کلید حرارتی چیست، چگونه کار می کند و چه کاربردهایی دارد؟

حفاظت از موتور الکتریکی به ویژه در کاربردهای صنعتی ضروری است. حفظ روند تولید مستقیما به عملکرد صحیح و مداوم موتورها وابسته است. خطای اضافه بار و خطای اتصال کوتاه رایج ترین خطاهای الکتریکی است. کلید حرارتی از جمله تجهیزات حفاظتی ویژه موتور الکتریکی است.

اگرچه تجهیزات حفاظتی متنوعی برای استفاده در مدار الکتریکی عرضه شده است، اما MPCB از معدود تجهیزات حفاظتی ویژه است. این بریکر در جریان های پایین (تا 100 آمپر) عرضه شده و مورد استفاده قرار می گیرد.

در توان های بالاتر عموما موتور با استفاده از سافت استارتر یا درایو راه اندازی می شود. این دستگاه های کاربردی قادرند در برابر برخی خطاها از موتور حفاظت کنند. علاوه بر این در کنار آن ها از کلید اتوماتیک یا کلید هوایی استفاده می شود.

حفاظت از موتور الکتریکی

حفاظت از موتور الکتریکی از جمله مهم‌ترین مراحل طراحی و بهره‌برداری از سیستم‌های صنعتی و تأسیسات برقی است. موتور الکتریکی وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی را بر عهده دارد. آسیب دیدن موتور منجر به توقف فرآیند تولید، افزایش هزینه‌های تعمیر و بروز خطرات ایمنی می شود.

بنابراین، استفاده از تجهیزات حفاظتی مناسب برای جلوگیری از آسیب‌های الکتریکی و مکانیکی ضروری است. اصلی‌ترین عوامل خرابی موتور، افزایش جریان یا اضافه‌بار (Overload) است. کار کردن موتور با جریان بیش از مقدار نامی دمای سیم‌پیچ را افزایش می دهد.

طبق داده های علمی افزایش دمای موتور به میزان 10 درجه عمر مفید موتور را تا 50 درصد کاهش می دهد. از سوی دیگر اتصال کوتاه منجر به عبور جریانی بزرگ از مدار می شود که آسیب به سیم ها و تجهیزات را به همراه دارد.

ضرورت حفاظت از مدار و موتور الکتریکی سبب عرضه انواع مختلفی از تجهیزات حفاظتی به بازار شده است. از جمله تجهیزات حفاظتی که برای موتور و مدار الکتریکی کاربرد دارند می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کلید مینیاتوری
• کلید اتوماتیک
• کلید حرارتی
• کلید هوایی
• بیمتال یا رله اضافه بار
• کلید محافظ جان

در توان های بالا از سافت استارتر و درایو برای راه اندازی موتور الکتریکی استفاده می شود. در کاربردهایی که موتور بعد از راه اندازی با سرعت ثابت به کار ادامه می دهد، خرید سافت استارتر بهترین گزینه است. اما اگر علاوه بر راه اندازی به کنترل عملکرد موتور نیز نیاز دارید، خرید درایو فرکانس متغیر تنها راه کار است.

سافت استارتر و درایو علاوه بر رفع چالش های راه اندازی، در مقابل برخی خطاهای رایج نیز از موتور محافظت می کنند. نوع خطاهای قابل تشخیص بسته به نوع دستگاه متفاوت است.

کلید حرارتی چیست؟

کلید حرارتی از جمله بریکرهای پرکاربرد است که به صورت ویژه برای حفاظت از موتور طراحی شده است. این بریکر با نام های دیگر از جمله بریکر محافظ موتور وMPCB  نیز شناخته می شود. MPCB به منظور حفاظت از موتور الکتریکی در برابر اضافه بار، نوسانات جریان، افت فاز یا عدم تعادل فاز کاربرد دارد.

استفاده از این کلید امکان حذف فیوز را فراهم می کند. در این روش که به حفاظت بدون فیوز موسوم است، موتور به سرعت خاموش شده و از آسیب دیدگی آن می شود.

