مدار فرمان چیست؟ | راهنمای کاربردی به زبان ساده

مدارهای الکتریکی صنعتی از دو بخش مدار فرمان و مدار قدرت تشکیل می‌شوند. مدار فرمان که به آن مدار کنترل نیز می‌گویند، وظیفه کنترل و حفاظت مدار قدرت را بر عهده دارد. در این آموزش، با مدار فرمان و اجزای آن آشنا می‌شویم. همچنین، مدار فرمان و مدار قدرت راه‌اندازی ستاره-مثلث موتور القایی را به عنوان یک مثال بررسی خواهیم کرد.

مدار فرمان چیست؟

طبق تعریف کد الکتریکی ملی (NEC)، کنترل‌کننده تجهیز یا مجموعه تجهیزاتی است که به صورت پیش تعیین ‌شده، برق تحویلی به دستگاهی که به آن متصل است را مدیریت و کنترل می‌کند. «مدار فرمان» یا «مدار کنترل» (Control Circuit) اصطلاحی است که معنی گسترده‌ای دارد و از یک سوئیچ ضامن‌دار ساده تا یک سیستم پیچیده متشکل از رله‌ها، کنتاکتورها، تایمرها، سوئیچ‌ها و چراغ‌های سیگنال را در بر می‌گیرد.

هر مدار الکتریکی برای روشن یا برق‌دار شدن دارای اجزای کنترلی است. یک نمونه از مدار فرمان ساده، کلید برقی است که برای روشن و خاموش شدن چراغ‌ها استفاده می‌شود.

در بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌های صنعتی از مدار فرمان برای کنترل و حفاظت مدار قدرت استفاده می‌شود. به عنوان مثال، از كنترل موتور برای راه‌اندازی و توقف و محافظت از موتور، ماشین‌آلات وابسته و پرسنل استفاده می‌شود. علاوه بر این، ممکن است از کنترل‌کننده‌ موتور برای تغییر سرعت، تغییر جهت، ترمز و... نیز استفاده شود. مدار فرمان برای دستیابی به درجه بالایی از عملکرد اتوماتیک و دقیق ماشین ممکن است پیچیده باشد.

مدار فرمان دستی

هنگامی که شخصی مدار را به صورت دستی کنترل کند، مدار فرمان دستی است. به عنوان مثال، ممکن است کسی سوئیچ راه‌انداز دستی یک موتور را بچرخاند تا آن را روشن یا خاموش کند.

مدار فرمان اتوماتیک

در حالی که کنترل دستی ماشین‌آلات هنوز هم رایج است، بسیاری از آن‌ها به طور خودکار راه‌اندازی و متوقف می‌شوند. در صنعت، غالباً ترکیبی از مدار فرمان دستی و اتوماتیک به کار می‌رود. ممکن است یک فرایند به صورت دستی آغاز شود، اما مدار آن را به طور خودکار متوقف کند.

اجزای مدار فرمان

اجزای یک مدار فرمان شامل کلیه تجهیزات و دستگاه‌های مربوط به عملکرد مدار است. این تجهیزات شامل مواردی مانند محفظه تابلو، سیم و کابل، رله‌ها، کنتاکتورها، تجهیزات پایلوت و تجهیزات محافظت از اضافه جریان است. انتخاب تجهیزات کنترل برای یک هدف خاص نیاز به درک کاملی از مشخصات عملکرد کنترل‌کننده و نحوه سیم‌کشی آن دارد. برای ساخت مدار فرمان، باید تجهیزات کنترلی مناسب انتخاب شوند و در طرح کلی به کار روند.

هر زبانی به منظور انتقال ایده‌ها و اطلاعات ایجاد شده و توسعه یافته است. بنابراین، برای درک ایده‌ها و اطلاعات منتقل شده، درک زبان لازم است. زبان کنترل‌ها و فرمان‌های الکتریکی نیز از مجموعه‌ای از نمادها تشکیل شده است که معمولاً استفاده از آن‌ها رایج است. در ادامه، همراه با معرفی اجزای مدار فرمان، نماد آن‌ها را نیز بیان می‌کنیم.

کنتاکت یا اتصال

از نمادهای اتصال یا کنتاکت برای نشان دادن مسیر باز یا بسته جریان استفاده می‌شود. کنتاکت‌ها به دو صورت «در حالت عادی باز» یا «نرمالی اُپن» (NO) و «در حالت عادی بسته» یا «نرمالی کلوزد» (NC) نشان داده می‌شوند. فعال‌سازی کنتاکت‌ها نیازمند تجهیزات دیگری است.

روش استاندارد نمایش یک کنتاکت، در واقع نشان دادن آن وضعیتی است که دستگاه تحریک در حالت بدون انرژی یا بدون برق (غیرفعال) است. به عنوان مثال، در تصویر زیر از یک رله به عنوان دستگاه محرک استفاده شده است. کنتاکت‌ها NO هستند، به این معنی که وقتی رله بدون انرژی است، کنتاکت باز است. بنابراین، مسیر بسته‌ای برای جریان وجود ندارد و چراغ خاموش است.

