کلید حرارتی چیست و چگونه کار می کند؟
موتورها از جمله تجهیزات بسیار پرکاربرد صنعتی هستند. عملکرد صحیح و مداوم موتورها در حفظ روند کلی تولید بسیار حائز اهمیت است. از جمله کارهای بسیار مهم که در هر سیستم اتوماسیون صنعتی باید انجام شود، حفاظت از موتورهاست. حفاظت در برابر اضافه بار و همچنین حفاظت در برابر اتصال کوتاه باید توسط تجهیزاتی که به همین منظور تولید شده اند انجام شود. یکی از تجهیزات حفاظتی پرکاربرد در این زمینه، کلید حرارتی است. در این مقاله به معرفی این تجهیزات می پردازیم و کاربردهای آن را مورد بررسی قرار می دهیم
کلید حرارتی چیست؟
بریکر محافظ موتور (MPCB) یا کلید حرارتی، یک دستگاه الکترومکانیکی ساده است که موتور الکتریکی را در برابر اضافه بار، نوسانات جریان ورودی یا وقفه های برنامه ریزی نشده مدار اصلی محافظت می کند. وقفه های برنامه ریزی نشده می تواند شامل خطاهای خط و افت فاز یا عدم تعادل موتورهای سه فاز باشد
با استفاده از این کلید می توان حفاظت بدون فیوز را پیاده سازی کرد. در این روش موتورها خیلی سریع خاموش و از آسیب دیدن آن ها جلوگیری می شود. این کلید در صورت بروز اتصال کوتاه، مدار را قطع و بار را خاموش می کند (درست مشابه عملکرد کلید مینیاتوری).
کلید حرارتی مجهز به مکانیزم تاخیر حرارتی است. این مکانیزم از راه اندازی دوباره موتور در زمانی که حرارت آن بالاست جلوگیری می کند. با کاهش حرارت موتور اجازه راه اندازی دوباره موتور داده می شود. همچنین برخی از انواع این کلیدها قابلیت راه اندازی مجدد موتور به صورت خودکار را دارند.
مهمترین نکته در مورد این کلیدها، عدم نیاز به رله اضافه بار و کلید مینیاتوری است. MPCB کار هردو تجهیز حفاظتی نامبرده شده را انجام می دهد. استفاده از این کلیدها سبب صرفه جویی در فضا و هزینه نیز می شود.
ساختار کلید حرارتی
شکل 1 ساختار داخلی محافظ موتور را نشان می دهد. بخش های مختلف این تجهیزات به منظور انجام وظایف مورد انتظار و تشخیص قابل اعتماد اضافه بار بهینه شده اند.
مهمترین بخش های عملکردی MPCB عبارتند از:
- نگه دارنده سوئیچ
- کنترل کننده اضافه بار مغناطیسی
- موقعیت سوئیچ کمکی
- سیستم کنتاکت های اصلی
- تیغه تغییر وضعیت
- کنترل کننده اضافه بار حرارتی
- پیستون آرمیچر
- اتاقک جرقه گیر
در ادامه مهمترین بخش های عملیاتی را از نظر می گذرانیم.
کنترل کننده اضافه بار حرارتی
در صورت ایجاد اضافه بار حرارتی در مدار، کلید حرارتی عملکردی مشابه رله های اضافه بار بیمتال دارد. بنابراین در انتخاب مشخصات این بخش لازم است همان استانداردهای رله اضافه بار در نظر گرفته شود. افزایش جریان عبوری از بیمتال سبب خمیدگی تیغه و در نتیجه جدا شدن کنتاکت ها و قطع مدار می شود.
کنترل کننده اضافه بار مغناطیسی
کلیدهای حرارتی با مشخصه اضافه جریان 10 تا 16 برابر حداکثر تنظیم شده قادرند بلافاصله مدار را قطع کنند. موتورهای الکتریکی با راندمان بالا به سطوح تریپ مغناطیسی بالاتری نیاز دارند. سطح تریپ مغناطیسی در برخی مدل ها قابل تنظیم است و در برخی دیگر به صورت پیشفرض تنظیم می شود.
در کلیدهای حرارتی کوچک (کمتر از 100 آمپر)، مکانیزم الکترومغناطیسی به شکل یک سیم پیچ کوچک است. عبور جریان های بزرگ از این سیم پیچ (جریان اتصال کوتاه)، سبب ایجاد میدان الکترومغناطیسی و در نتیجه وارد شدن نیرو بر آرمیچر محصور شده توسط سیم پیچ می شود. حرکت آرمیچر سبب جدا شدن کنتاکت متحرک از کنتاکت ثابت و در نتیجه قطع شدن مدار می شود.
