کلید حرارتی چیست؟ چه ساختاری دارد و چگونه عمل می کند؟
موتور الکتریکی کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد. از جمله الزامات ضرروی موتور، حفاظت از آن در برابر خطاهای رایج است. تجهیزات حفاظتی مختلفی برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرند. کلید حرارتی به صورت ویژه برای حفاظت از موتور طراحی شده است.
این بریکر قادر است موتور را دربرابر خطاهای رایج اضافه بار، اتصال کوتاه و … محافظت کند. MPCB را می توان برای راه اندازی موتور نیز مورد استفاده قرار داد. عموما از ترکیب این بریکر با کنتاکتور برای راه اندازی مستقیم موتور الکتریکی استفاده می شود.
لازم به ذکر است این ترکیب در توان های پایین کاربردی است. برای راه اندازی موتورهای توان بالا از سافت استارتر و درایو فرکانس متغیر استفاده می شود. در ادامه به بررسی ساختار و عملکرد MPCB خواهیم پرداخت. با من همراه باشید.
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 شامل خطاهای خط مانند افت فاز یا عدم تعادل فاز است.
این بریکر امکان پیاده سازی حفاظت بدون فیوز را فراهم می کند. در این روش موتور به سرعت خاموش و از آسیب دیدن آن جلوگیری می شود. MPCB در مواجهه با خطای اتصال کوتاه عملکردی مشابه کلید مینیاتوری دارد و مدار را به سرعت قطع می کند.
این بریکر مجهز به مکانیزم تاخیر حرارتی است و تا زمانی که حرارت موتور بالاست از راه اندازی دوباره آن جلوگیری می کند. پس از کاهش حرارت، بریکر اجازه راه اندازی دوباره موتور را می دهد.
مهمترین مزیت استفاده از MPCB، عدم نیاز به رله اضافه بار و کلید مینیاتوری است. استفاده از این بریکر صرفه جویی در فضا و هزینه تابلو برق را به همراه دارد.
ساختار کلید حرارتی
شکل زیر نمایی از ساختار داخلی بریکر محافظ موتور را نشان می دهد. مهمترین بخش های عملکردی MPCB عبارتند از:
- نگه دارنده سوئیچ
- تریپ مغناطیسی (تشخیص اضافه بار)
- سوئیچ کمکی (محل نصب)
- کنتاکت اصلی (تیغه ثابت)
- تیغه تغییر وضعیت
- تریپ حرارتی (تشخیص اضافه بار)
- هسته بوبین الکرتومغناطیسی (متصل به کنتاکت متحرک)
- صفحات جرقه گیر
بخش های مختلف بریکر در کنار یکدیگر عملکرد حفاظتی را تکمیل می کنند.
کنترل اضافه بار حرارتی
در صورت ایجاد اضافه بار حرارتی در مدار، کلید حرارتی عملکردی مشابه بیمتال دارد. افزایش جریان عبوری از بیمتال سبب خمیدگی تیغه، جدا شدن کنتاکت ها و قطع مدار می شود.
کنترل اضافه بار مغناطیسی
MPCB با رسیدن جریان عبوری به 10 تا 16 برابر مقدار نامی بلافاصله مدار را قطع می کند. موتورهای 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.
تیغه اصلی و ظرفیت سوئیچینگ
تیغه اصلی وظیفه هدایت جریان بار را بر عهده دارد. مهم ترین شاخصههای کنتاکت اصلی کلید حرارتی عبارتند از:
- ظرفیت قطع بالا
- تلفات حرارتی کم در جریان عملیاتی
- مقاومت در برابر خوردگی
- اینرسی کم
- شکل بهینه برای کنترل مطلوب قوس الکتریکی
برآورده کردن الزامات بالا نیازمند ملاحظات سختگیرانه در طراحی و انتخاب مواد است. تیغهها با شبیه سازی و تستهای ویژه تایید میشوند.
حفاظت از موتور با کلید حرارتی
MPCB به صورت ویژه برای حفاظت از موتور بهینه شده است. تولیدکنندگان زیادی در سراسر دنیا اقدام به تولید و عرضه این بریکر می کنند. قابلیت های حفاظتی برندهای مختلف متفاوت است. به عنوان مثال کلید حرارتی زیمنس قادر است از موتور در برابر خطاهای اضافه بار، اتصال کوتاه و عدم تعادل بار حفاظت کند.
روش تشخیص خطاهای مختلف با هم متفاوت است.
حفاظت از موتور در برابر اضافه بار
اضافه بار یک وضعیت نامطلوب برای موتور است. در این حالت موتور بیش از حد گرم شده و با جریانی بالاتر از مقدار نامی به کار ادامه میدهد. افزایش حرارت نقش بسیار موثری در کاهش عمر مفید موتور دارد. افزایش دمای موتور به میزان 10 درجه سانتیگراد، عمر مفید آن را تا 50 درصد کاهش می دهد.