کنتاکت NO

در نقشه مدار فرمان، نمادها در حالت برق‌دار نشان داده نمی‌شوند. به عنوان مثال، در تصویر زیر مدار ابتدا در حالت بدون انرژی یا بدون برق نشان داده شده است. کنتاکت‌ها در حالت NO خود مشخص شده‌اند. وقتی رله برق‌دار می‌شود، کنتاکت‌ها بسته شده و مسیر جریان را کامل می‌کنند و چراغ روشن می‌شود. کنتاکت‌ها در شکل برجسته شده‌اند تا بسته شده آن‌ها را نشان دهیم. البته این برجسته کردن یک نماد رسمی نیست. در اینجا فقط برای نشان دادن عملکرد مدار از آن استفاده کرده‌ایم.

کنتاکت NC

در تصویر زیر، کنتاکت‌ها به صورت NC نشان داده شده‌اند، به این معنی که هنگامی که رله بی‌برق باشد، کنتاکت‌ها متصل هستند. مسیر کاملی از جریان وجود دارد و چراغ روشن است. وقتی رله انرژی می‌گیرد، کنتاکت‌ها باز می‌شوند و چراغ را خاموش می‌کنند.

سوئیچ یا کلید

از نماد سوئیچ در نقشه مدار فرمان نیز برای نشان دادن مسیر باز یا بسته جریان استفاده می‌شود. نماد سوئیچ برای نشان دادن لیمیت سوئیچ‌ها، فوت سوئیچ‌ها، سوئیچ‌های فشار، سوئیچ‌های سطح، سوئیچ‌های تحریک شونده با دما، سوئیچ‌های جریان و سلکتورها به کار می‌رود. سوئیچ‌ها، مانند کنتاکت‌ها، برای تغییر حالت خود به دستگاه یا عمل خارجی دیگری نیاز دارند. در مورد سوئیچ دستی شخص باید به طور دستی موقعیت سوئیچ را تغییر دهد.

سوئیچ NO

در تصویر زیر یک باتری به یک طرف یک سوئیچ NO و یک چراغ به طرف دیگر متصل است. با باز بودن سوئیچ از جاری شدن جریان به سمت چراغ جلوگیری می‌شود. وقتی شخصی سوئیچ را ببندد، مسیر جریان کامل و چراغ روشن می‌شود.

سوئیچ NC

در تصویر زیر یک باتری به یک طرف سوئیچ بسته شده و یک چراغ به طرف دیگر آن متصل است. با بسته شدن سوئیچ جریان به سمت چراغ برقرار می‌شود. با باز کردن سوئیچ، مسیر جریان قطع و چراغ خاموش می‌شود.

شستی

شستی‌ها یا همان دکمه‌های فشاری (پوش باتون) دو نوع اصلی دارند: لحظه‌ای و دائم. وقتی یک شستی لحظه‌ای NO را فشار دهیم، بسته خواهد شد. به طور مشابه، یک شستی لحظه‌ای NC با فشار دادن باز می‌شود. با فشار شستی نگهدارنده، دکمه در جای خود قرار می‌گیرد.

شستی NO

در تصویر زیر یک باتری به یک طرف شستی NO و یک چراغ به طرف دیگر آن متصل است. هنگامی که دکمه فشار داده می‌شود، یک مسیر کامل جریان از طریق شستی به وجود می‌آید و چراغ روشن می‌شود.

شستی NC

در شکل زیر تا زمانی که شستی فشار داده نشود، جریان به سمت چراغ برقرار می‌شود. با فشار دادن شستی، جریان قطع شده و چراغ خاموش می‌شود.

سیم‌پیچ یا کویل

از کویل‌ها در استارترهای الکترومغناطیسی، کنتاکتورها و رله‌ها استفاده می‌شود. هدف کنتاکتورها و رله‌ها باز و بسته شدن کنتاکت‌های مرتبط است. برای مشخص کردن سیم‌پیچ از یک حرف، مثلاً M و CR به ترتیب برای موتور و رله كنترل استفاده می‌شود. کنتاکت‌های متناظر نیز حرف شناسایی مشخصی دارند. کنتاکتورها و رله‌ها از یک عمل الکترومغناطیسی برای باز و بسته شدن این کنتاکت‌ها استفاده می‌کنند. کنتاکت‌ها می‌توانند NC یا NO باشند.

کویل با کنتاکت‌های NO

در مثال زیر، کنتاکت‌های M سری با موتور، توسط کویل M کنتاکتور کنترل می‌شوند. وقتی شخص سوئیچ را می‌بندد، مسیر کامل جریان از طریق سوئیچ و سیم‌پیچ M کنتاکتور به وجود می‌آید. سیم‌پیچ M کنتاکت‌های M را  فعال می‌کند. این کنتاکت‌ها خود در مسیر برق موتور هستند.

رله اضافه بار

رله‌های اضافه‌بار برای محافظت موتور از گرم شدن بیش از حد به دلیل اضافه‌بار ماشین‌آلات، کاهش ولتاژ یا قطع فاز در یک سیستم سه‌فاز استفاده می‌شوند. وقتی جریان بیش از حد در مدت زمان از پیش تعیین شده‌ای کشیده شود، رله باز شده و موتور از منبع توان جدا می‌شود.

چراغ سیگنال

چراغ پایلوت یا چراغ سیگنال، چراغ الکتریکی کوچکی است که برای نشان دادن شرایط خاص یک مدار استفاده می‌شود. به عنوان مثال، ممکن است از یک چراغ قرمز برای نشان دادن کار کردن موتور استفاده شود. حرف در مرکز نماد چراغ سیگنال نشان دهنده رنگ نور آن است.