در ساختار کلید حرارتی یک مکانیزم مغناطیسی برای تشخیص اتصال کوتاه، و یک بیمتال برای تشخیص اضافه بار دارد. علاوه بر این مکانیزم تاخیر حرارتی نیز برای آن در نظر گرفته شده است. این مکانیزم تا زمانی که حرارت موتور بالا باشد، از راه اندازی دوباره آن جلوگیری می کند.

بریکر محافظ موتور در ترکیب با کنتاکتور برای راه اندازی مستقیم موتور الکتریکی کاربرد دارد. تولید کنندگان زیادی در سطح دنیا اقدام به تولید و عرضه MPCB می کنند. از جمله برندهای محبوب بازار ایران می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کلید حرارتی زیمنس
• کلید حرارتی اشنایدر
• کلید حرارتی هیوندای
• کلید حرارتی LS
• …

بدیهی است کیفیت ساخت و عملکرد محصولات برندهای مختلف با هم متفاوت است. علاوه بر این قیمت آن ها نیز یکسان نیست.

ساختار داخلی کلید حرارتی

MPCB ساختار مکانیکی ساده ای دارد که عملکرد صحیح آن را امکانپذیر می کند. به منظور آشنایی بیشتر با ساختار و عملکرد بریکر محافظ موتور، به بررسی بخش های مختلف آن می پردازیم. شکل زیر نمایی از بخش های مختلف این بریکر را نشان می دهد:

بخش های مشخص شده به صورت زیر نامگذاری شده اند:

1. مکانیزم تشخیص اضافه جریان حرارتی (اضافه بار)
2. مکانیزم تشخیص اتصال کوتاه (مکانیزم الکترومغناطیسی)
3. تیغه یا کنتاکت اصلی
4. سوئیچ کمکی
5. نگه دارنده سوئیچ
6. جرقه گیر
7. هسته سیم پیچ
8. مکانیزم تغییر وضعیت

در ادامه به تشریح عملکرد هر بخش می پیردازیم.

تشخیص اضافه جریان حرارتی

اضافه جریان سبب افزایش دمای سیم پیچ شده و طول عمر موتور را به شدت کاهش می دهد. کلید حرارتی با استفاده از یک تیغه بیمتال، خطای اضافه جریان موتور را تشخیص می دهد.

MPCB به صورت سری با موتور در مدار قرار می گیرد. افزایش جریان عبوری از موتور ور در نتیجه بریکر سبب گرم شدن و خمیدگی تیغه بیمتال می شود.

با خم شدن تیغه، کنتاکت ها از هم جدا شده و مدار قطع می شود.

تشخیص اتصال کوتاه

مکانیزم الکترومغناطیسی کلیدهای حرارتی متشکل از یک سیم پیچ کوچک و یک هسته مغناطیسی است. عبور جریان بزرگ از سیم پیچ (جریان اتصال کوتاه)، سبب تشکیل میدان مغناطیسی و ایجاد آهنربای الکتریکی می شود.

آهنربای الکتریکی قادر است بر نیروی فنر نگهدارنده غلبه و هسته سیم پیچ را جابجا کند. بخش متحرک تیغه به هسته سیم پیچ متصل است. در نتیجه با جابجایی هسته مسیر عبور حریان باز می شود.

تیغه اصلی

تیغه اصلی مسیر عبور جریان مصرف کننده است. با توجه به ظرفیت شکست بالای کلید حرارتی، تیغه اصلی باید دارای ویژگی های زیر باشد:

• ظرفیت عبور جریان بالا
• تلفات حرارتی کم در جریان عملیاتی
• مقاومت در برابر خوردگی
• اینرسی کم
• شکل بهینه برای کنترل مطلوب قوس الکتریکی

تیغه اصلی بریکرها از آلیاژهای ویژه ای ساخته می شود. علاوه بر این با عبور از تست های ویژه الزامات مورد نیاز را برآورده می کنند.

