سرج پروتکتور یکی از تجهیزات جانبی کنتاکتور است. این تجهیز نقش حفاظتی دارد و از مدار و تجهیزات آن در برابر نوسانات ولتاژ در لحظه قطع برق بوبین محافظت می کند. شایع ترین مشکلی که در نبود سرج پروتکتور به وجود می آید، آسیب به ورودی و خروجی PLC هایی است که با بوبین کنتاکتور در ارتباط هستند.
منشا ایجاد سرج یا نوسان می تواند عوامل متعددی باشد. سرج پروتکتور کنتاکتور با روش ها و تکنیک های مختلف، نوسانات ناگهانی به وجود آمده را مدیریت می کند. در این محتوا پس از توضیح مختصر ساختار کنتاکتور به بررسی سرج پروتکتور، عوامل بروز سرج و روش های مهار آن می پردازیم.
ساختار کنتاکتور
کنتاکتور یک کلید الکترومغناطیسی است که ساختار آن از دو بخش مهم تشکیل شده است:
- سیم پیچ یا بوبین
- تیغه ها
سیم پیچ به دور یک هسته آهنی دو تکه تابیده شده و شامل یک بخش ثابت و یک بخش متحرک است. تیغه نیز دارای دو بخش ثابت و متحرک است. با تغذیه سیم پیچ، درون قسمت ثابت هسته آهنی شار مغناطیسی ایجاد می شود. این شار مغناطیسی برای عبور از کوتاه ترین فاصله ممکن، بخش متحرک هسته آهنی را جذب می کند. بدین ترتیب با تغییر وضعیت هسته آهنی بخش متحرک تیغه ها نیز تغییر وضعیت می دهد.
در مقاله “کنتاکتور چیست و چه کاربردهایی دارد” به بررسی دقیق ساختار این تجهیزات پرداخته ایم.
بدین ترتیب با مدیریت سیگنال فرمان بوبین، وضعیت باز یا بسته بودن تیغه ها تعیین می شود. ساختار کنتاکتور در ایجاد ولتاژ های ناگهانی یا همان سرج نقش موثری بازی می کند. با استفاده از سرج پروتکتور کنتاکتور می توان چالش های ناشی از ایجاد سرج را به حداقل رساند. در ادامه به تعریف و عوامل ایجاد SURGE یا نوسان ناگهانی در مدار پرداخته ایم.
SURGE چیست و چطور ایجاد می شود؟
وقتی یک موج گذرا برای مدت زمان بسیار کوتاهی روی سیگنال ولتاژ، جریان و یا توان ایجاد شود اصطلاحا می گوییم نوسان یا SURGE رخ داده است. سرج می تواند در بازه زمانی میکرو ثانیه تا ده ها هزار ولت بالا برود. این اختلال در شکل موج می تواند باعث ایجاد خسارت و آسیب های جدی به مدار و تجهیزات آن شود. سرج پروتکتور کنتاکتور با مهار این نوسان از آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری میکند.
منشا ایجاد نوسان در مدار می تواند مربوط به عوامل بیرونی و یا درونی باشد. عوامل شناخته شده بیرونی عبارتند از :
- صاعقه و رعد و برق
- سوئیچینگ شبکه
- بانک های خازنی
نوسان در مدار بر اثر عوامل بیرونی به ندرت و خیلی کم رخ می دهد. اما برخی از آن ها مانند صاعقه اگر اتفاق بیفتد می تواند آتش سوزی و خسارات های سنگینی به همراه داشته باشد. در تصویر زیر آسیب دیدگی یک وریستور که بخشی از یک محافظ برق بوده بر اثر بروز صاعقه مشاهده می کنید.
مهم ترین دلیل ایجاد سرج و نوسان در مدار عوامل داخلی و ناشی از خاموش و روشن شدن تجهیزات است. کنتاکتور، رله، بریکر ها، بانک ها و بارهای خازنی، سیتم وصل مجدد برق و اتصالات سستی که بعضا قطع و وصل می شوند می توانند با ایجاد نوسان در عملکرد مدار اخلال ایجاد کنند.
جمع بندی آنچه که تا اینجا گفتیم این است که نوسان با عوامل داخلی، بر اثر قطع و وصل تجهیزات ایجاد می شود. کنتاکتور به عنوان یک تجهیز سوئیچینگ با عملکرد قطع و وصل جریان، یک عامل ایجاد کننده نوسان در مدار است. نوسان ایجاد شده به تیغه های کنتاکتور و تجهیزات حساسی مانند PLC که مستقیما با کنتاکتور ها در تماس هستند آسیب می رساند.
اینجاست که نقش سرج پروتکتور کنتاکتور به عنوان یک تجهیز مهار کننده نوسان مشخص می شود. در ادامه با سرج پروتکتور و ساختار های متنوع آن بیشتر آشنا می شویم.
