بی متال از جمله تجهیزات حفاظت الکتریکی است. حفاظت از مدار الکتریکی، یک الزام حیاتی است که اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اعتماد مدارها و دستگاه ها را به ارمغان می آورد. یک مدار الکتریکی در معرض وقوع خطاهای متفاوتی قرار دارد. زمانی که جریان عبوری از موتور بیشتر از جریان نامی باشد، خطای اضافه بار رخ می دهد. اضافه بار یکی از خطاهای رایج مدار الکتریکی است.
وقوع خطای اضافه بار سبب گرم شدن موتور می شود. نتایج برخی تحقیقات نشان می دهد بالا رفتن دمای موتور به میزان 10 درجه از دمای نامی، عمر مفید موتور را نصف می کند. علاوه بر این افزایش بیشتر دما می تواند منجر به آتش سوزی و … شود. برای حفاظت از موتور در برابر این خطا از رله اضافه بار استفاده می شود. یکی از رایج ترین انواع رله اضافه اضافه بار، بیمتال ها هستند.
ساختار ساده و عملکرد قابل اطمینان این کلیدها سبب شده است از گذشته تا به امروز این تجهیزات مورد توجه قرار بگیرند. اگر چه با وجود معرفی تجهیزات جدیدی مانند کلید حرارتی زیمنس و کلید اتوماتیک زیمنس، عملکرد بی متال ها نیز پوشش داده شده است؛ با این وجود در مدارات با جریان بالا هنوز از این کلیدها به وفور استفاده می شود.
بیمتال چیست؟
این کلیدها نوعی از بریکرها هستند که موتور را در برابر اضافه جریان حرارتی محافظت می کنند. منظور از اضافه جریان حرارتی، جریان اضافه ای است که از مدار کشیده شده و سبب گرم شدن مصرف کننده بیش از حد متعارف می شود. به عنوان مثالی از وقوع این حالت می توان به افزایش بار روی شفت موتور اشاره کرد.
زمانی که باری بیش از بار نامی موتور روی آن گذاشته شود، موتور این اضافه بار را با افزایش جریان مصرفی جبران می کند. این اضافه جریان سبب گرم شدن بیش از حد موتور می شود. با توجه به اهمیت افزایش دمای موتور در طول عمر و عملکرد پایدار آن، کنترل این وضعیت ضروری است. با قرار دادن یک بی متال در مسیر جریان موتور می توان موتور را در برابر این وضعیت محافظت کرد.
این حالت در شرایط خطای فاز نیز ممکن است برای موتور به وجود بیاید. بیمتال پس از تشخیص خطا مدار را قطع و در نتیجه موتور خاموش می شود.
اجزای داخلی بیمتال
بیمتال ها رله اضافه بار نیز می نامند. رله های اضافه بار براساس تکنولوژی به کار رفته در مدار تریپ برای تشخیص اضافه جریان، انواع مختلفی دارند. هدف ما در این مقاله بررسی رله اضافه بار بی متال است. این رله ها از تکنولوژی نوارها دو فلزی به منظور تشخیص افزایش جریان عبوری استفاده می کنند. ساختار این کلیدها معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده است:
تیغه دو فلزی
تیغه دو فلزی یا Bimetal اصلی ترین جزء ساختار این کلید است. این تیغه از به هم چسبیدن دو فلز مختلف با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت ساخته می شود. تفاوت در ضریب انبساط حرارتی فلزات مورد استفاده، سبب خم شدن تیغه در اثر گرما می شود. در بخش بعد عملکرد کلیدها تشریح خواهد شد.
مکانیزم تیغه ها
تیغه ها وظیفه بستن مسیر جریان بار را بر عهده دارند. این مکانیزم شامل دو کنتاکت است که با حرکت تیغه بی متال به هم متصل شده یا از هم جدا می شوند. خم شدن بیمتال سبب جابجایی کنتاکت ها و تغییر وضعیت کلید می شود.
بدنه (قاب محافظ)
بدنه این کلیدها معمولاً از جنس پلاستیک ساخته می شود. وظیفه محافظت از بخش های داخلی در برابر گردو غبار و سایر ناخالصی ها، عایق کردن بخش های حامل جریان و فراهم کردن زیرساخت نصب در مدار بر عهده بدنه گذاشته شده است.
ترمینال ها
به منظور اتصال کلید به مدار الکتریکی از ترمینال ها استفاده می شود. ترمینال ها عموما در قسمت پایین سوئیچ قرار دارند و به پایانه های پیچی یا بعضا قابل لحیم کاری هستند.
