اضافه بار را به عنوان یکی از مهم ترین خطراتی که ممکن است برای مصرف کننده ایجاد شود، می شناسیم. در صورت عدم تشخیص به موقع اضافه بار باید منتظر عواقب سنگین مالی باشیم.
در شرایط اضافه بار، مصرف کننده جریان زیادی از شبکه دریافت کرده و گرمای زیاد ناشی از جریان را تجربه می کند. در این حالت، آسیب‌های مکانیکی مصرف کننده امری بدیهی خواهد بود. بنابراین برای تشخیص به موقع اضافه بار به مکانیزمی نیاز داریم که در زمان مناسب، باعث قطع مدار شود.
در صنعت این مکانیزم را تحت عنوان رله اضافه بار می شناسیم. یکی از مهم ترین انواع رله های اضافه بار، رله اضافه بار حرارتی یا بیمتال است.
انواع رله
رله نوعی کلید الکتریکی سریع یا بی‌درنگ است که با هدایت یک مدار دیگر باز و بسته می شود. روش کنترل باز و بسته شدن این کلید الکتریکی به صورت های مختلف مکانیکی، حرارتی، مغناطیسی و غیره است.
از آنجا که رله می تواند جریان قوی تر از جریان ورودی را هدایت کند می توان آن را نوعی تقویت کننده نیز دانست. در گذشته رله ها معمولاً با سیم پیچ ساخته می‌شد و از جریان برق برای تولید میدان مغناطیسی و باز و بسته کردن مدار استفاده می کرد. امروزه بسیاری از رله ها به صورت حالت جامد و از جنس مواد نیمه هادی ساخته می‌شوند و اجزای متحرک ندارند. از انواع رله های استفاده شده در سیستم های توزیع می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- رله کنترل ولتاژ
- رله کنترل فاز
- رلهخطای زمین
- رله زمانی (تایمر)
- رله حرارتی (بی متال)
رله بی متال
به طور کلی هر به حالت غیر عادی که در عملکرد سیستم به وجود می آید خطا گفته می شود. از این حالت های غیرعادی می‌توان به وقوع اتصال کوتاه، افزایش و یا کاهش بیش از حد ولتاژ، افزایش یا کاهش بیش از حد فرکانس، افزایش حرارت تجهیزات در اثر توان عبوری بیش از حد از آن ها یا اضافه بار، از سنکرون خارج شدن ژنراتورها و غیره اشاره کرد. اتصال کوتاه ها از مهم ترین خطاهایی هستند که در یک شبکه به وجود می آید.
تقریباً در تمامی خطاها با اندازه گیری میزان جریان و ولتاژ می‌توان وقوع خطا را تشخیص داده و در سیستم های حفاظتی در مرحله اول با استفاده از ترانس های ولتاژ و جریان، اندازه ولتاژ و جریان را کاهش داد تا به میزان قابل استفاده برای تجهیزات حفاظتی برسد و در مراحل بعد در صورتی که لازم باشد به وسیلۀ رله های مربوط فرمان مناسب صادر شود.
اشخاص و حیوانات، وسایل و لوازم ساختمان ها هم باید در برابر صدمات ناشی از جریان اتصال کوتاه یا اضافه جریان در ساختمان ها در امان باشند. برای اینکار باید منبع تغذیه در موقع بروز اضافه جریان قبل از اینکه اضافه جریان مدت زمان زیادی برقرار باشد قطع شود تا شرایط خطرناکی مانند آتش سوزی یا از بین رفتن عایق تجهیزات برقی یا مدار های الکتریکی پیش نیاید. این کار توسط رله بی متال انجام می شود.
بی متال الکترونیکی
رله ها در دو نوع حرارتی و یا الکترونیکی ساخته می شوند که در نوع حرارتی تأخیر زمانی و کار رله با توجه به حرارت تولید شده، در المان حرارتی مخصوص حاصل می شود و در بی متال الکترونیکی تأخیر زمانی با توجه به مدارهای الکترونیکی و شارژ و دشارژ خازن تنظیم می شود و در موتورها با قدرت بالا و موتورهای فشار قوی از رله های اضافه بار نوع الکترونیکی استفاده می شود که با دقت و با اطمینان بیشتر عمل می کنند.