اضافه بار به دلایل مختلفی ایجاد می شود. از جمله مهمترین دلایل وقوع این خطا می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- اینرسی بار موتور خیلی زیاد است (یعنی گشتاوری بیشتر از توان موتور برای چرخش بار لازم است)
- گیر کردن روتور
- استارت های پی در پی و مکرر موتور (به دلیل جریان راه اندازی بالا)
- قطع یکی از سه فاز قدرت
- زمان استارت موتور خیلی طولانی شده است
کلید حرارتی به کمک یک تیغه بیمتال خطای اضافه بار را تشخیص می دهد. 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.
تیغه بیمتال در اثر گرم شدن دچار خمیدگی میشود. در نتیجه مسیر عبور جریان قطع شده و موتور خاموش می شود. پس از رفع خطا، باید منظر بمانید تا تیغه خنک شده و به حالت اولیه برگردد. پس از ان می توان موتور را دوباره استارت کرد.
این قابلیت به عنوان حافظه حرارتی MPCB نیز شناخته می شود.
حفاظت در برابر اتصال کوتاه
اتصال کوتاه جدی ترین و خطرناک ترین وضعیتی است که باید از موتور و سایر مصرف کننده ها در برابر آن حفاظت کنیم. این وضعیت در اثر تماس بین دو فاز یا بین یک فاز با نول یا زمین رخ می دهد.
دلایل مختلفی برای وقوع اتصال کوتاه وجود دارد. از جمله می توان به
- خطای انسانی
- برخورد تصادفی سیم ها
- از بین رفتن عایق سیم در اثر پیری طبیعی
- آسیب ناشی از عبور جریان بیش از حد
اشاره کرد. نتیجه اتصال کوتاه، عبور جریان بسیار بزرگ از مدار است که به موتورها و … آسیب میرساند.
وظیفه تشخیص اتصال کوتاه بر عهده تریپ مغناطیسی کلید حرارتی است. پس از وقوع اتصال کوتاه محافظ مغناطیسی فعال شده و بلافاصله مدار را قطع می کند.
مکانیزم حفاظت مغناطیسی از یک سیم پیچ تشکیل شده که در صورت عبور جریان بیش از حد به آهنربا تبدیل می شود. این فرآیند در اثر تشکیل میدان مغناطیسی در اطراف سیم پیچ کامل می شود.
میدان مغناطیسی آرمیچر را به حرکت درآورده و با غلبه بر نیروی فنر نگهدارنده، تیغه اصلی را باز می کند. در نتیجه مدار قطع شده و موتور خاموش می شود.
خطای عدم تعادل بار
کلید حرارتی برای حفاظت از موتور سه فاز طراحی شده است (اگرچه برای موتور تکفاز هم با برخی ملاحظات می توان از آن استفاده کرد). در مدار سه فاز باید ولتاژ متعادل باشد زیرا مقاومت سیمپیچها متعادل است.
به بیان دیگر تنها در صورت تعادل ولتاژ جریان عبوری از سیمپیچ ها متعادل خواهد بود. عدم تعادل بار به هر دلیلی که اتفاق بیافتد به موتور آسیب می رساند. برخی از نمونه های MPCB قادر به تشخیص خطای عدم تعادل فاز هستند.
مانند خطای اضافه بار و اتصال کوتاه، در صورت تشخیص عدم تعادل فاز، مدار قطع شده و موتور خاموش می شود.
خطای قطع فاز
حفاظت از موتور در برابر قطع فاز ضروری است. برای عملکرد صحیح موتور و تولید خروجی کارآمد، لازم است ولتاژ هر سه فاز متعادل باشد. قطع فاز یعنی بنا به دلایلی ولتاژ یکی از سه فاز ورودی صفر شده است.
در این شرایط احتمال سوختن سیمپیچهای موتور بسیار زیاد است. برخی از نمونه های کلید حرارتی قابلیت تشخیص قطع فاز را دارند. بلافاصله پس از تشخیص خطا، موتور خاموش و از منبع تغذیه جدا می شود.
قابلیت های کلید حرارتی
قابلیتهای عملیاتی MPCB سبب کاربرد گسترده این بریکر در صنایع مختلف شده است. این بریکر در برابر خطاهای اتصال کوتاه، اضافه بار و … از موتور محافظت میکند. MPCB را می توان جایگزین ترکیب کلید مینیاتوری و بی متال کرد.
کلید استارت و استپ در نظر گرفته شده روی کلید امکان روشن و خاموش کردن موتور را فراهم می کند. در صورتی که روشن و خاموش کردن موتور به صورت محلی مد نظر شماست، می توانید کنتاکتور را از مدار حذف کنید.
