکتورها انواع مختلفی دارند. هر کدام از آن ها ویژگی ها، قابلیت ها و کاربردهای خاصی دارند. بازه جریانی وسیع چند آمپر تا هزاران آمپر توسط این کلیدها پوشش داده می شود. به عنوان مثال کنتاکتور زیمنس تا توان 250 کیلووات را در سری 3RT1 پوشش می دهد. این تجهیزات از نظر ابعادی نیز بسیار متنوع هستند.
انواع کنتاکتور
کنتاکتورها به منظور کنترل عملکرد یا روشن و خاموش کردن وسایل برقی مورد استفاده قرار می گیرند. کنترل از راه دور مهمترین شاخصه این کلیدها است. CONTACTOR را می توان به راحتی و با اعمال ولتاژ بوبین از راه دور کنترل کرد. این قابلیت امکان کنترل مصرف کننده ها از طریق مدار فرمان و پی ال سی را نیز فراهم می کند.
به عنوان مثال PLC فرمان روشن شدن موتور را به مدار فرمان ارسال می کند. سپس مدار فرمان سیگنال فعالسازی را برای کنتاکتور ارسال و موتور روشن می شود.
در حال حاضر انواع کنتاکتور متناسب با نیازهای مختلف صنایع تولید و روانه بازار شده است. از نظر سیستم ولتاژی می توان این کلیدهای الکترومغناطیسی را در گروه های زیر دسته بندی کرد:
- کنتاکتور AC تکفاز
- کنتاکتور AC سه فاز
- کنتاکتور DC
لازم به ذکر است این دسته بندی براساس ولتاژ بار انجام شده است. بوبین کنتاکتورها می تواند با ولتاژ AC یا DC فعال شود.
ساختار داخلی
اجرای فرآیند مورد انتظار تجهیزات الکتریکی، به وسیله ساختار داخلی آن ها امکانپذیر می شود. اجریا صحیحی فرآیند از جمله پارامترهای مهمی است که در طراحی این تجهیزات مورد توجه قرار می گیرد. آشنایی با ساختار داخلی به درک بهتر عملکرد تجهیزات کمک می کند.
در منابع مختلف عناوین متفاوتی برای بخش های داخلی کنتاکتورها ذکر شده است. براساس عملکرد می توان ساختار داخلی این کلیدها را شامل بخش های زیر دانست:
سیم پیچ یا آهنربای الکتریکی
این بخش از ساختار را می توان بخش فرمان کنتاکتور نیز معرفی کرد. سیم پیچ نیرو محرکه لازم برای بستن تیغه اصلی یا به عبارت بهتر مسیر جریان بار را فراهم می کند. نمونه های مختلف contactor از سیم پیچ های متفاوتی بهره می برند. ولتاژ کاری، جریان مورد نیاز و برخی مشخصات عملیاتی دیگر از جمله تفاوت های بوبین مورد استفاده در کنتاکتورهای مختلف است.
یکی از رایج ترین خرابی های کنتاکتور، سوختن بوبین است. بوبین ها قطعات قابل تعویض هستند. جالب است بدانید حتی در برخی کاربردها بوبین قبل از استفاده در مدار تعویض می شود. هدف از این کار هماهنگی ولتاژ بوبین با ولتاژ مدار فرمان است.
تیغه ها (کنتاکت ها)
وظیفه حمل جریان مصرف بار بر عهده کنتاکت یا تیغه اصلی است. این بخش از ساختار داخلی با نام پلاتین کنتاکتور نیز شناخته می شود. است. این بخش شامل فنرهای تماسی، کنتاکت های کمکی و کنتاکت های اصلی است که هر کدام نقش متفاوتی دارند. تیغه اصلی مسیر عبور جریان بار است. کنتاکت های کمکی به منظور پیاده سازی فرآیندهای کنترلی مورد استفاده قرار می گیرند.