در این قسمت به شرح رله بی متال که نوعی رله حرارتی است می پردازیم.
طرز کار بی متال
در رله های حرارتی ، سه تیغه تعبیه شده که سیم حا مل جریان چند حلقه به دور آن پیچیده می شود. در اثر عبور جریان اضا فه بار، هادی ها گرم ، حرارات به بی متال منتقل می شود و با عث خم شدن تیغه می شود. حرکت هر یک از بی متالها به اهرمی فشا ر می آورد و با جا به جا شدن اهرم، یک میکرو سوئچ که دارای کنتاکت تبدیل باز و بسته است تغییر وضعیت می دهد و مدار فرمان را قطع می کند. برای افزایش سرعت عملکرد بیمتال و جلوگیری از جرقه و سوختگی محل اتصال، از آهن‌ربا در بالا و پایین تیغه دوفلزی استفاده می‌شود که نیروی مغناطیسی آن به بسته شدن سریع اتصال کمک می‌کند.
رله‌های اضافه‌بار (بیمتال) تنظیم‌پذیر هستند و می‌توان آنها را به گونه‌ای تنظیم کرد که جریان‌هایی بین ۱٫۰۵ تا ۱۰ برابر جریان نامی موتورها را قطع کنند. رله بیمتال سه‌فاز معمولاً دارای سه پل قدرت و دو کنتاکت فرمان است (یک کنتاکت باز برای اتصال به سیستم هشداردهنده و یک کنتاکت بسته برای قراردادن در مسیر تغذیه کنتاکتور). کنتاکت معمولاً بسته بیمتال با شماره‌های ۹۵-۹۶ و کنتاکت معمولاً باز آن با شماره‌های ۹۷-۹۸ مشخص می‌شود.
برخی از رله‌های بیمتال دارای دو حالت دستی و خودکار هستند که در حالت دستی اگر رله عمل کند باید آن را به صورت دستی و با فشردن دکمه RESET به حالت اول بازگرداند، اما در حالت خودکار برگشتن به حالت اول پس از گذشت مدتی معین به صورت خودکار انجام می‌شود.
اتصال بار تکفاز به بی متال سه فاز
در صورت استفاده از يك بي متال سه فاز براي يك مصرف كننده تكفاز، بايد قطع كننده يكي از فازها را با قطع كننده فاز ديگر سري نموده و از كنتاكت باقي مانده باید براي اتصال نول به مصرف كننده استفاده نمود.
عملکرد بی متال
در تأسیسات صنعتی لازم است موتور به طور اتوماتیک قطع و یا وصل شود و کنتاکتور متناسب با نوع بار پیش بینی می شود. به منظور قطع اتوماتیک موتورها در صورت افزایش درجه حرارت بدنۀ موتور ناشی از اضافه بار، رله های حرارتی (بی متال) و یا رله های حرارتی مغناطیسی در مدار قرار داده می شود.
بی متال یا رله بی متال برای حفاظت از موتور الکتریکی در مقابل اضافه بار استفاده می شود و به کنتاکتور متصل می شود. عملکرد بی متال اشنایدر به این صورت است که اگر جریانی بیش از حد جریان تنظیم شده روی بی متال از آن عبور کند، عمل کرده و مسیر جریان را قطع می کند؛ صورت افزایش جریان تا بیش از مقدار اسمی و تولید حرارت در المان حرارتی، درجه حرارت از مقدار تنظیم رله تجاوز کرده رله عمل می نماید. افزایش درجه حرارت مستلزم گذشت زمان و انتقال حرارت به المان حساس به درجه حرارت خواهد بود. به همین دلیل رله بی متال در اتصال کوتاه کاربرد ندارد چون تاخیر نسبتا زیادی دارد و به جای آن از رله حرارتی مغناطیسی استفاده می شود.