در کاربردهایی که حفاظت بیشتری مد نظر باشد، قبل از کلید حرارتی یک بیمتال نصب میشود. از جمله مهمترین قابلیت های MPCB می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- قدرت قطع بالا
- مقاومت بالا در برابر بارهای لحظه ای، بدون قطعی
- حداکثر جریان 100 آمپر (برخی برندها تا 120 آمپر)
- قابلیت فرمان پذیری و استفاده در مدار فرمان
- قابلیت قطع و وصل زیر بار
- امکان تنظیم جریان عملیاتی (در برخی نمونه ها)
- قطع مستقیم مدار پس از تشخیص خطا بدون نیاز به کنتاکتور (بیمتال به کمک کنتاکتور مدار را قطع می کند)
قابلیتهای کلید حرارتی را می توان با افزودن تجهیزات جانبی افزایش داد.
مقایسه MPCB با بیمتال
بیمتال برای حفاظت از موتور الکتریکی در برابر اضافه بار کاربرد گسترده ای دارد. MPCB نیز توانایی تشخیص خطای اضافه بار را دارد. در کنار این شباهت عملکردی، تفاوت هایی نیز بین بیمتال و MPCB وجود دارد:
- MPCB در صورت بروز خطا، مدار قدرت را قطع و موتور را خاموش می کند. اما بی متال مدار فرمان را قطع می کند و برای خاموش شدن موتور به کنتاکتور نیاز دارد.
- MPCB قابلیت تشخیص خطاهای اضافه بار، اتصال کوتاه و … را دارد. در صورتی که بیمتال تنها در برابر اضافه جریان حرارتی از موتور محافظت می کند.
- کلید حرارتی علاوه بر حفاظت از موتور در برابر خطاهای مختلف، امکان خاموش و روشن کردن موتور را نیز فراهم می کند. این در حالی است که بیمتال این قابلیت را ندارد.
جزئیات بیشتر در مورد بیمتال را در مقاله ” بیمتال چیست و چه کاربردی دارد ” ببینید.
افزایش قابلیت های MPCB
قابلیتهای عملیاتی اغلب تجهیزات صنعتی را میتوان با افزودن تجهیزات جانبی افزایش داد. این قابلیت در اغلب نمونههای کلید حرارتی نیز وجود دارد. تولیدکنندگان مختلف تجهیزات جانبی متفاوتی برای محصولاتشان عرضه می کنند.
حتی گاهی اوقات نامگذاری تجهیزات جانبی نیز در برندهای مختلف متفاوت است. از جمله مهمترین تجهیزات جانبی MPCB می توان به موارد زیر اشاره کرد:
رله شنت (Shunt Relay)
گاهی اوقات وصل بودن موتور منوط به برقراری شرایط خاصی است. در این شرایط می توان از رله شنت در کنار MPCB استفاده کرد. این رله را می توان از پهلو به کلید حرارتی متصل کرد.
اعمال ولتاژ به بوبین رله شنت سبب فعال شدن رله و قطع MPCB می شود. سیگنال فرمان رله شنت توسط مدار فرمان صادر می شود. این سیگنال می تواند مستقیما توسط پی ال سی صادر شود.
به عنوان مثالی از کاربرد این رله می توان به حفاظت از سیستم در برابر آتش سوزی اشاره کرد. با شناسایی آتش سوزی 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 MPCB متصل می شود. فعال بودن این رله (برقدار بودن بوبین) به معنای قرار داشتن ولتاژ در سطح استاندارد است. در صورت کاهش ولتاژ خط، رله آندرولتاژ غیرفعال شده و در نتیجه MPCB مدار را قطع می کند.
کنتاکت کمکی (Auxiliary Contact)
گاهی اوقات لازم است با قطع و وصل کلید حرارتی، تجهیزات دیگری نیز تغییر وضعیت دهند. در این کاربردها از کنتاکت کمکی استفاده میشود. کنتاکت کمکی در پیکره بندی تکی و دوتایی موجود است و از پهلو یا جلو به MPCB متصل می شود.
کنتاکت کمکی خطا (Trip-Indicating Auxiliary Contact)
اگر به ثبت خطاهای رخ داده در مدار نیاز دارید، کنتاکت کمکی خطا به کمک شما میآید. این کنتاکت در صورت تشخیص خطای اضافه بار و تریپ کردن MPCB فعال می شود.
کنتاکت خطا از پهلو به کلید متصل می شود. لازم به ذکر است قطع و وصل کلید حرارتی به صورت دستی، کنتاکت خطا را فعال نمی کند.
نکته مهم: در صورت روشن و خاموش کردن دستی MPCB فقط کنتاکت کمکی تغییر وضعیت می دهد!
جمع بندی
کلید حرارتی به صورت ویژه برای حفاظت از موتور الکتریکی در برابر خطاهای الکتریکی طراحی شده است. این کلید در برابر خطاهای اضافه بار، اتصال کوتاه و … از موتور حفاظت می کند. MPCB جایگزین کلید مینیاتوری و بیمتال میشود.
رنج جریان این بریکرها از بیمتال کمتر و حداکثر تا 100 آمپر است. در جریان های بالاتر می توان از ترکیب بیمتال و کلید اتوماتیک برای حفاظت از موتور استفاده کرد. قابلیتهای MPCB با استفاده از تجهیزات جانبی قابل افزایش است.
