حفاظت از مدار از جمله الزامات سیستم های الکتریکی است که سبب افزایش اطمینان از عملکرد و اعتمادپذیری سیستم می شود. خطاهای مختلفی را ممکن است در سیستم های الکتریکی شاهد باشیم که نیاز است مدار را در برابر آن ها حفاظت کنیم. یکی از رایج ترین خطاهای مدار الکتریکی، خطای اضافه بار است. روش های مختلفی برای حفاظت از مدار در برابر این خطا وجود دارد که یکی از آن ها استفاده از بی متال است.
بی متال در کنار ساختار ساده، عملکردی قابل اطمینان دارند. معرفی تجهیزات حفاظتی جدید سبب عدم استفاده از بیمتال در پروژه های زیادی شده است. با این وجود قیمت پایین و عملکرد مطمئن این کلید سبب شده همچنان در پروژه های زیادی مورد استفاده قرار بگیرد.
بی متال چیست؟
به بیان ساده، یک بریکر که قادر است موتور را از خطای اضافه جریان حرارتی حافظت کند. اضافه جریان حرارتی سبب گرم شدن مصرف کننده بیش از حد متعارف می شود. این خطا در اثر جریان اضافه ای که از مدار کشیده می شود به وقوع می پیوندد. افزایش جریان عبوری از مدار دلایل مختلفی می تواند داشته باشد. به عنوان مثال افزایش بار روی شفت موتور می تواند منجر به ایجاد این خطا شود.
اگر باری روی موتور گذاشته شود که از بار نامی آن بیشتر باشد، موتور برای ادامه دادن به کار خود نیاز به جریان بیشتری دارد و اصطلاحا جریان بیشتری می کشد. عملکرد موتور با جریان بالاتر سبب افزایش دمای آن می شود. افزایش دما در طول عمر و عملکرد پایدار موتور تاثیر زیادی دارد؛ بنابراین کنترل اضافه جریان ضروری است.
قرار دادن یک بی متال به صورت سری با موتور، این چالش را برطرف می کند. در واقع بیمتال توانایی تشخیص عبور اضافه بار از موتور را دارد. پس از تشخیص اضافه بار، بیمتال مدار را قطع می کند و به این صورت از موتور در برابر اضافه بار حفاظت می کند.
ساختار بی متال
بی متال ها را گاهی اوقات رله اضافه بار نیز می نامند. رله های اضافه بار براساس تکنولوژی مدار تریپ و روش تشخیص اضافه جریان، در گروه های مختلفی قرار می گیرند. در واقع هدف ما در اینجا بررسی رله های اضافه بار بیمتال است. این تجهیزات از یک نوار دو فلزی برای تشخیص افزایش جریان استفاده می کنند. ساختار کلید را می توان به بخش های زیر تقسیم کرد:
تیغه دو فلزی
اصلی ترین جزء ساختار این کلید، تیغه ای است که از اتصال دو فلز متفاوت به هم ساخته شده است. این فلزات ضریب انبساط حرارتی متفاوتی دارند. این تفاوت، خم شدن تیغه در اثر گرما را به دنبال دارد.
مکانیزم تیغه ها
مسیر جریان بار توسط تیغه ها بسته می شود. مکانیزم کلید شامل دو تیغه است که یکی از آن ها ثابت و دیگری متغیر است. خم شدن تیغه بیمتال سبب جابجایی پلاتین و تغییر وضعیت کلید می شود.
بدنه (قاب محافظ)
تمام تجهیزات الکتریکی توسط یک قاب محافظ حفاظت می شوند. قاب ها معمولاً از جنس پلاستیک ساخته می شود. این بدنه علاوه بر عایق کردن ساختارهای حامل جریان، بخش های داخلی کلید را در برابر گرد و غبار و … حفاظت می کند.
ترمینال ها
تجهیزات الکتریکی با استفاده از ترمینال به مدار متصل می شوند. ترمینال از نوع پیچی یا بعضا قابل لحیم کاری در نظر گرفته می شود.
بی متال چگونه کار می کند؟
فرض کنید یک تیغه فلزی به طول l داریم. فلزات با افزایش دما، تغییر طول می دهند. میزان افزایش طول به ضریب انبساط حرارتی خطی فلزات وابشته است. ضریب انبساط حرارتی با نمایش داده می شود.
تیغه بی متال از دو فلز مختلف ساخته می شود بنابراین ضریب انبساط حرارتی آن ها متفاوت است. این تیغه ها در طول به یکدیگر متصل شده اند. شکل زیر نمایی از وضعیت تیغه ها در حالت عادی (قبل از گرم شدن) است:
بالا رفتن دمای تیغه، سبب افزایش طول آن می شود. به دلیل تفاوت در ضریب انبساط فلزات استفاده شد ه در تیغه، میزان انبساط آن ها متفاوت است. تفاوت طول تیغه ها سبب خم شدن تیغه می شود. فلز با ضریب انبساط حرارتی بالاتر در قسمت بیرون این قوس قرار می گیرد.