انواع بی متال
رله بی متال معمولا همراه با کنتاکتور در مدار قرار می گیرد. کنتاکتور وظیفه قطع و وصل مدار را به عهده دارد و بی متال از مدار در برابر اضافه ولتاژ محافظت می کند. بی متال روی کنتاکتور ها نصب می شود و با توجه به مدل کنتاکتور انواع مختلفی دارد. کنتاکتور های پرکاربرد در ایران کنتاکتور های سری D و F هستند و بی متال های مربوط به این دو نوع با اسم LRD و LR9D شناخته می شوند. رنج کاری بی متال اشنایدر الکتریک در سری LRD از ۰٫۱۶ تا ۱۵۰ آمپر برای کنتاکتورهای سری D اشنایدر و در سری LR9F از ۶۰ تا ۶۳۰ آمپر برای کنتاکتورهای سری F اشنایدر است.
ساختمان رله بی متال
ساختمان رله بی متال از دو تیغه فلزی غیر همجنس (که ضریب انبساط طولی آنها متفاوت بوده و به وسیلۀ نورد گرم بر روی یکدیگر پرس شده اند) تشکیل شده است. در نتیجه گرما باعث خم شدن تیغه ها به سمت فلزی که ضریب انبساط کمتری دارد می شود. این خمش باعث قطع شدن یک کلید می شود. گرم شدن بی متال، می تواند توسط عبور مستقیم جریان از آن و یا توسط عبور جریان از یک سیم مقاومت دار که روی بی متال پیچیده شده است ایجاد شود. بی متال برای هر مدار موتوری بر روی جریان نامی مدار تنظیم می شود.
اگر جریانی که از مصرف کننده عبور می‌کند از جریان نامی بیشتر باشد به طور مستقیم و یا توسط یک مبدل جریان (CT) بی متال را گرم کرده تغییر حالت بی متال باعث قطع شدن مدار می‌شود. مدت زمانی که طول می کشد تا در اثر اضافه بار بی متال مدار را قطع کند بستگی به مقدار اضافه بار و وضعیت راه اندازی (راه اندازی معمولی یا راه اندازی سخت) دارد. رله بی متال معمولاً قابلیت ۳۰ بار عمل در هر ساعت را دارد. شکل زیر ساختمان داخلی بی متال را نشان می دهد.
یک بی متال استاندارد باید دارای شرایط زیر باشد:
- در بار نامی نباید مدار قطع کند.
- اگر جریان عبوری به اندازه ۵ درصد بیشتر از مقدار جریان تنظیم شده روی بی متال باشد، باید در مدت زمان بیشتر از ۲ ساعت مدار را قطع کند.
- اگر جریان عبوری به اندازه ۲۰ درصد بیشتر از جریان تنظیم شده باشد، باید در زمان کمتر از دو ساعت مدار را قطع کند.
- اضافه بار بیشتر از ۵۰ درصد باید کلید حفاظتی را در زمان کمتر از دو دقیقه قطع کند.
- اگر جریان عبوری از بی متال ۶ برابر جریان تنظیم شده باشد (راه اندازی موتور آسنکرون) باید کلید حفاظتی را در راه اندازی معمولی در زمان بیشتر از ۲ ثانیه و در راه اندازی سخت در زمان بیشتر از ۵ ثانیه مدار را قطع کند. در سه فاز چنانچه افزایش جریان در یک فاز باشد باعث گرم شدن بی متال مربوطه و خم شدن آن می شود که باعث قطع هم زمان سه فاز می شود.
