کنتاکتورها نقش مهمی در کنترل مدارهای الکتریکی دارند. در صورت اختلال در عملکرد این تجهیزات، کل مدار دچار مشکل می شود. کنتاکتورها از یک سیم پیچ جهت عملیات باز و بسته شدن تیغه ها استفاده می کنند. وجود سیم پیچ و اثرات سلفی آن سبب ایجاد ولتاژهای گذرا می شود که به سرج موسوم اند. محافظت از کنتاکتور در برابر این ولتاژهای گذار ضروری است. روش های مختلفی بریا حفاظت از کنتاکتور در برابر این وضعیت گذرا وجود دارد.
به عنوان مثال یک قطعه محافظت کننده به نام وریستور، می تواند از کنتاکتورها در برابر افزایش ولتاژهای لحظه ای محفاظت کند. در این مقاله به بررسی عملکرد این قطعات خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید…
وریستور چیست؟
بدون درنظر گرفتن این که مدار ما AC یا DC است، تنش های گذرای ولتاژ (Transient Surge) را در مدارات الکتریکی شاهد خواهیم بود. این تنش ها تحت تاثیر عوامل مختلفی ایجاد می شوند. منبع این تنش ها می تواند خود مدار یا عواملی خارج از مدار باشد.
افزایش سریع و ناگهانی ولتاژ مدار تا چندهزار ولت، از پیامدهای ناشی از همین حالت های گذرا است. بنابراین ضروری است که از ورود این جهش های ولتاژی به اجزای حساس مدار و پایه های المان ها جلوگیری شود. از جمله منابعی که باعث ایجاد این جهش های ولتاژ می شوند می توان به کلیدزنی موتورهای DC، اثر سلفی ناشی از کلیدزنی موتورهای AC و ترانسفورماتور، روشن کردن لامپ های فلورسنت و … اشاره کرد.
وریستور یک المان مقاومتی یا به عبارتی مقاومت وابسته به ولتاژ(Voltage Dependent Resistors) است که دارای ویژگی های ولت-آمپر غیر خطی است. وریستورها قادرند در برابر تنش های ولتاژی از مدار محافظت کنند.
این قطعات الکتریکی از طریق تنظیم مقادیر ناخواسته ولتاژهای زودگذر (ناپایدار) و جذب انرژی اضافی، جریان اضافی و اضافه ولتاژ زودگذر دستگاه های حساس را محافظت می کنند. از وریستور برای کنترل افزایش ولتاژ لحظه ای، حفاظت از موتور، منابع تغذیه، سیستم های امنیتی، لوازم خانگی، سیستم های امنیتی خودرو و… به طور گسترده استفاده می شود.
تغییرات شکل موج AC
در شکل زیر نمایی از ایجاد جهش های ناخواسته روی شکل موج AC قابل مشاهده است. وقوع این جهش ها نه تنها موجب افزایش ناگهانی ولتاژ می شود بلکه جریان عبوری از مدار را نیز به صورت ناگهانی افزایش می دهد. درصورت عدم کنترل حالت های گذرای ولتاژ، صدمات جدی به مدار وارد شده و عدم پایداری مدار را نیز به دنبال خواهد داشت.
عملکرد وریستور در مدار
درحالت عادی مقاومت وریستور بسیار بالا است. در این شرایط هیچ تغییری در ولتاژهای پایین تر از حد آستانه یا کلمپ و در نتیجه عملکرد مدار ایجاد نمی شود. اما به محض افزایش ولتاژ دوسر وریستور از حد آستانه (یا ولتاژ شکست)، کاهش شدیدی در مقاومت موثر وریستور اتفاق می افتد.
براساس قانون اهم می دانیم که به شرط ثابت بودن R، مشخصه جریان- ولتاژ یک خط مستقیم است و اختلاف پتانسیل پایه های مقاومت با جریان الکتریکی نسبت مستقیم دارد. اما در وریستورها، منحنی جریان-ولتاژ خطی نیست؛ به همین دلیل تغییر جریان که در نتیجه تغییر ولتاژ به وجود می آید، مقدار مشخصی ندارد.
وریستور به صورت موازی با مصرف کننده در مدار قرار می گیرد. یعنی در مدار DC بین مثبت و منفی (Positive-Negative) و در مدار AC بین فاز و نول (Phase-to-Neutral) یا فاز و فاز (Phase-to-Phase) متصل می شود. هر وریستور یک ولتاژ نامی متفاوت دارد.