نقشه مدار فرمان

زبان بیان ارتباط اجزای مدار فرمان یک دیاگرام خطی است که به آن دیاگرام نردبانی نیز گفته می‌شود. دیاگرام‌های نردبانی از مدار فرمان و مدار قدرت تشکیل شده‌اند. سیم‌های برق در دیاگرام خطی با خطوط نشان داده می‌شوند. گاهی برای بیان تفاوت سیم‌کشی مدار فرمان و مدار قدرت، سیم‌کشی مدار فرمان با یک خط نازک‌ و سیم‌کشی مدار قدرت با یک خط پررنگ‌ نشان داده می‌شود. یک نقطه یا گره کوچک در تقاطع دو یا چند سیم نیز نشان‌دهنده اتصال الکتریکی است.

دیاگرام‌های خطی ارتباط عملکردی اجزا و دستگاه‌ها را در یک مدار الکتریکی نشان می‌دهند، نه ارتباط فیزیکی. به عنوان مثال، تصویر زیر ارتباط فیزیکی چراغ سیگنال و شستی را نشان می‌دهد.

رابطه عملکردی را می‌توان با تصویر زیر به صورت بصری نشان داد.

خواندن دیاگرام خطی

این رابطه عملکردی به صورت نمادین با دیاگرام خطی نشان داده شده است. نمودارهای خطی از چپ به راست خوانده می‌شوند. با فشار دادن شستی می‌توان جریان را از L1 از طریق شستی و چراغ سیگنال به L2 عبور داد. آزاد کردن شستی جریان را قطع می‌کند و چراغ سیگنال خاموش می‌شود.

مدار فرمان و مدار قدرت

مدار قدرت که توسط خط ضخیم نشان داده شده، همان چیزی است که در واقع برق را از منبع به بار متصل به آن (موتور) می‌رساند. مدار فرمان که با خط نازک نشان داده شده است، برای «کنترل» توزیع برق استفاده می‌شود.

اتصال اجزای مدار فرمان

مدار فرمان از بارهای کنترل و دستگاه‌های کنترل تشکیل شده است. بار کنترل یک قطعه الکتریکی است که از برق استفاده می‌کند. چراغ‌های سیگنال، رله‌ها و کنتاکتورها نمونه‌هایی از بارهای کنترل هستند. از قطعات کنترلی برای فعال کردن بار کنترل استفاده می‌شوند. شستی‌ها و کلیدها نمونه‌هایی از دستگاه‌های کنترل هستند. تصویر زیر ارتباط مناسب یک چراغ سیگنال (بار) با یک شستی (قطعه کنترل) را نشان می‌دهد. خطوط برق به صورت عمودی رسم و با L1 و L2 مشخص شده‌اند. در این مثال، اختلاف ولتاژ بین L1 و L2 برابر با 120 ولت AC است. ولتاژ چراغ سیگنال انتخاب شده باید 120 ولت AC باشد. با فشار دادن شستی، ولتاژ کامل 120 ولت به چراغ سیگنال اعمال می‌شود.

اتصال بار کنترل

در هر خط مدار بین L1 و L2 تنها یک بار کنترل باید قرار گیرد. یک طرف بار کنترل به طور مستقیم یا در بعضی موارد از طریق کنتاکت‌های رله اضافه بار به L2 متصل می‌شود. در مثال زیر، یک چراغ سیگنال مستقیماً روی L2 در یک خط مدار به L2 متصل می‌شود. سیم‌پیچ کنتاکتور به طور غیرمستقیم از طریق مجموعه‌ای از کنتاکت‌های اضافه بار (OL) به L2 در یک خط مدار دوم متصل می‌شود. این اتصال یک اتصال موازی است. با فشار دادن شستی، ولتاژ به چراغ سیگنال و کنتاکتور M اعمال می‌شود.

بارهای فرمان معمولاً به صورت سری وصل نمی‌شوند. تصویر زیر دو روش اتصال بار کنترل یا فرمان را نشان می‌دهد. در یک نمونه که بارهای کنترل به طور نامناسب به صورت سری وصل می‌شوند، هنگامی که شستی فشار داده شود، ولتاژ L1 و L2 در هر دو بار تقسیم می‌شود. نتیجه اینکه هیچ‌یک از بارها 120 ولت لازم برای عملکرد مناسب را دریافت نمی‌کنند. اگر یکی از بارها در این پیکربندی خراب شود، کل مدار بی‌فایده خواهد بود.

در حالت دیگر، بارها به طور موازی و به صورت صحیح متصل می‌شوند. در این مدار برای هر خط فقط یک بار بین L1 و L2 وجود دارد. با فشار دادن شستی، ولتاژ کامل 120 ولت در هر بار ظاهر می‌شود. اگر یک بار در این پیکربندی خراب شود، بار دیگر به طور عادی به کار خود ادامه می‌دهد.

اتصال تجهیزات کنترل

تجهیزات کنترلی بین L1 و بار متصل می‌شوند. دستگاه کنترل بسته به نتایج مورد نظر می‌تواند به صورت سری یا موازی متصل شود. در تصویر زیر، شستی‌ها به طور موازی به هم متصل شده‌اند. با فشار دادن هر شستی، جریان از L1 به L2 می‌گذرد.