برای حفاظت موتور در برابر اضافه بار باید جریان قطع کننده حرارتی برابر با جریان نامی موتور باشد. رله بی متال اشنایدر بعد از قطع مدار، معمولاً به حالت اول در نمی آید باید پس از بررسی برای کار در حالت عادی دکمۀ قرمز یا آبی رنگی که روی آن نصب شده است را فشار دهیم، دکمه مزبور را در اصطلاح (RESET) می نامند. در بعضی از رله های بیمتال، حالت MAN و AUT وجود دارد که با قرار دادن اهرم روی Auto، پس از عملکرد بیمتال، مجدداً بعد از مدتی به حالت اولیه در می آید. شکل زیر اجزای بی متال را نشان می دهد.
ﻫﺮ رله ﺣﺮارﺗﻲ ﺳﻪ ﻓﺎز از ﺳﻪ ﻛﻨﺘﺎﻛﺖ ﻗﺪرت ﺑﺮای ﻋﺒﻮر ﺟﺮﻳﺎن اﺻﻠﻲ ﻣﺼﺮف ﻛﻨﻨﺪه ﻛﻪ ﺑﻌﺪ از ﻛﻨﺘﺎﻛﺘﻮر ﻗﺮار می گیرند و دو ﻛﻨﺘﺎﻛﺖ ﻓﺮﻣﺎن ﺑﻬﺮه می گیرد. از دو ﻛﻨﺘﺎﻛﺖ ﻓﺮﻣﺎن یک ﻛﻨﺘﺎﻛﺖ بسته اﺳﺖ و ﺟﻬﺖ ﻗﻄﻊ ﻣﺪار ﺗﻐﺬﻳﻪ ﺑﻮﺑﻴﻦ ﻛﻨﺘﺎﻛﺘﻮر ﺑﻪ ﻛﺎر می رود و دو ﻛﻨﺘﺎﻛﺖ دﻳﮕﺮ ﺑﺎز اﺳﺖ ﻛﻪ ﭘﺲ از ﻋﻤﻞ بی متال، بسته می شود و ﺑﺮای اﻃﻼع ﻳﺎ وﺻﻞ ﻣﺪارﻫای اﺿﻄﺮاری ﺑﻪ ﻛﺎر می رود.
کنتاکت ۹۵ و ۹۶ در مسیر فرمان به بوبین کنتاکتور و بطور سری قرار می گیرد تا در موقع اضافه جریان کنتاکتور را قطع نماید. کنتاکت ۹۷ و ۹۸ برای نمایش عملکرد بی متال مورد استفاده قرار می گیرد، مثلاً با روشن کردن یک لامپ سیگنال مشخص می شود.
کاربردهای بیمتال
رله های اضافه بار حرارتی یا بیمتال لگراند حفاظت اضافه بار برای موتور های تکفاز و سه فاز مانند پمپ ها، کمپرسور ها، میکسر ها، نوار نقاله، آسانسور و … را فراهم می کند.
پارامترهای انتخاب بیمتال
هنگام انتخاب یک بیمتال، پارامترهایی مانند محدوده جریان، ولتاژ نامی، کلاس قطع، ولتاژ نامی عایق، استانداردهای بین المللی، دمای هوای محیط، عملکرد دستی یا خودکار موثر خواهند بود.
شرایط فنی بیمتال
تنظیم جریان
رله اضافه بار حرارتی با استفاده از یک پتانسیومتر چرخشی با جریان نامی موتور تنظیم می شود. مقیاس پتانسیومتر دوار بر حسب آمپر کالیبره می شود.
تنظیم مجدد دستی و خودکار
هنگامی که تنظیم مجدد دستی انتخاب شده است، با فشار دادن دکمه “RESET” می توان مستقیماً روی دستگاه تنظیم مجدد انجام داد. هنگامی که تنظیم مجدد خودکار انتخاب شود، رله به طور خودکار بازنشانی می شود. تنظیم مجدد تا زمانی که زمان بازنشانی سپری نشده است، امکان پذیر نخواهد بود.