عموما تولیدکنندگان تعدادی تیغه کمکی برای کنتاکتورها در نظر می گیرند. به عنوان مثال کنتاکتور 400 آمپر زیمنس دارای دو تیغه باز و دو تیغه بسته است. در حالی که کنتاکتور 80 آمپر زیمنس یک تیغه کمکی باز و یک تیغه بسته دارد. لازم به ذکر است تعداد این تیغه با استفاده از تجهیزات جانبی کنتاکتور قابل افزایش است.
محفظه
این بخش وظیفه حفاظت از تیغه ها و بوبین در برابر اتصال کوتاه را بر عهده دارد. علاوه بر این از تماس پرسنل با مسیر عبور جریان جلوگیری می کند. محفظه از مواد مختلفی مانند پلی کربنات، پلی استر، باکالیت، پلاستیک های ترموست و غیره ساخته می شود. به طور کلی، قاب کنتاکتور دارای یک محفظه اضافی است که از دستگاه در برابر ورود رطوبت، گرد و غبار و … محافظت می کند.
کنتاکتور چگونه کار می کند؟
عملکرد این کلیدها با برقراری ولتاژ فرمان یا تغذیه آغاز می شود. اعمال این ولتاژ به دو سر سیم پیچ، سبب عبور جریان و ایجاد یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ می شود. در حالت عادی تیغه متحرک توسط فنرها در وضعیت باز نگه داشته می شود. نیروی آهنربای الکتریکی ایجاد شده در اثر برقدار شدن سیم پیچ، از نیروی نگهدارنده فنرها قوی تر است.
این نیروی قوی سبب جابجایی هسته سیم پیچ می شود. تیغه متحرک کنتاکتور به هسته سیم پیچ متصل است و در نتیجه همزمان با هسته جابجا می شود. جابجایی کنتاکت متحرک تا رسیدن به کنتاکت ثابت ادامه پیدا می کند. اتصال تیغه ها به یکدیگر، مسیر جریان بار را بسته و سبب روشن شدن بار می شود.
در زمان قطع مدار، عکس فرآیند بالا اتفاق می افتد. با قطع ولتاژ فرمان از دو سر بوبین، خاصیت آهنربایی سیم پیچ از بین می رود. از بین رفتن آهنربا نیروی نگهدارنده آن را به صفر می رساند. در این وضعیت نیروی فنرهای نگهدارنده تیغه متحرک را به مکان اولیه خود باز می گرداند.
تاریخچه کنتاکتور
در طول تاریخ کنتاکتورها دستخوش تغییرات گسترده ای شده اند. نسل های متفاوتی از این کلیدها به بازار عرضه شده و مورد استفاده گسترده در صنایع مختلف قرار گرفته است. در ادامه به بررسی سه نسل مهم این کلیدها خواهیم پرداخت.
سوئیچ تیغه چاقویی
این سوئیچ در اواخر دهه 1800 میلادی مورد استفاده قرار می گرفت. احتمالاً این اولین کنتاکتوری بوده که برای کنترل (راه اندازی یا توقف) موتورهای الکتریکی استفاده شده است. این سوئیچ یک اهرم برای پایین کشیدن سوئیچ یا بالا بردن آن داشت. تیغه های چاقویی به صورت دستی کنترل می شدند.
اساسی ترین ایراد این سوئیچ، فرسوده شدن سریع کنتاکت ها بود. ولتاژ بالای بار سبب ایجاد قوس الکتریکی در زمان قطع کنتاکت می شود. جابجایی دستی کنتاکت سبب طولانی شدن زمان قطع مدار می شود. افزایش زمان قطع سبب طولانی تر شدن زمان قوس الکتریکی ایجاد شده و در نتیجه فرسودگی سریع کنتاکت ها می شد.