سیستم کنتاکت های اصلی و ظرفیت سوئیچینگ
این کنتاکت ها وظیفه هدایت جریان و کنترل عبور جریان را بر عهده دارند. مهم ترین ویژگی های کنتاکت اصلی کلید حرارتی عبارتند از ظرفیت قطع بالا، تلفات حرارتی کم در جریان عملیاتی، مقاومت در برابر خوردگی، اینرسی کوچک و شکل بهینه برای کنترل مطلوب قوس الکتریکی. به منظور برآورده کردن این الزامات، ملاحظات بسیار سخت گیرانه ای در طراحی و انتخاب مواد در نظر گرفته می شود. همچنین شبیه سازی ها و تست های ویژه ای بر روی آن ها انجام میشود.
حفاظت از موتورها با کلید حرارتی
کلیدهای حرارتی به منظور حفاظت از موتورها مورد استفاده قرار می گیرند. حفاظت از موتور در برابر اضافه بار، اتصال کوتاه، عدم تعادل بار و قطع فاز توسط MPCB انجام می شود.
حفاظت موتور در برابر اضافه بار
اضافه بار یک وضعیت عملیاتی برنامه ریزی نشده است که موتور را بیش از حد گرم می کند و سبب می شود موتور با جریانی بالاتر از جریان نامی به کار ادامه بدهد. اضافه بار ممکن است در موارد زیر رخ دهد:
- گشتاور مقاوم برای موتور مورد نظر خیلی زیاد است
- 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
به طور معمول برای کنترل اضافه بار از رله اضافه بار بیمتال استفاده می شود. MPCB با مکانیزمی مشابه رله بیمتال موتور را از اضافه بار حفظ می کند. بیمتال متشکل از دو نوار فلزی با ضریب انبساط متفاوت است. به دلیل تفاوت در ضریب انبساط، عکس العمل تیغه ها در برابر گرم شدن یکسان نیست. همین موضوع سبب می شود تیغه در اثر گرم شدن دچار خمیدگی شود. با این فرآیند کنتاکت باز شده و مدار قطع می شود.
حفاظت در برابر اتصال کوتاه
اتصال کوتاه جدی ترین و خطرناک ترین وضعیتی است که باید موتور و سایر مصرف کننده ها را در برابر آن حفاظت کنیم. اتصال کوتاه در اثر تماس بین دو فاز یا بین یک فاز با نول یا زمین رخ می دهد. این وضعیت ممکن است به صورت تصادفی یا به دلیل از بین رفتن عایق در اثر پیری طبیعی و یا آسیب جریان بیش از حد به سیم ها رخ بدهد. نتیجه اتصال کوتاه، عبور جریان بسیار بزرگ از مدار است که می تواند به موتورها و … آسیب برساند.
در صورت بروز اتصال کوتاه در مدار، محافظ مغناطیسی کلید حرارتی فعال شده و بلافاصله برق مدار را قطع می کند. مکانیزم حفاظت مغناطیسی دارای یک سیم پیچ است که عبور جریان بیش از حد از آن (مانند شرایط اتصال کوتاه) سبب ایجاد میدان مغناطیسی می شود. این میدان مغناطیسی آرمیچر را حرکت داده و با غلبه نیروی الکترومغناطیسی بر نیروی فنر نگهدارنده، کنتاکت ها باز می شوند.
در زمان انتخاب تجهیزات حفاظتی، باید ظرفیت شکست را از حداکثر جریان اتصال کوتاه محاسبه شده در آن نقطه از سیستم بیشتر در نظر بگیرید. در واقع ظرفیت شکست به جریان اسمی موتور بستگی ندارد، بلکه به ویژگی های شبکه بالادستی بستگی دارد.
خطای عدم تعادل بار
کلید حرارتی اغلب برای حفاظت از موتورهای سه فاز به کار برده می شود. در یک مدار سه فاز لازم است ولتاژ متعادل شود زیرا مقاومت سیم پیچ موتور سه فاز متعادل است. بنابراین تنها در صورت تعادل ولتاژ می توانیم شاهد تعادل جریان عبوری از سیم پیچ ها باشیم.
عدم تعادل بار به هر دلیلی که اتفاق بیافتد به موتور آسیب می رساند. MPCB قادر است در چنین شرایطی منبع تغذیه را از موتور جدا و از آن محافظت کند.