در تصویر زیر، دو شستی به صورت سری به هم متصل شده‌اند. برای اجازه عبور جریان از L1 به L2، باید هر دو شستی را فشار داد.

شماره‌گذاری خطوط

شماره‌گذاری هر خط درک نمودارهای پیچیده را آسان می‌کند. در تصویر زیر، خط 1 شستی 1 را به چراغ سیگنال متصل می‌کند.

مثال مدار فرمان ستاره مثلث

متداول‌ترین روش کنترل موتور برای کاهش جریان مورد نیاز برای راه‌اندازی موتورهای صنعتی، راه‌اندازی ستاره-مثلث است. مدار فرمان راه‌اندازی ستاره-مثلث موتور معمولاً شامل کنتاکتورهای مغناطیسی، تایمر و رله اضافه‌بار حرارتی است.

با توجه به هزینه کم و در دسترس بودن این دستگاه‌های الکترومکانیکی، روش ستاره-مثلث هنوز هم رایج‌ترین برای کاهش جریان راه‌اندازی موتورهای القایی سه‌فاز است. راه‌اندازی ستاره-مثلث روشی است که در موتورهای با گشتاور کم استفاده می‌شود. در این بخش، مدار فرمان و مدار قدرت راه‌انداز ستاره-مثلث موتور القایی سه‌فاز را شرح می‌دهیم.

چرا از راه‌انداز استفاده می‌کنیم؟

به طور کلی، موتور، چه در صنعت و چه در لوازم مصرفی، بر اساس کاربردی که برای آن در نظر گرفته شده، باید بدون بار یا در بار کامل راه‌اندازی شود. اگر موتور بدون بار راه‌اندازی شود، برای غلبه بر لَختی اولیه به گشتاور کمی نیاز دارد. اما اگر موتور در بار کامل (یا هر بار دیگری) راه‌اندازی شود، گشتاور راه‌اندازی باید به اندازه‌ای باشد که موتور را با بار و لختی آن روشن کند.

به طور کلی، موتورهای سه‌فاز را می‌توان با اتصال مستقیم به منبع تغذیه راه‌اندازی کرد. در این حالت، جریان راه‌اندازی زیاد و در نتیجه گشتاور آغاز به کار موتور زیاد است. این گشتاور موتور را شتاب می‌دهد تا به سرعت نهایی خود برسد. از آنجا که شتاب موتور زیاد (سریع) است، تلفات مسی یعنی اتلاف حرارت، که با استفاده از رابطه $$ RI^2$$ محاسبه می‌شود، بسیار کم است. این نوع راه‌اندازی برای موتورهای کوچک، یعنی موتورهایی با قدرت تا ۵ اسب بخار، قابل اعمال است. اما نمی‌توان از این روش راه‌اندازی برای موتورهایی با ظرفیت بالاتر استفاده کرد. در ادامه، دلیل این امر را توضیح می‌دهیم.

در موتورهای بزرگ، جریان راه‌اندازی بسیار زیاد است و اگر موتور مستقیماً به منبع تغذیه متصل شود، افت ولتاژ زیادی در خط ایجاد می‌شود. این افت ولتاژ رفتار سایر سیستم‌ها و بارهای متصل به منبع را تحت تأثیر قرار می‌دهد. جریان راه‌اندازی موتورهای القایی سه‌فاز بزرگ می‌تواند تا 6 برابر بیشتر از جریان بیشینه (جریان بار کامل) باشد. برای درک بهتر، مثالی را بیان می‌کنیم. یک موتور صنعتی 415 ولت، 50 اسب بخار برای حداکثر جریان (جریان بار کامل) 70 آمپر طراحی شده است. اگر این موتور با اتصال مستقیم آن به منبع تغذیه شروع به کار کند، جریان راه‌اندازی تقریباً 42۰ =۷۰ × 6 آمپر است.

از این رو، باید موتور القایی سه‌فاز را با یک روش راه‌اندازی مناسب راه‌اندازی کنیم. از آنجا که گشتاور موتور مستقیماً با مربع ولتاژ متناسب است (T∝V²)، کاهش ولتاژ منجر به کاهش مقدار بیشتری از گشتاور راه‌اندازی می‌شود. به این نوع راه‌اندزای ولتاژ کاهش‌یافته می‌گویند.

انواع مختلفی از روش‌های راه‌اندازی ولتاژ کاهش یافته وجود دارد که برخی از آن‌ها به شرح زیر است:

• راه‌انداز ستاره-مثلث
• راه‌انداز ولتاژ کاهش یافته مقاومتی
• راه‌انداز ولتاژ کاهش یافته اتوترانسفورماتور
• راه‌انداز مقاومت افزایشی
• راه‌انداز ولتاژ کاهش یافته سیم‌پیچ جزئی
• راه‌انداز ولتاژ کاهش یافته راکتانس

راه‌انداز ستاره مثلث

راه‌انداز ستاره-مثلث، که گاهی اوقات Y-Δ یا دلتا-وای نامیده می‌شود، یک نوع رایج از راه‌انداز ولتاژ کاهش یافته است. راه‌انداز ستاره-مثلث می‌تواند بدون نیاز به هیچ دستگاه خارجی، جریان راه‌اندازی را کاهش دهد. به طور کلی، از راه‌اندازها یا استارترهای ستاره-مثلث برای موتورهای القایی سه‌فاز قفس سنجابی استفاده می‌کنیم که معمولاً برای کار با اتصال مثلث طراحی شده‌اند. عمده‌ترین کاربردهای موتورهایی با راه‌انداز ستاره-مثلث، فن‌ها، پمپ‌ها، چیلرهای گریز از مرکز در تهویه مطبوع و غیره است.