کارکرد این سوئیچ ها در جریان های بالا منجر به نگرانی های جدی ایمنی شد. علیرغم پیشرفت های مکانیکی، سوئیچ تیغه چاقویی به دلیل مشکلات و خطرات مربوط به عملکرد، و عمر کوتاه کنتاکت ها از چرخه استفاده خارج شد.
کنترل کننده دستی
با توجه به خطرات بالقوه سوئیچ تیغه چاقویی، مهندسان نسل جدیدی از کنتاکتور را طراحی کردند که به نسبت سوئیچ تیغه چاقویی مزایای زیادی داشت. از این دستگاه به عنوان کنترل کننده دستی یاد می شد. ویژگی های اصلی این کنترل کننده عبارت بودند از:
- کارکرد ایمن
- وجود محفظه عایق بر روی کنتاکت ها
- اندازه فیزیکی کوچکتر
- جایگزینی کنتاکت های تکی با دوتایی
همانطور که از نام آنها پیداست، کنتاکت های دوتایی می توانند مدار را در دو مسیر به طور همزمان باز کنند. بنابراین، حتی در فضای کوچکتر، به شما امکان می دهد با جریان بیشتری کار کنید. سوئیچ چاقویی و کنترل کننده دستی از راه دور کار نمی کنند و به طور فیزیکی به کنترلر متصل می شوند.
هنگامی که کنتاکتور دستی توسط اپراتور فعال شود، مصرف کننده روشن می شود. کنتاکتورهای دستی خیلی زود جایگزین سوئیچ های تیغه چاقویی شدند. امروزه نیز انواع مختلفی از این کلیدها مورد استفاده قرار می گیرد.
کنتاکتور مغناطیسی
تحقیقات مهندسان برای یافتن تجهیزات کلیدزنی استاندارد، منجر به معرفی کنتاکتورهای مغناطیسی شد. این تجهیزات بدون نیاز به دخالت انسان و به صورت الکترومکانیکی عمل می کنند. قابلیت کنترل از راه دور این تجهیزات به عملکرد ایمن تر آن ها کمک کرده و خطرات کار با برق برای انسانی را به حداقل رسانده است. کنتاکتورهای مغناطیسی به صورت گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
کاربردهای کنتاکتور
کنتاکتورها کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارند. از کنترل موتور گرفته تا کنترل لامپ های روشنایی، هیترها و … توسط این کلیدهای مطمئن انجام می شود. تنوع مصرف کننده ها و تفاوت عملکرد آن ها به ویژه در لحظه راه اندازی، منجر به عرضه انواع مختلفی از contactor به بازار شده است.
کنتاکتورها براساس نوع کاربرد در کلاس های کاربری مختلف دسته بندی می شوند. از جمله مهمترین کاربردهای این کلیدها در صنایع مختلف می توان به موارد زیر اشاره کرد:
سیستم های گرمایش برقی (هیتر)
سیستم های گرمایش الکتریکی کاربرد زیادی در صنایع مختلف دارند. از جمله این کاربردها می توان به منابع گرمایش داخلی، اجاق برقی، تهویه مطبوع و برخی تجهیزات دیگر اشاره کرد. افزایش ولتاژ شبکه به میزان 10 درصد، سبب افزایش جریان کاری مقاومت به همین نسبت می شود.
جریان راه اندازی هیتر الکتریکی می تواند به 1.4 برابر جریان نامی دستگاه برسد. برای این نوع بارها از کنتاکتور سری AC-1 استفاده می شود.
تجهیزات روشنایی
روشن شدن یک لامپ، جریان ضربه ای بزرگی تولید می کند که حدود 15 برابر جریان نامی لامپ است. با توجه به تفاوت های تجهیزات روشنایی، جریان ضربه ای و زمان شروع آن ها نیز متفاوت است. استفاده از کنتاکتور برای این قبیل بارها بهترین گزینه است. کنتاکتور کلاس AC-5a بهترین انتخاب برای کنترل عملکرد تجهیزات روشنایی است.