خطای قطع فاز
حفاظت از موتور در برابر قطع فاز بسیار مهم است. به منظور عملکرد صحیح موتور و تولید خروجی کارآمد، لازم است ولتاژ متعادل روی هر سه فاز به موتور داده شود. قطع فاز به این معنی است که در هیچ فازی ولتاژ وجود ندارد، یعنی بنا به دلایلی ولتاژ یکی از سه فاز صفر شده است.
در چنین شرایطی احتمال سوختن سیم پیچ های موتور بسیار زیاد است. اما کلید حرارتی از مکانیزم حفاظت در برابر اضافه بار بهره می برد. با فعال شدن این مکانیزم، موتور قبل از هر گونه آسیبی خاموش و از منبع تغذیه جدا می شود.
قابلیت های کلید حرارتی
- قدرت قطع بالا
- مناسب برای استفاده در مدارات جریان بالا
- مقاومت بالا در برابر بارهای لحظه ای، بدون قطعی
- رنج گسترده و تنوع بالا
- تنظیم دقیق پارامترهای الکتریکی در آنامکان پذیر است.
- قابلیت فرمان پذیری و استفاده در مدار فرمان
- قابلیت قطع و وصل زیر بار
- امکان تنظیم جریان در بازه مورد نظر
- کلید حرارتی پس از تشخیص خطا بلافاصله مدار تغذیه موتور را قطع می کند و برای این منظور بر خلاف بی متال،برای قطع مدار به کنتاکتور نیازی ندارد.
همانطور که بیان شد کلید حرارتی موتورها را در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار محافظت می کند. به جای استفاده از ترکیب کلید مینیاتوری و بی متال، می توان کلید حرارتی را جایگزین نمود. همچنین می توان با افزودن تجهیزات جانبی قابلیت های بیشتری به کلید حرارتی اضافه کرد. به دلیل قابلیت های زیاد، MPCB را کلید کمپکت محافظ موتور نیز معرفی می شود.
بر روی کلید حرارتی یک کلید استارت و استپ در نظر گرفته شده است. از این کلید می توان برای روشن و خاموش کردن موتور استفاده کرد. در صورتی که هدف ما صرفا روشن و خاموش کردن موتور باشد، می توانیم کنتاکتور را از مدار حذف کنیم. لازم به ذکر است که در جاهایی که حفاظت بیشتری مد نظر باشد، بسته به طراحی مدار، می توان بی متال را نیز قبل از کلید حرارتی به کار برد.
مقایسه کلید حرارتی و بی متال
بیمتال ها به صورت گسترده برای حفاظت از موتور الکتریکی در برابر اضافه بار مورد استفاده قرار می گیرند. کلیدهای حرارتی نیز قادرند از مدار در برابر اضافه بار محافظت کنند. با این وجود تفاوت هایی نیز بین این تجهیزات حفاظتی وجود دارد که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.
- کلید حرارتی در صورت بروز خطا، مدار قدرت سه فاز را قطع و موتور را خاموش می کند. اما بی متال مدار فرمان را قطع می کند
- کلید حرارتی موتور را در برابر اضافه بار ناشی از بالا رفتن جریان مصرفی موتور در حین کار و همچنین اتصال کوتاه بین دو فاز ، فاز و نول یا فاز با بدنه محافظت می کند. در صورتی که بی متا ل تنها در برابر اضافه جریان حرارتی از مدار محافظت می کند
- کلید حرارتی امکان قطع دستی موتور را نیز فراهم می کند. این در حالی است که بی متال این قابلیت را ندارد.
جزئیات بیشتر در مورد بیمتال ها را می تونید در مقاله ” بیمتال چیست و چه کاربردی دارد ” ببینید.
تجهیزات جانبی کلید حرارتی
کلید حرارتی همانند بسیاری از تجهیزات صنعتی دیگر، قابلیت افزودن تجهیزات جانبی را دارد. مهمترین تجهیزات جانبی MPCB عبارتند از:
رله شنت (Shunt Relay)
اگر بخواهیم وصل بودن کلید حرارتی منوط به برقراری شرایط خاصی باشد، از رله شنت استفاده می کنیم. این رله به صورت جانبی و از پهلو به کلید حرارتی متصل می شود. اعمال ولتاژ به بوبین رله شنت سبب عملکرد رله و قطع شدن کلید حرارتی می شود. به عنوان مثال به کمک این رله می توان سیستم را در برابر آتش سوزی ایمن کرد.