در یک راه‌انداز ستاره-مثلث، اتصال اولیه سیم‌پیچ‌های استاتور به شکل ستاره است. اگر $$V_L$$ ولتاژ خط و $$V_P$$ ولتاژ فاز باشد، ولتاژ در هر فاز استاتور به صورت زیر به دست خواهد آمد:

$$ \large V _ P = \frac {V_L}{\sqrt 3 } $$

در تصویر دوم (سمت راست)، سیم‌پیچ‌های استاتور با اتصال مثلث به هم متصل شده‌اند. می‌دانیم که ولتاژ خط و ولتاژ فاز در اتصال مثلث برابر هستند و فرض می‌کنیم ولتاژ روی سیم‌پیچ‌های استاتور $$V$$ باشد. اگر $$I$$ جریان فاز گذرنده از سیم‌پیچ استاتور در اتصال مثلث باشد، جریان خط $$I_L-\sqrt 3 I$$ است.

در تصویر اول (سمت چپ)، سیم‌پیچ‌های استاتور با اتصال ستاره متصل می‌شوند. از آنجا که ولتاژ خط $$V$$ است، ولتاژ فاز سیم‌پیچ‌های اتصال ستاره برابر با $$V/\sqrt{3}$$ خواهد بود.

از آنجا که ولتاژ سیم‌پیچ به میزان $$\frac {1}{\sqrt 3 } $$ برابر کاهش می‌یابد، جریان گذرنده در هر سیم‌پیچ نیز به همان میزان کم می‌شود. از این رو، جریان فاز یا جریان گذرنده از سیم‌پیچ به $$I_P = \frac {I}{\sqrt 3 } $$ تبدیل می‌شود. از آنجا که جریان خط و جریان فاز در اتصال ستاره برابر هستند، جریان خط $$I_L = \frac {I}{\sqrt 3 } $$ خواهد بود.

از تحلیل فوق می‌توان نتیجه گرفت:

$$ \large I_{L,\Delta} = \sqrt 3 I, \;\;\; I_{L, Y} = \frac { I } { \sqrt 3} $$

با توجه به دو معادله بالا، می‌توان گفت که جریان خط در اتصال ستاره یک‌سوم جریان خط در اتصال مثلث است.

همچنین، گشتاور راه اندازی یک موتور مستقیماً با مربع ولتاژ سیم‌پیچ‌ها متناسب است:

$$\large T \propto V ^ 2 $$

ولتاژ سیم‌پیچ موتور در اتصال ستاره $$\frac {1}{\sqrt 3 } $$ برابر ولتاژ سیم‌پیچ موتور نسبت به اتصال مثلث است. از این رو، هنگام اتصال موتور در اتصال مثلث، گشتاور راه‌اندازی موتور در اتصال ستاره $$\frac 13 $$ برابر گشتاور مثلث خواهد بود.

سیم‌پیچ‌های موتور

شکل زیر اتصالات سیم‌پیچ موتور را در راه‌اندازی ستاره مثلث نشان می‌دهد. سه سیم‌پیچ استاتور موتور القایی سه‌فاز به عنوان Y1-Y2 ،X1-X2 و Z1-Z2 نشان داده شده که در آن Y1 ،X1 و Z1 ابتدای سیم‌پیچ‌ها و Y2 ،X2 و Z2 انتهای آن‌ها هستند. تصویر زیر سیم‌پیچ‌های موتور با اتصالات ستاره و مثلث را نشان می‌دهد.

در اتصال ستاره، انتهای سیم‌پیچ‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند و یک نقطه خنثی را تشکیل می‌دهند. همچنین می‌توانیم ابتدای سیم‌پیچ‌ها را به هم متصل کنیم تا نقطه خنثی ایجاد شود. در تصویر بالا، انتهای سیم‌پیچ‌ها، یعنی Y2 ،X2 و Z2 به هم متصل شده‌اند.

در اتصال مثلث، ابتدای یک سیم‌پیچ به انتهای سیم‌پیچ دیگر متصل می‌شود تا یک ساختار مطابق شکل بالا تشکیل شود. منبع به محل اتصالات متصل می‌شود. در نمایش فوق، اتصالات این‌گونه است: X2-Y1 ،X1-Z2 و Y2-Z1.

در یک راه‌انداز ستاره مثلث، ابتدا سیم‌پیچ‌های موتور در اتصال ستاره متصل می‌شوند و با کمک سوئیچ‌ها، تایمرها و کنتاکتورها، سیم‌پیچ‌ها در اتصال مثلث به کار عادی خود ادامه خواهد داد.

بر اساس عملکرد سوئیچینگ بین اتصال ستاره و اتصال مثلث، استارترهای ستاره-مثلث اساساً در دو نوع دستی و اتوماتیک طبقه‌بندی می‌شوند. در ادامه، با این دو نوع استارتر آشنا می‌شویم.