بار القایی ولتاژ پایین
رایج ترین نمونه های این بارها، ترانسفورماتورها هستند. ترانسفورماتور ولتاژ پایین، در لحظه شروع به کار یک پیک جریانی به بزرگی 15 تا 20 برابر جریان نامی ترانسفورماتور ایجاد می شود. میزان دقیق این جریان به آرایش سیم پیچ ها و خواص هسته ترانسفورماتور بستگی دارد. کنترل این قبیل بارها با کنتاکتورهای کلاس AC-6A انجام می شود.
بارهای خازنی
در هنگام روشن شدن بار خازنی، فرآیند شارژ گذرا اتفاق می‌افتد و جریان شارژ به مقدار بالایی می رسد. این حالت سبب تغییرات فرکانسی شدید و وارد آمدن تنش شدید به شبکه می شود. از این رو راه اندازی بارهای خازنی با الزامات شدیدی همراه است. نمونه خاصی از کنتاکتورها برای راه اندازی بانک خازنی طراحی شده است که کنتاکتور خازنی نام دارد. این کلیدها در کلاس استاندارد AC-6B عرضه می شوند.
راه اندازی موتور با کنتاکتور
موتورهای القایی سه فاز پرکاربردترین نوع موتورهای AC در صنعت هستند. هنگامی که موتور القایی راه اندازی می شود مقاومت متصل به مدار روتور، جریان راه اندازی را محدود می کند. هر چقدر بار سنگین تر باشد، زمان راه اندازی آن بیشتر می شود. کنترل موتور القایی از کنتاکتور کلاس AC-3 استفاده می شود.
در توان های پایین راه اندازی مستقیم موتور سه فاز بسیار رایج است. در این روش از یک کنتاکتور در کنار یک بریکر (مانند کلید حرارتی) استفاده می شود. جریان هجومی و تکان های شدید مکانیک چالش هایی است که در برخورد با موتور الکتریکی باید حل شوند. رنج توان موتور الکتریکی و در نتیجه روش های راه اندازی موتور الکتریکی بسیار متنوع است.
در کاربردهای توان بالایی که موتور بعد از شروع به کار با سرعت ثابت کار می کند، استفاده از سافت استارتر توصیه می شود. اما اگر به کنترل عملکرد موتور الکتریکی نیاز دارید، درایو یا اینورتر تنها گزینه در دسترس شماست.
پلاک خوانی کنتاکتور
بر روی کنتاکتورها مانند سایر تجهیزات الکتریکی یک برگه اطلاعات نصب می شود که پلاک نامیده می شود. پلاک حاوی اطلاعات زیادی از جمله نام تولید کننده، سری ساخت و کد فنی محصول است. علاوه بر این تاریخ تولید و برخی اطلاعات دیگر نیز ممکن است روی آن درج شوند. پلاک کنتاکتورها متناسب با شرکت تولید کننده متفاوت است.
در هنگام پلاک خوانی کنتاکتور پارامترهای کلیدی زیر را بیابید:
- نوع و سطح ولتاژ بار
- جریان نامی
- نوع بار یا کلاس کاری
- ولتاژ بوبین
- توان نامی
- طول عمر مکانیکی
در واقع همه پارامترهای کاری مهم را می توانید روی پلاک پیدا کنید.
راهنمای انتخاب کنتاکتور
انتخاب نمونه مناسب تجهیزات الکتریکی برای عملکرد درست سیستم ضروری است. با توجه به گستردگی عملکرد و نقش تعیین کننده کنتاکتورها در عملکرد کلی سیستم، انتخاب نمونه مناسب بسیار ضروری است. در زمان انتخاب کنتاکتور باید به پارامترهای عملیاتی زیر دقت کنید:
- جریان عبوری از کنتاکتور در ولتاژ خط
- ولتاژ بوبین
- تعیین نوع عملکرد و کد IEC
- کنتاکتور معکوس یا غیر معکوس
- تعداد کنتاکت کمکی
با پاسخ به سوالات فوق می توانید بهترین انتخاب را از بین کنتاکتورهای موجود داشته باشد.