کلید حرارتی و حفاظت از موتور

MPCB به صورت ویژه جهت حفاظت از موتور الکتریکی طراحی شده است. قابلیت های حفاظتی محصولات برندهای مختلف با هم متفاوت است. همه بریکرهای حفاظت موتوری قادر به تشخیص خطای اتصال کوتاه و اضافه جریان هستند.

اما نمونه های پیشرفته این بریکر خطای عدم تعادل و قطع فاز را نیز تشخیص می دهند. در ادامه به بررسی خطاها و فرآیند تشخیص آن می پردازیم.

حفاظت در برابر اضافه بار

اضافه بار وضعیتی برنامه ریزی نشده است که موتور را بیش از حد گرم می کند. به بیان ساده خطای اضافه بار یعنی موتور با جریانی بیشتر از جریان نامی کار کند.

این خطا به دلایل مختلف رخ می دهد. از جمله دلایل وقوع اضافه بار می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• زیاد بودن مقاومت گشتاور در مقایسه با توان موتور
• گیر کردن روتور
• راه اندازی موتور به صورت مکرر در زمان کوتاه
• قطع شدن یکی از فازهای منبع
• طولانی شدن زمان استارت

تشخیص اضافه بار به کمک بیمتال انجام می شود. بیمتال از دو نوار فلزی با ضریب انبساط متفاوت تشکیل می شود. تفاوت ضریب انبساط، سبب تفاوت عکس العمل تیغه ها نسبت به گرما و خمیدگی بیمتال می شود. این فرآیند سبب باز شدن مسیر و قطع مدار می شود.

حفاظت در برابر اتصال کوتاه

اتصال کوتاه جدی ترین و خطرناک ترین خطای الکتریکی است. بنابراین لازم است موتور و سایر مصرف کننده ها در برابر این خطا حفاظت شوند. اتصال کوتاه در صورت تماس بین دو فاز یا تماس یک فاز با نول یا زمین رخ می دهد.

از جمله مهمترین دلایل وقوع اتصال کوتاه می توان به موارد زیر اشاره کرد

• خطای انسانی یا سیستمی
• فرسودگی و از بین رفتن عایق سیم ها
• رطوبت و نفوذ آب
• اتصالات الکتریکی شل یا نامناسب
• ورود اجسام خارجی یا حیوانات
• ارتعاش و ضربه های مکانیکی

در نتیجه اتصال کوتاه، جریان بزرگی از مدار عبور می کند که به موتور و … آسیب می رساند. وقوع اتصال کوتاه مکانیزم الکترومغناطیسی کلید حرارتی را فعال می کند. در این حالت بلافاصله مسیر جریان قطع می شود.

ظرفیت شکست بریکر باید از حداکثر جریان اتصال کوتاه محاسبه شده در محل نصب بیشتر باشد. در واقع قدرت قطع به ویژگی های شبکه بالادستی وابسته است نه به جریان نامی موتور!

خطای عدم تعادل بار

اغلب موتورهای مورد استفاده در صنعت از نوع سه فاز هستند و کلید حرارتی برای حفاظت از این موتورها مورد استفاده قرار می گیرد. مقاومت سیم پیچ موتور متعادل است و در نتیجه تعادل ولتاژ در مدار سه فاز الزامی است.

با توجه به تعادل مقاومت سیم پیچ ها، جریان عبوری از سیم پیچ ها تنها در صورت تعادل ولتاژ متعادل خواهد بود. عدم تعادل بار به موتور آسیب می رساند. MPCB در صورت وقوع این خطا، مدار را قطع و از موتور محافظت می کند.

حفاظت از قطع فاز

به منظور عملکرد صحیح موتور و تولید خروجی کارآمد، لازم است ولتاژ متعادل روی هر سه فاز موتور اعمال شود. قطع فاز یعنی در یک فاز ولتاژی وجود ندارد، یا به بیان دیگر ولتاژ یکی از فازها صفر شده است.