مدار فرمان ستاره مثلث دستی

تصویر زیر نمودار اتصال یک استارتر ستاره-مثلث ساده را نشان می‌دهد.

سوئیچ این استارتر سه موقعیت دارد: 0 برای خاموش، 1 برای اتصال ستاره و 2 برای اتصال مثلث. اگر سوئیچ در موقعیت 0 قرار گیرد، سیم‌پیچ‌های موتور باز هستند و موتور خاموش است. برای فعال کردن اتصال ستاره، سوئیچ به موقعیت 1 منتقل می‌شود.

در این وضعیت، انتهای سیم‌پیچ‌ها، یعنی Y2 ،X2 و Z2 به هم متصل می‌شوند. این کار اتصال ستاره را کامل می‌کند و موتور شروع به چرخش می‌کند.

وقتی موتور شتاب می‌گیرد، سرعت آن بیشتر می‌شود و با نزدیک شدن سرعت موتور به سرعت نامی، سوئیچ از موقعیت 1 به 2 تغییر مکان می‌یابد.

موقعیت 2 سوئیچ با برقراری ارتباط Y2-Z1 ،X2-Y1 و Z2-X1 اتصال مثلث را فعال می‌کند. موتور اکنون در اتصال مثلث کار می‌کند و بدون هیچ مشکلی به سرعت نامی خود می‌رسد.

مدار فرمان ستاره مثلث دستی با شستی

تصویر زیر نشان‌دهنده نمودار سیم‌کشی یک شستی است که راه‌اندازی ستاره-مثلث را انجام می‌دهد. این نوع استارتر معمولاً از 2 شستی، کلید ۴ پل ۳ وضعیته، یک کنتاکتور و یک رله اضافه‌بار تشکیل می‌شود.

در سوئیچ سه وضعیته ۴ پل، از 3 پل برای اتصال 3 سیم‌پیچ موتور به منبع با 3 وضعیت 0 (خاموش)، 1 (ستاره) و 2 (مثلث) استفاده می‌شود. پل چهارم در مدار فرمان استفاده می‌شود.

وقتی سوئیچ در موقعیت 0 قرار دارد (خاموش)، اگر شستی ON فشار داده شود، کنتاکتور M انرژی نمی‌گیرد. اگر سوئیچ به موقعیت 2 - (مثلث یا Run) منتقل شود و اگر دکمه ON فشار داده شود هم کنتاکتور M انرژی نمی‌گیرد. در هر دو مورد موتور روشن نمی‌شود.

اکنون، فرض می‌کنیم وضعیت سوئیچ به وضعیت 1 (ستاره) منتقل شده است. حال اگر شستی ON فشار داده شود، سیم‌پیچ کنتاکتور M برق‌دار می‌شود و کنتاکت‌های موتور را به منبع تغذیه متصل می‌کند. اکنون موتور به صورت ستاره متصل است و در نتیجه شروع به چرخش می‌کند.

باید دکمه ON را فشار داد، زیرا موتور سرعت بیشتری می‌گیرد و سوئیچ به وضعیت 2 (مثلث) منتقل می‌شود. همان‌طور که موتور در اتصال مثلث در حال کار است، می‌توان شستی ON را آزاد کرد، زیرا M1 باعث می‌شود تا کنتاکتور M برق‌دار شود.

شستی ON تنها پس از اینکه سیم‌پیچ موتور به اتصال مثلث روشن شد، آزاد می‌شود. برای خاموش کردن موتور می‌توان شستی OFF را فشار داد.

تصویر زیر مدار فرمان ستاره مثلث با شستی را نشان می‌دهد. این شامل سوئیچ کنترل C، کنتاکتM1 و شستی‌های ON و OFF است. شکل زیر، مدار فرمان ستاره مثلث دستی را نشان می‌دهد.

مدار فرمان ستاره مثلث نیمه‌اتوماتیک

در یک استارتر نیمه‌اتوماتیک ستاره-مثلث، برای اتصال سیم‌پیچ موتور به سه کنتاکتور نیاز داریم. نمودار سیم‌کشی استارتر ستاره-مثلث نیمه‌اتوماتیک در تصویر زیر همراه با نمودار سیم‌پیچ اتصال مثلث نشان داده شده است.

ابتدا از کنتاکتور S (اتصال ستاره) برای متصل کردن سیم‌پیچ‌ها در اتصال ستاره استفاده می‌شود. با بستن کنتاکتور اصلی M می‌توان موتور را در اتصال ستاره روشن کرد، زیرا Y2 ،X2 و Z2 متصل می‌شوند. پس از سرعت گرفتن موتور، کنتاکتور S باز شده و کنتاکتور D (برای اتصال مثلث) بسته می‌شود تا سیم‌پیچ‌ها در اتصال مثلث پیکربندی شوند، زیرا سیم‌پیچ‌های موتور Y2 ،X2 و Z2 به ترتیب به Z1 ،Y1 و X1 متصل می‌شوند. دقت کنید که باید اتصال ستاره (کنتاکتور S) را قبل از اتصال مثلث باز کرد، در غیر این صورت، اتصال کوتاه رخ می‌دهد. تصویر زیر مدار فرمان استارتر ستاره-مثلث نیمه‌اتوماتیک را نشان می‌دهد.