سرج پروتکتور کنتاکتور
تغییر وضعیت کنتاکتور در اثر اعمال سیگنال فرمان به سیم پیچ اتفاق می افتد. با ایجاد آهنربای الکتریکی بوبین، تیغه ها وصل می شوند. کلیه قوانین حاکم بر مدارات الکترومغناطیسی، بر مکانیزم فرمان contactor نیز حاکم است.
طبق قانون لنز، میدان مغناطیسیِ در حال کاهش، جریانی را در جهت معکوس به مدار القا می‌کند. جریان معکوس، یک پتانسیل منفی روی سیم پیچ ایجاد می‌کند که نیروی ضد محرکه نامیده می‌شود. این پدیده زمانی در مدار 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 ولتاژ ناخواسته بزرگی می شود. این ولتاژ با نام سرج (ضربه ناگهانی) شناخته می شود. برای مقابله با این ولتاژ ناخواسته از سرج پروتکتور کنتاکتور استفاده می شود.
سرج پروتکتورها در انواع مختلف و با قابلیت های متفاوت مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- دیود هرزگرد کنتاکتور
- ساختار دیودی – زنری
- وریستور کنتاکتور
- جرقه گیر با دیود TVS
- استفاده از ترکیب RC
در کاربردهای مختلف یک یا چند روش کنترل سرج استفاده می شود.
تفاوت کنتاکتور و بریکر
Contactor و بریکر دو نمونه پرکاربرد از تجهیزات فشار ضعیف هستند. همه مدارهای برق صنعتی از این تجهیزات استفاده می کنند. کنتاکتورها به منظور سوئیچینگ مورد استفاده قرار می گیرند اما بریکرها نقش حفاظتی دارند. علاوه بر این موارد زیر را می توان در بیان تفاوت آن ها خاطر نشان کرد:
- کنتاکتور در جریان و ولتاژ متوسط و ضعیف کار می کند ولی بریکر ها در جریان و ولتاژ های متوسط و بالا نیز کار می کنند.
- کنتاکتور در شرایط عادی و بریکر در زمان وقوع خطا عمل می کند
- برخی بریکرها امکان وصل خودکار و قطع اتوماتیک را در زمان بروز خطا دارند. اما قطع و وصل کنتاکتور حتما به سیگنال فرمان بوبین نیاز دارد.
- کنتاکتور برای قطع و وصل قسمت ثابت و متحرک تیغه، از مکانیزم الکترومغناطیسی تغذیه بوبین استفاده می کند. اما در بریکر این فرآیند توسط تریپ یونیت انجام می شود. تریپ یونیت کلید اتوماتیک در انواع حرارتی – مغناطیسی و الکترونیکی عرضه می شود.
- در کنتاکتور هیچ مکانیزمی برای اندازه گیری جریان یا ولتاژ عبوری وجود ندارد اما در بریکر تجهیزات اندازه گیری جریان و یا تشخیص تغییرات مقدار جریان وجود دارد.
جمع بندی
کنتاکتور از جمله تجهیزات بسیار پرکاربرد اتوماسیون صنعتی است. امکان کنترل از راه دور و همچنین فرمان پذیری از plc از جمله قابلیت های اصلی این تجهیزات است. ویژگی دیگر کنتاکتورها که آن ها را برای استفاده در محیط صنعتی مناسب می کند، سطح پایین ولتاژ کنترلی است. رنج گسترده جریان و عملکرد مطمئن این تجهیزات خیال شما را از عملکرد صحیح و پایدار مدار راحت می کند. این کلیدهای الکترومغناطیسی در کاربردهای مسکونیو تجاری نیز به وفور مورد استفاده قرار می گیرند.