با قرار دادن یک سنسور و وصل کردن کنتاکت باز آن به رله شنت، در صورت شناسایی و عمل کردن سنسور، رله شنت فعال شده و کلید حرارتی را به حالت قطع می برد.
رله آندر ولتاژ (Under Voltage Relay)
این رله از پهلو به کلید حرارتی متصل می شود. رله آندر ولتاژ در صورتی اجازه قطع و وصل به MPCB می دهد که دو سر بوبین رله دارای برق باشد. با قطع برق این رله، کلیدهای حرارتی نیز قطع می شوند.
کنتاکت کمکی (Auxiliary Contact)
اگر بخواهیم با قطع و وصل شدن کلید حرارتی، تجهیزات دیگری نیز تغییر وضعیت بدهند، از کنتاکت کمکی استفاده می کنیم. این کنتاکت ها به صورت تکی و دوتایی موجود هستند. کنتاکت کمکی از پهلو یا جلو به MPCB متصل می شود. این قابلیت در بخش فرمان مدار مورد استفاده قرار می گیرد.
کنتاکت کمکی خطا (Trip-Indicating Auxiliary Contact)
این کنتاکت در صورتی عمل می کند که کلید حرارتی بعد از تشخیص خطای اضافه بار به حالت تریپ برود. کنتاکت خطا از پهلو به کلید متصل می شود. دقت کنید با قطع و وصل شدن کلید حرارتی، کنتاکت خطا عمل نمی کند.
نکته: در صورت روشن و خاموش کردن دستی MPCB فقط کنتاکت کمکی تغییر وضعیت می دهد.
نحوه ی تنظیم کلید های حرارتی
رنج جریان قابل تنظیم از جمله قابلیت های مهم کلید حرارتی است. روی کلیدهای حرارتی یک سلکتور دوار قرار دارد که به کمک آن می توان مقدار جریان را در یک بازه مشخص تغییر دارد. رنج جریان براساس جریان نامی موتور انتخاب و سپس توسط زبانه روی جریان مورد نظر تنظیم می شود.
رنج جریان کلیدهای حرارتی استاندارد است و فرقی نمی کند از چه برندی استفاده کنید. بهتر است رنج جریان به اندازه10 درصد بیشتر از جریان نامی انتخاب شود.
روش نصب کلید حرارتی
کلید حرارتی به عنوان یک بریکر در ابتدای فیدر حفاظت موتور قرار می گیرد. این کلید موتور را از کشیدن جریان اضافه محافظت می کند. برق سه فاز به ترمینال ورودی وصل شده و ترمینال خروجی سه به موتور وصل می شود.
نصب کلید حرارتی به موتور مطابق شکل زیر انجام می شود:
کلید حرارتی زیمنس
فروشگاه زیمنس کالا به عنوان مرجع تامین و فروش تجهیزات صنعتی زیمنس، رنج متنوعی از کلیدهای حرارتی را عرضه می کند. جهت کسب اطلاعات بیشتر و خرید محصول مورد نظر به فروشگاه زیمنس کالا مراجعه کنید.
جمع بندی
کلید حرارتی از جمله تجهیزات پرکاربرد در محافظت از موترهای الکتریکی است. این تجهیزات قابلیت حفاظت در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه را به صورت همزمان دارند. بنابراین می توانند جایگزین کلید مینیاتوری و رله اضافه بار بیمتال در مدار شوند. قابلیت تنظیم جریان نامی موتور و همچنین امکان اتصال به تجهیزات جانبی از دیگر قابلیت های کلیدهای حرارتی است.
سوالات متداول درباره کلید حرارتی
استفاده از MPCB سبب صرفه جویی در فضا و هزینه می شود. این کلید امکان حفاظت بدون فیوز مدار را فراهم می کند. در این روش حفاظتی موتورها فورا خاموش شده و از آسیب دیدگی آن ها جلوگیری شود. همچنین در صورت بروز اتصال کوتاه، جریان را قطع و موتور را خاموش می کند.
برخلاف کلیدهای مینیاتوری که یک جریان نامی ثابت دارند، کلیدهای حرارتی دارای یک رنج جریان هستند. کاربر به کمک یک سلکتور می تواند جریان را متناسب با جریان نامی موتور تنظیم کند. برای انتخاب بهترین گزینه موجود، توجه به رنج کلید حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است.
بله. در این صورت دو عدد از ورودی ها با هم سری می شوند.