سرج در کنتاکتور چطور رخ می دهد
سرج درکنتاکتور چطور ایجاد می شود؟ این مشکل در لحظه قطع برق بوبین رخ می دهد. وقتی در سیم پیچ بوبین ولتاژ الکتریکی وجود داشته باشد، در لحظه قطع شدن میدان مغناطیسی، یک ولتاژ در جهت مخالف در مدار القا می شود. این ولتاژ به ولتاژ برگشتی یا نیرو محرکه مغناطیسی معکوس موسوم است. این ولتاژ در دو سر بوبین و با پلاریته معکوس ظاهر می شود. در این شرایط تخلیه انرژی تولید شده با ایجاد جرقه همراه است.
سرج پروتکتور کنتاکتور Surge protection devices (SPD)، یک تجهیز الکترونیکی با ساختار ساده است که می تواند مشکلات ناشی از بروز surge در بوبین را به راحتی برطرف کند.
این تجهیزات بر اساس ساختار داخلی شان به 5 دسته تقسیم می شوند :
- دیود
- دیود- زنر
- وریستور
- دیود TVS
- فیلتر RC
جدول زیر مدار الکترونیکی و محل استفاده هر کدام از نمونه های سرج پروتکتور را نشان می دهد. برخی از این تجهیزات مناسب استفاده در مدارات AC و برخی دیگر مناسب استفاده در مدار DC هستند. اما برخی از نمونه های سرج پروتکتور را می توان در هر دو مدار AC/DC استفاده کنید.
سرج پروتکتور به صورت موازی با کویل کنتاکتور در مدار قرار می گیرد. ضمن اینکه ساختارهای دیود هرزگرد و دیودی- زنری در کنتاکتور های با بوبین DC استفاده می شوند.
سرج پروتکتور دیودی
دیود یا دیود هرزگرد کنتاکتور با کویل DC کنتاکتور موازی می شود. در صورت ایجاد ولتاژ معکوس، دیود در مسیر تخلیه قرار می گیرد. با این روش یک مسیر اتصال کوتاه برای تخلیه سریع انرژی فراهم شده و از بروز نوسان جلوگیری می شود. دیود هرزگرد ساده ترین نوع سرج پروتکتور کنتاکتور است.
ساختار دیودی – زنری
ساختار دیودی – زنری، سرج پروتکتور کامل تری برای کویل های DC است . در این ساختار یک دیود زنر به صورت معکوس با دیود هرزگرد سری می شود. نقش اصلی دیود زنر در این ساختار محافظت از دیود در ولتاژ های بسیار بالاست.
دیود TVS به عنوان سرج پروتکتور کنتاکتور
این تجهیزات Transient-Voltage-Suppression یا دیود سرکوب کننده ولتاژ گذرا نام دارند. دیود TVS برای کویل های DC و AC کاربرد دارد. این تجهیز به صورت موازی با کویل در مدار می گیرد. این قطعه با عبور ولتاژ هایی که از ولتاژ شکست آن بیشتر است اتصال کوتاه شده و نوسانات ناگهانی ولتاژ در مدار را کنترل می کند.
وریستور
وریستور یک راهکار مقاومتی برای مقابله با ولتاژ های ناگهانی است. در واقع وریستور یک مقاومت متغییر با ولتاژ است. این روش رایج ترین روش سرج پروتکتور کنتاکتور است. اگر ولتاژ از حد ولتاژ آستانه وریستور بالاتر برود، مقاومت آن به شدت کاهش می باید و سرج از مسیری که برای عبور جریان ایجاد شده است تخلیه می شود.
فیلتر RC
فیلتر RC ترکیب سری یک مقاومت با خازن است که به صورت موازی با کویل AC و DC قرار می گیرد. SURGE همانطور که گفته شد علاوه بر اینکه ولتاژ بالایی دارد در مدت زمان بسیار کوتاهی رخ می دهد، در نتیجه فرکانس نوسانات بسیار بالاست. فیلتر RC یک فیلتر بالاگذر است که با فرکانس های بالا فعال می شود. وقوع سرج فیلتر را فعال کرده و اجازه می دهد از مسیر فیلتر تخلیه شود.
البته باید این موضوع را مد نظر داشت که اگر فرکانس نوسان بالا نباشد ممکن است فیلتر به درستی عمل نکند.
جمع بندی
قطع و وصل تغذیه بوبین کنتاکتور سبب ایجاد یک ولتاژ ضربه ای گذرا می شود. پلاریته این ولتاژ عکس پلاریته تغذیه بوبین است. عدم مدیریت این ولتاژ گذرا می تواند سببب آسیب به کنتاکتور و سایر تجهیزات موجود در مدار به ویژه پی ال سی ها شود. برای غلبه بر این چالش ها از تجهیزات جانبی تحت عنوان سرج پروتکتور کنتاکتور استفاده می شود.
لازم به ذکر است برخی از نمونه های کنتاکتور موجود در بازار دارای سرج پروتکتور داخلی هستند. و برای سایر نمونه ها سرج پروتکتور به عنوان یک تجهیز جانبی شناخته می شود. از جمله نمونه های دارای سرج پروتکتور داخلی می توان به برخی نمونه های کنتاکتور زیمنس، کنتاکتور اشنایدر و … اشاره کرد.