این شرایط احتمال سوختن سیم پیچ های موتور را بسیار زیاد می کند. کلید حرارتی به کمک مکانیزم حفاظت در برابر اضافه بار موتور را قبل از هر گونه آسیبی خاموش و از مدار جدا می کند.

افزایش قابلیت های کلید حرارتی

بریکر محافظ موتور در برابر خطاهای رایج از موتور حفاظت می کند. علاوه بر این به کمک مکانیزم کنترل دستی آن می توان موتور را روشن و خاموش کرد. اما در برخی از کاربردها به قابلیت های بیشتری نیاز داریم.

به منظور افزایش قابلیت های عملیاتی تجهیزات برق صنعتی از لوازم جانبی یا اکسسوری های آن استفاده می شود. از جمله دستگاه هایی که به کمک لوازم جانبی قابل توسعه هستند می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• انواع کنتاکتور
• درایو فرکانس متغیر
• کلید اتوماتیک
• کلید مینیاتوری
• کلید هوایی
• کلید حرارتی

قابلیت های MPCB نیز با افزودن برخی تجهیزات جانبی افزایش می یابد. از جمله مهمترین تجهیزات جانبی MPCB می توان به موارد زیر اشاره کرد:

رله شنت (Shunt Relay)

رله شنت امکان کنترل بریکر از راه دور را فراهم می کند. در واقع به کمک این رله می توان مدار را از راه دور قطع کرد. به عنوان مثال می توان فرمان صادر شده توسط پی ال سی را به MPCB منتقل کرد.

با اعمال ولتاژ به بوبین رله شنت، رله فعال شده و MPCB را قطع می کند. لازم به ذکر است رله شنت از پهلو به کلید حرارتی متصل می شود.

رله آندر ولتاژ (Under Voltage Relay)

در صورتیکه ولتاژ شبکه پایین تر از آستانه خطای رله آندر ولتاژ باشد (حدود 70 درصد ولتاژ کاری)، این رله  مدار را قطع می کند. با قطع برق رله آندر ولتاژ، MPCB قطع می شود. این رله نیز از پهلو به کلید حرارتی متصل می شود.

کنتاکت کمکی  (Auxiliary Contact)

گاهی اوقات لازم است با قطع و وصل MPCB، تجهیزات دیگری نیز تغییر وضعیت دهند. در این شرایط از کنتاکت کمکی استفاده می شود. کنتاکت کمکی پرمصرف ترین تجهیز جانبی بریکر محافظ موتور است.

این کنتاکت ها در پیکره بندی های یک باز – یک بسته (1NO+1NC) و دو باز – دوبسته (2NO+2NC) عرضه می شوند. کنتاکت کمکی از پهلو یا جلو به MPCB متصل می شود.

کمکی خطا  (Trip-Indicating Auxiliary Contact)

گاهی اوقات لازم است پس از تشخیص خطای اضافه بار عملیات اصلاحی انجام شود. در این کاربردها از کنتاکت کمکی خطا استفاده می شود. این کنتاکت از پهلو به کلید متصل می شود و وقوع خطای اضافه جریان را گزارش می کند.

لازم به ذکر است کنتاکت خطا با قطع و وصل کلید حرارتی به صورت دستی عمل نمی کند.

جمع بندی

MPCB از جمله تجهیزات پرکاربرد حفاظت الکتریکی است که به صورت ویژه برای حفاظت از موتور طراحی شده است. این بریکر در برابر خطای اضافه بار، اتصال کوتاه و برخی خطاهای دیگر از موتور محافظت می کند.

با استفاده از MPCB می توان کلید مینیاتوری و رله اضافه بار را از مدار حذف کرد. این کلیدها قابلیت تنظیم جریان نامی موتور و اتصال به تجهیزات جانبی را نیز دارند. همین الان انواع کلید حرارتی برندهای معتبر را با ضمانت اصالت کالا و یکسال گارانتی از پناپ کالا بخرید.