زمان خنک شدن
پس از قطع مدار به دلیل اضافه بار، مدت زمان مشخصی طول می کشد تا نوارهای دو فلزی بیمتال خنک شوند. رله اضافه بار فقط زمانی قابل تنظیم مجدد است که خنک شود.
دکمه تست
عملکرد صحیح رله اضافه بار حرارتی آماده را می توان با دکمه TEST آزمایش کرد. دکمه تست برای شبیه سازی خاموش شدن رله استفاده می شود. در طول این شبیه سازی، کنتاکت معمولا بسته (۹۵-۹۶) (Normally Closed) باز می شود و کنتاکت معمولا باز (۹۷-۹۸) (Normally Open) بسته می شود.
عملکرد توقف
با فشار دادن دکمه STOP، کنتاکت معمولا بسته، باز شده و کنتاکتور قطع می شود. بنابراین جریان بار قطع خواهد شد. با رها شدن دکمه STOP، بار از طریق کنتاکتور به مدار بر می گردد.
مزایای بیمتال
- از گرم شدن بیش از حد موتور محافظت می کند.
- دستگاهی کم هزینه است.
- بیمتال دارای دکمه تست داخلی است، که برای عیب یابی استفاده می شود.
- برخی از رله های اضافه بار حرارتی دارای دکمه انتخاب کلاس تریپ هستند.
- دارای محدوده جریان گسترده و قابل تنظیم است.
- عملکرد ریست دارد (دستی یا اتوماتیک).
- می توان آن را مستقیماً روی یک کنتاکتور نصب کرد.
معایب بیمتال
- عملکرد قطع مستقیم ندارد و برای قطع مدار باید با سایر وسایل کلید زنی مانند کنتاکتور همراه شود.
- توانایی محافظت در برابر اتصال کوتاه را ندارد.
- نسبتا کُند عمل می کند.
- خنک شدن نوار فلزی بعد از عمل کردن ضروری است.
- در استارت های سنگین عملکرد خوبی ندارد.
تفاوت بی متال با برخی دیگر از تجهیزات الکترونیکی
- تفاوت بی متال با فیوز:
- فیوز، جریان های بالای حالت اتصال کوتاه را احساس و قطع می کند.
- توجه داشته باشید که جریان های به وجود آمده از اضافه بار زیاد، در محدوده عملکرد فیوز نیست.
- از بیمتال در مدارات سه فاز استفاه می شود، پس هنگامی که یکی از فازها دچار اختلال شود، مسیر دوفاز دیگر را نیز قطع می کند.
- تفاوت بیمتال با کلید حرارتی:
- بیمتال تنها مدار فرمان را قطع می کند اما کلید حرارتی می تواند مستقیما سه فاز مدار قدرت را قطع کند و باعث قطع شدن تغذیه موتور شود.
- بیمتال فقط از جریان حرارتی محافظت می کند، در صورتی که کلید حرارتی، علاوه بر جریان (در اصل کلید حرارتی قابلیت تشخیص اتصال کوتاه را نیز دارد) از هر دو جریان حرارتی و مغناطیسی حفاظت می نماید.
- در اصل بی متال فقط نقش حفاظت موتور را دارد، ولی کلید حرارتی، وظایف بیشتری را بر عهده می گیرد.
تست بی متال
حالت سرد COLD : در این روش دو برابر جریان نامی بی متال تزریق می گردد و زمان عملکرد رله بی متال یادداشت می شود.
حالت گرم HOT : چون این تست پس از تست حالت سرد و پس از عمل کردن رله صورت می گیرد، تست گرم نامیده می شود. در این روش جریانی معادل شش برابر جریان نامی تزریق شده و زمان عملکرد رله بی متال یادداشت می گردد.
حالت دو فاز : در این روش در مدار بالا یکی از فازها را قطع کرده و مدار را با دو فاز می بندند. و زمان عملکرد رله را یادداشت می کنند.
کالای برق ذوالفقاری
متخصصین ما هر لحظه برای ارائه مشاوره و شنیدن صدای شما عزیزان آمادگی دارند