با کاهش دمای تیغه، وضعیت قوس برعکس می شود. در این حالت فلز با ضریب انبساطی بالاتر در بخش داخلی قوس قرار می گیرد. اساس کار کلید بی متال همین تغییر قوس تیغه دو فلزی است.
رله اضافه بار بی متال چگونه کار می کند؟
این رله ها از یک تیغه بی متال بهره می برند. در صورتی بروز خطای فاز (قطع شدن یکی از فازها) یا خطای اضافه بار (افزایش بار روی شفت موتور)، جریان عبوری از هیتر گرم کننده تیغه افزایش می یابد و دمای تیغه را بالا می برد. افزایش دما، خم شدن تیغه دوفلزی را به همراه دارد.
خم شدن تیغه باعث می شود کنتاکت متحرک از کنتاکت ثابت فاصله بگیرد. جدا شدن کنتاکت ها سبب قطع مسیر جریان شده در نتیجه موتور را خاموش می کند. تیغه پس از خنک شدن به حالت عادی برگشته و مسیر جریان دوباره برقرار می شود.
عوامل تعیین کننده در انتخاب
برای انتخاب رله اضافه بار حرارتی مناسب، باید نیازهای خاص پروژه را در نظر بگیرید. مهمترین عواملی که باید مورد توجه قرار بگیرند عبارتند از:
جریان نامی: حداکثر جریانی را که مدار ممکن است در طول عملیات عادی تجربه کند تعیین کنید. رله بی متال باید بتواند حداکثر جریان مورد نیاز مدار را بدون بروز مشکل عبور دهد.
زمان پاسخ: مدت زمانی که طول می کشد تا بیمتال پس از عبور جریان از آستانه تعیین شده، خاموش شود، باید در زمان انتخاب رله بیمتال مورد توجه قرار بگیرد.
حساسیت به دمای محیط: دمای محیط می تواند بر عملکرد رله های بیمتال تأثیر بگذارد. اگر برنامه شما شامل کار در محیط های سخت با دمای بالا است، رله ای را انتخاب کنید که برای چنین شرایطی طراحی شده است.
قابلیت اطمینان و عمر مفید: قابلیت اطمینان یک نگرانی اساسی در مورد تجهیزات الکتریکی است. از محصولات تولید کنندگان معتبر و قابل اعتماد استفاده کنید. طول عمر مفید رله را نیز بررسی کنید تا زمان تعویض رله به تعویق نیافتد. از جمله محصولات معتبر موجود در بازار ایران می توان به بی متال هیوندای اشاره کرد.
شرایط محیطی محل استفاده: بسته به نوع کاربرد، درجه حفاظت بیمتال باید مورد توجه قرار بگیرد. برای محیط‌های خشن یا استفاده در فضای آزاد، به دنبال بیمتالی با درجه‌بندی حفاظت (IP) مناسب باشید تا از نفوذ گرد و غبار، آب و سایر آلاینده‌ها به داخل بریکر جلوگیری شود.
گاهی اوقات امکان عبور جریان های بالاتر از مدار وجود دارد. در این کاربردها از بی متالی با ضریب انبساط دمایی بیشتر استفاده می کنند. این قابلیت سبب عملکرد سریع و مطمئن بریکر می شود. همچنین چنانچه در کاربردی جریان عبوری کم مورد انتظار باشد، از بی متال با ضریب دمایی کمتر استفاده می کنند تا از قطع کاذب مدار جلوگیری شود.
جزئیات بیشتر در این زمینه را در مقاله راه و رسم انتخاب بیمتال ببینید.
جمع بندی
بی متال ها تجهیزاتی هستند که موتور را در برابر اضافه بار حرارتی محافظت می کنند. اضافه بار حرارتی می تواند دلایل مختلفی داشته باشد مانند افزایش بار روی شفت موتور یا خطای فاز (قطع یکی از فازها).
این کلیدها از یک مکانیزم ساده مبتنی بر ضریب انبساط متفاوت فلزات بهره می برند. توجه به این نکته ضروری است که این کلیدها عمر محدودی دارند و با گذشت زمان دقت آن ها کم می شود.
به منظور حصول اطمینان از عملکرد صحیح بیمتال، به صورت دوره ای آن را آزمایش و در صورت لزوم تعویض کنید. به علاوه، در کاربردهایی که تغییرات سریع دما یا دماهای شدید مورد انتظار است نباید از این کلید استفاده کنید. این شرایط می تواند به کلید آسیب برساند یا باعث خرابی آن شود.