ابتدا، وقتی دکمه ON را فشار می‌دهیم، کنتاکتور S برق‌دار می‌شود و در نتیجه سیم‌پیچ‌های موتور در اتصال ستاره متصل می‌شوند. کنتاکت‌های مکمل S، یعنی S1 و S2 به ترتیب بسته و باز می‌شوند. از آنجا که S1 بسته است، کنتاکتور اصلی M برق‌دار می‌شود و موتور در اتصال ستاره روشن می‌شود. بعد از این، کنتاکتور M از طریق مکمل M1 انرژی می‌گیرد. از آنجا که S2 باز است، هنگام فعال شدن اتصال ستاره نمی‌توان اتصال مثلث را برقرار کرد و برای فعال‌سازی اتصال مثلث، باید اتصال ستاره را قطع کنیم.

هنگامی که دکمه ON روشن می‌شود، با از کار انداختن کنتاکتور S کنتاکت S1 باز و S2 بسته است. از آنجا که S2 بسته است و M از قبل توسط M1 انرژی می‌گیرد، موتور اکنون در اتصال مثلث کار می‌کند. برای خاموش کردن موتور، دکمه OFF فشار داده می‌شود که باعث می‌شود کنتاکتورهای M و D بی‌برق شوند.

مدار فرمان ستاره مثلث اتوماتیک (انتقال مدار باز)

تفاوت اصلی بین راه‌انداز ستاره-مثلث دستی و راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک، تغییر خودکار از اتصال ستاره به اتصال مثلث بر اساس بازه‌های زمانی از پیش تعیین شده است. از رله تأخیر زمانی برای تأخیر زمان لازم قبل از تغییر از ستاره به مثلث استفاده می‌شود. بسته به ظرفیت موتور و شرایط بار آن، تأخیر زمانی می‌تواند در حدود 10 ثانیه بیشتر یا کمتر شود. مدار قدرت استارتر ستاره-مثلث اتوماتیک، مانند استارتر ستاره مثلث نیمه‌اتوماتیک است،. البته در مدار فرمان تفاوت قابل توجهی وجود دارد که در تصویر زیر نشان داده شده است.

ابتدا دکمه ON فشار داده می‌شود و کنتاکتور S انرژی می‌گیرد. با این کار، کنتاکت S1 بسته می‌شود و از این رو کنتاکتور M انرژی می‌گیرد. از آنجا که هر دو کنتاکتور S و M فعال هستند، موتور در اتصال ستاره شروع به چرخش می‌کند.

وقتی کنتاکتور S فعال شود، رله تأخیر زمانی T نیز فعال می‌شود. در نتیجه، سیم‌پیچ‌های موتور تا زمان تعیین شده در رله در اتصال ستاره باقی می‌مانند. بعد از اتمام زمان از پیش تعیین شده (مثلاً 10 ثانیه)، کنتاکت رله تأخیر زمانی، یعنی T1، باز می‌شود و در نتیجه کنتاکتور S بی‌برق خواهد شد. با بی‌برق شدن S1 ،S باز شده و S2 بسته می‌شود. از آنجا که کنتاکتور M توسط M1 فعال شده است و اکنون که S2 بسته شده، سیم‌پیچ‌های موتور در اتصال مثلث قرار می‌گیرند.

کنتاکت D1، که یک کنتاکت مکمل کنتاکتور D است، هنگام فعال شدن اتصال مثلث باز می‌شود. با فعال شدن اتصال مثلث، از فعال شدن اتصال ستاره جلوگیری می‌شود. در این راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک، اتصال مثلث فقط پس از برقراری اتصال ستاره برقرار می‌شود. به این نوع اتصال انتقال مدار باز گفته می‌شود.

مدار فرمان ستاره مثلث اتوماتیک (انتقال مدار بسته)

نوع مدار باز راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک بخش قبل تقریباً برای تمام موتورها کفایت می‌کند. اما برای جلوگیری از اغتشاش توان به یک راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک نوع انتقال مدار بسته نیاز داریم. با تغییر اندکی در راه‌انداز مدار باز می‌توان یک راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک مدار بسته را طراحی کرد. اجزای اضافی این مدار نسبت به مدار قبل، یک کنتاکتور 3 پل و مقاومت هستند. تصویر زیر مدار قدرت راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک انتقال مدار بسته را نشان می‌دهد.

مشکل اصلی در راه‌نداز مدار باز این است که سیم‌پیچ‌های موتور در طول انتقال از اتصال ستاره به اتصال مثلث برای مدت زمان کوتاهی از منبع تغذیه جدا می‌شوند. می‌توانیم با حفظ انرژی سیم‌پیچ موتور با کمک مقاومت در هنگام تغییر اتصال سیم‌پیچ از ستاره به مثلث بر این مشکل غلبه کنیم.

در هنگام راه‌اندازی، کنتاکتورهای S و M (کنتاکتورهای اتصال ستاره و کنتاکتور اصلی) فعال می‌شوند و موتور شروع به چرخش می‌کند. با افزایش سرعت، کنتاکتور T رله تأخیر زمانی انرژی‌دار می‌شود. تفاوت اصلی انتقال مدار باز و بسته در این است که کنتاکتور تایمر T به طور موازی با کنتاکتور مثلث D از طریق مقاومت‌ها متصل می‌شود. پس از تأخیر زمانی، کنتاکتور S غیرفعال شده و کنتاکتور D فعال می‌شود. در نتیجه، سیم‌پیچ‌ها در اتصال مثلث متصل می‌شوند.