مکانیزم عمل تیغه Bimetal
برای درک بهتر موضوع، یک تیغه فلزی به طول l را در نظر بگیرید. طول این تیغه با افزایش دما، افزایش پیدا می کند. افزایش طول در اثر افزایش دما به ضریب انبساط حرارتی خطی مربوط می شود. این پارامتر با “αL” نشان داده می شود و طبق رابطه زیر محاسبه می شود:
در این رابطه:
- l طول اولیه جسم است،
- Δlمیزان افزایش طول است،
- Δtمیزان افزایش دما است،
انبساط حرارتی از جنس طل بوده و احد آن بر درجه سانتیگراد بیان می شود..
تیغه بی متال از دو فلز مختلف با ضریب انبساط حرارتی متفاوت تشکیل شده است که در طول به یکدیگر متصل شده اند. وضعیت تیغه در دمای عادی مشابه شکل زیر است:
با افزایش دمای تیغه، طول هر دو نوار فلزی افزایش می یابد اما میزان این انبساط متفاوت است. تفاوت طول تیغه ها پس از گرم شدن موجب خم شدن تیغه و تشکیل قوس می شود. در این حالت فلز با ضریب انبساط حرارتی بالاتر در سمت بیرونی قوس و فلز با ضریب انبساط حرارتی پایین تر در سمت داخلی قوس قرار می گیرند.
عکس این حالت نیز صادق است. در زمان خنک شدن، وضعیت قوس برعکس است. یعنی فلز با ضریب انبساط حرارتی پایین تر در ضلع خارجی قوس و فلز با ضریب انبساط حرارتی بالاتر در سمت داخلی قوس قرار می گیرد:
پدیده فوق اساس عملکرد کلیدهای بی متال است.
رله اضافه بار بیمتال چگونه کار می کند؟
همانطور که اشاره شد در این رله ها از یک تیغه بی متال استفاده شده است. در صورتی که موتور دچار خطای فاز (قطع شدن یکی از فازها) یا اضافه بار (افزایش بار روی شفت موتور) شود، جریان عبوری از سیم پیچ گرم کننده و در نتیجه دمای تیغه افزایش پیدا می کند. در بخش قبل اشاره کردیم که افزایش دما سبب خم شدن تیغه میشود.
کنتاکت متحرک کلید به تیغه متصل شده و با خم شدن تیغه از کنتاکت ثابت فاصله می گیرد. دور شدن کنتاکت ثابت از کنتاکت متحرک سبب قطع مسیر جریان و در نتیجه خاموش شدن موتور می شود. با خنک شدن تیغه و رسیدن به دمای محیط، تیغه به حالت عادی برگشته و مسیر جریان دوباره برقرار می شود.
لازم به ذکر است فرآیند قطع مدار توسط این کلیدها کمی زمانبر است.
عوامل موثر بر انتخاب
انتخاب رله اضافه بار حرارتی بیمتال متناسب با نیازهای خاص هر کاربرد انجام می شود. از جمله عوامل مهم در انتخاب می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- جریان نامی موتور
- محدوده دمای عملیاتی
- شرایط محیطی
در کاربردهایی که امکان عبور جریان های بالا وجود دارد، از یک بی متال با ضریب انبساط دمایی بیشتر استفاده می کنند تا از عملکرد سریع و مطمئن بریکر اطمینان حاصل کنند. برعکس، در کاربردهایی که جریان عبوری کم مورد انتظار است، از یک بی متال با ضریب دمایی کمتر استفاده می شود تا از وقوع قطع های کاذب مدار جلوگیری شود.
جمع بندی
بیمتال ها به منظور حفاظت از موتور در برابر اضافه بار حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند. این وضعیت ممکن است به دلیل افزایش بار روی شفت موتور یا خطای فاز (قطع یکی از فازها) اتفاق بیافتد. در این کلیدها از مکانیزم ساده مبتنی بر ضریب انبساط متفاوت فلزات استفاده می شود. توجه به این نکته ضروری است که کلیدهای بی متال طول عمر محدودی دارند و با گذشت زمان دقت آن ها کمتر می شود.
به منظور حصول اطمینان از عملکرد صحیح بیمتال، مهم است که به صورت دوره ای سوئیچ را آزمایش و در صورت لزوم تعویض کنید. به علاوه، این کلیدها برای کاربردهایی که تغییرات سریع دما یا دماهای شدید مورد انتظار است مناسب نیست. زیرا این شرایط می تواند به کلید آسیب برساند یا باعث خرابی آن شود.