تا زمانی که ولتاژهای پایین تر از ولتاژ شکست از مدار عبور کند، جریان بسیار کمی در حد یک میلی آمپر از وریستور عبور می کند. در این حالت وجود تریستور تاثیری بر عملکرد مدار ندارد. اما با تغییر شرایط عملکرد متفاوتی از وریستورها را شاهد خواهیم بود.
هنگامی که ولتاژ افزایش می یابد و به نقطه شکست وریستور می رسد، مقاومت آن به شدت کاهش یافته و به صفر میل می کند. در این حالت تمام جریان از مسیر وریستور عبور می کند. این مکانیزم ساده می تواند از اعمال اضافه ولتاژ به دوسر بار جلوگیری کند. ولتاژ شکست وریستور با توجه به حداکثر مقدار ولتاژی که کارکرد ایمن مدار را فراهم می کند، انتخاب می شود.
اتصال وریستور به کنتاکتور
این قطعه با دو سر سیم پیچ کنتاکتور موازی می شود. برای بسته شدن تیغه ها باید جریان کافی در سیم پیچ وجود داشته باشد. هنگامی که ولتاژ بوبین قطع می شود؛ یک نیرو محرکه خود القایی در مدار ایجاد خواهد شد.
قطع ولتاژ بوبین در یک لحظه اتفاق می افتد. در اثر نیرو محرکه القا شده در سیم پیچ، نرخ جریان تغییر بسیار زیادی خواهد داشت. افزایش لحظه ای ولتاژ به دستگاه های الکترونیکی که در معرض این اضافه ولتاژ قرار بگیرند، صدمه می زند.
همچنین اختلاف زیاد بین سطح این ولتاژ با ولتاژ تحریک بوبین کنتاکتور، باعث آسیب رسیدن به بوبین نیز می شود. با موازی کردن یک وریستور با دوسر سیم پیچ کنتاکتور AC، بوبین کنتاکتور و سایر تجهیزات الکترونیکی مدار از اثرات ضربه جریان ناشی از قطع ولتاژ بوبین کنتاکتور حفظ شده و ضریب توان نیز بهبود می یابد. شکل زیر نمایی از اتصال وریستوربه کنتاکتور زیمنس را نشان می دهد.
انتخاب وریستور مناسب
در زمانی که ولتاژ دوسر وریستور از ولتاژ شکست کمتر باشد، وریستور تقریبا نارسانا است و معادل یک مدار باز عمل می کند. درحالی که اگر ولتاژی بالاتر از ولتاژ شکست داشته باشیم؛ عملکرد وریستور تقریبا معادل یک مسیر اتصال کوتاه خواهد بود.
به همین دلیل باید جریان کار ایمن وریستور در مقایسه با جریان سیم پیچ بیشتر باشد تا پس از قطع برق، وریستور به حالت مدار باز برگردد. ولتاژ تحریک سیم پیچ نیز باید کمتر از ولتاژ شکست وریستور باشد. به این ترتیب با اتصال ولتاژ تحریک بوبین، وریستور درحالت اتصال باز قرارگرفته و کنتاکتور نیز به کارخود ادامه می دهد.
به عنوان مثال برای مدار 220 ولت باید یک وریستور با ولتاژ شکست 430~470 ولت انتخاب شود.
درصورت استفاده از وریستور برای حفاظت در برابر صاعقه، باید آن را بین خط و زمین قرار دهید. همچنین یک فیوز باید به صورت سری به آن متصل شود. ازآن جایی که ولتاژ صاعقه بسیار بیشتر از ولتاژ خط و فراتر از آستانه شکست وریستور است؛ درصورت وقوع، باعث روشن شدن وریستور و درنتیجه تخلیه ولتاژ به زمین می شود.
به این ترتیب تجهیزات مدار در برابر آسیب های ناشی از صاعقه محافظت می شوند. ولتاژ470~510 برای وریستور با این کاربرد مناسب تر است.
جمع بندی
همانطور که در مقاله کنتاکتور چیست و چگونه کار میکند بیان شد، اعمال ولتاژ فعال سازی به سیم پیچ؛ کنتاکتور را فعال می کند. قطع ناگهانی ولتاژ فعالسازی، باعث القای یک نیرو محرکه بزرگ در آن می شود.
این نیرو محرکه بزرگ، ولتاژ زیادی در دو سر سیم پیچ ایجاد می کند که می تواند سیم پیچ را بسوزاند. وریستور می تواند از کنتاکتور در برابر این افزایش ناگهانی ولتاژ محافظت کند. با در نظر گرفتن الزامات مدار و محل نصب، حداکثر جریان و ولتاژ شکست وریستور مشخص می شود.