طی این انتقال (باز شدن کنتاکتور S و بسته شدن کنتاکتور D)، سیم‌پیچ‌های موتور با کمک مقاومت‌های سری از طریق کنتاکتور T به موتور متصل می‌شوند. شکل زیر مدار فرمان انتقال مدار بسته را برای راه‌انداز ستاره-مثلث اتوماتیک نشان می‌دهد.

با فشار دادن دکمه ON، کنتاکتور رله کنترل CR انرژی گرفته و کنتاکت‌های مکمل مربوطه CR1 و CR2 بسته می‌شوند. با بسته شدن CR2، کنتاکتور S اتصال ستاره انرژی می‌گیرد. کنتاکت‌های کمکی S یعنی S1 و S2 به ترتیب بسته و باز می‌شوند. به دلیل اتصال کنتاکت S1، کنتاکتور اصلی M فعال می‌شود و بنابراین موتور در اتصال ستاره شروع به کار می‌کند. کنتاکت M با کمک M1 انرژی خود را حفظ می‌کند. همراه با کنتاکتور اصلی M، تایمر A فعال می‌شود. بعد از یک زمان از پیش تعیین شده، کنتاکت کمکی A، یعنی A1، بسته می‌شود و به کنتاکت تایمر T و تایمر B انرژی می‌دهد.

اکنون، انرژی‌دار شدن T منجر به اتصال مقاومت‌ها به موازات سیم‌پیچ موتور می‌شود. تایمر B که توسط A1 انرژی گرفته است، پس از تأخیر زمانی عمل کرده و کنتاکت کمکی B1 خود را باز می‌کند. حال، B1 باز کنتاکتور S را غیرفعال می‌کند، که منجر به قطع اتصال ستاره از سیم‌پیچ موتور می‌شود. با بدون برق شدن S، کنتاکت S2 بسته شده و در نتیجه، کنتاکتور مثلث فعال می‌شود. کنتاکتور T به سیم‌پیچ‌های اتصال مثلث کمک می‌کند تا از طریق مقاومت‌های سری به منبع تغذیه متصل باشند.

با فعال شدن کنتاکتور D، کنتاکت‌های مکمل آن، یعنی D1 و D2 باز می‌شوند. در اینجا، D1 مانع از فعال شدن اتصال ستاره می‌شود، در حالی که اتصال مثلث فعال است و D2 باعث غیرفعال شدن کنتاکتورهای تایمر T، تایمر A و تایمر B می‌شود. موتور با کمک کنتاکتورهای D و M در اتصال مثلث به کار خود ادامه می‌دهد.

معرفی فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱ فرادرس

اگر به یادگیری روش‌های مختلف کنترل موتورهای صنعتی هستید علاقه‌مند هستید، پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱ مراجعه کنید. در این فیلم آموزشی که مدت زمان آن ۱۳ ساعت و ۴۰ دقیقه است و در ۱۷ درس تدوین شده، ابتدا در درس اول مفاهیم عمومی کنترل موتورهای الکتریکی بیان شده است. همچنین، نمادها و دیاگرام‌های شماتیکی مربوط به نقشه مدارهای قدرت و فرمان مدارهای کنترل و راه‌اندازی موتور در درس‌های دوم و سوم ارائه شده است. در بخشی از آموزش مذکور، در دروس چهارم تا هفتم، انواع رله‌های اضافه بار، زمان‌دار و کنتاکتورها برای راه‌اندازی و نیز محافظت از موتورها به طور کامل و مفصل معرفی شده است. علاوه بر این، انواع سنسورها، سوئیچ‌ها، ترنسمیترها، دیتکتورها و مثال‌هایی از نحوه سیم‌کشی و نقشه‌خوانی مدار کنترل موتورها در درس‌های هشتم تا هفدهم به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است.

• برای مشاهده فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱ + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲ فرادرس

مباحث تکمیلی آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱، در فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲ ارائه شده است. این آموزش در ۱۵ درس تدوین شده که مجموع زمان آن‌ها ۱۷ ساعت و ۳۶ دقیقه است.

در آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲، ابتدا روش‌های سیم‌کشی و نصب مدارهای کنترل موتور در درس‌های اول و دوم ارائه شده است. در ادامه، در درس‌های سوم تا نهم درباره انواع موتورها و روش‌های کنترل آن‌ها بحث شده است. همچنین، در این درس‌ها کاربرد قطعات الکترونیک قدرت، آی‌سی‌ها، PLCها و گیت‌های منطقی در مدارهای کنترل موتور بیان شده است و موتورهای DC، موتورهای AC و موتورهای پله‌ای معرفی شده و روش‌های کنترل و حفاظت آن‌ها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. در درس‌های دهم و یازدهم، به ترتیب، پلاک موتور و عیب‌یابی موتور مورد بحث قرار گرفته‌اند. در نهایت، کاربرد ادوات نیمه‌هادی، پی‌ال‌سی‌ها و آی‌سی‌ها در درس‌های دوازدهم تا پانزدهم ارائه شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲ + اینجا کلیک کنید.