رله حرارتی بی متال — ساختار و نحوه کار عملی

«رله حرارتی بی متال» (Bimetallic Thermal Overload Relay) نوعی رله اضافه بار است که برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد موتور الکتریکی استفاده می‌شود. استفاده از رله‌های اضافه بار، فیوزها و یا مدارشکن‌ها می‌توانند موجبات ایمن کار کردن یک موتور الکتریکی را فراهم کنند. رله اضافه بار از موتور محافظت می‌کند، در حالی که از فیوز برای محافظت از مدار استفاده می‌شود. به بیان دقیق‌تر، فیوزها و همچنین مدارشکن‌ها برای تشخیص و قطع جریان اضافه بار درون مدار در نظر گرفته می‌شوند، در حالی که رله اضافه بار جلوگیری از گرم شدن بیش از حد موتور الکتریکی به کار می‌رود. تا جایی که یک رله اضافه بار می‌تواند بدون قطع مدار شکن (بریکر) فرمان خاموش شدن موتور را صادر کند.

رله اضافه بار چیست؟

رله اضافه بار را می‌توان چنین تعریف کرد: یک تجهیز الکتریکی است که عمدتاً برای محدود کردن گرمای موتور الکتریکی و همچنین برای قطع جریان در هنگام رسیدن دمای موتور به یک مقدار مشخص طراحی شده است. طراحی یک رله اضافه بار را می‌توان با یک گرم‌کننده همراه با اتصالات عموماً بسته که با گرم شدن بیش از حد گرم‌کننده باز می‌شوند، انجام داد. اتصالات یک رله اضافه بار را می‌توان به صورت سری متصل کرد و همچنین بین موتور و خود کنتاکتور قرار داد تا از شروع مجدد کار موتور هنگام قطع شدن اضافه بار جلوگیری شود.

انواع رله اضافه بار

رله اضافه بار وسیله‌ای است که از موتور الکتریکی در برابر اضافه بار و خرابی فاز محافظت می‌کند. اضافه بار به شرایطی گفته می‌شود که در آن، موتور برای مدت نسبتاً طولانی جریان را بالاتر از مقدار نامی خود می‌کشد. این بزرگ‌ترین عیب در موتور است و می‌‌تواند منجر به افزایش دما در سیم‌پیچ آن شود. از این رو جلوگیری از ادامه آن و بازگشت سریع به حالت عادی مهم است.

رله‌های اضافه بار به سه نوع رله اضافه بار حرارتی، رله اضافه بار مغناطیسی و رله اضافه بار الکترونیکی دسته‌بندی می‌شوند.

رله اضافه بار حرارتی

رله اضافه بار حرارتی یک وسیله حافظتی است و عمدتاً برای قطع برق در زمان عبور بیش از حد جریان از موتور استفاده می‌شود. برای دستیابی به این هدف‌، این رله‌ها «در حالت عادی بسته» (Normally Closed) یا (NC) هستند. هنگامی که جریان زیادی در مدار موتور برقرار می‌شود، به دلیل افزایش دمای موتور، رله باز می‌شود.

رله‌های اضافه بار در ساخت و همچنین کاربرد، با مدارشکن‌ها ارتباط دارند. با این حال، اگر اضافه بار حتی برای لحظه‌ای اتفاق بیفتد، اکثر مدارشکن‌ها مدار را قطع می‌کنند. در واقع، مدارشکن‌ها نیز با توجه به مشخصات گرم شدن موتور طراحی شده‌اند. رله‌های اضافه بار حرارتی به دو نوع رله حرارتی بی متال (دو فلزی) و ذوب لحیم تقسیم می‌شوند.

رله حرارتی بی متال در اصل بر اساس خصوصیات الکترو حرارتی در یک نوار دو فلزی کار می‌کند. به گونه‌ای در مدار موتور قرار می‌گیرد که جریان موتور از قطب‌های آن عبور کند. نوار دو فلزی تحت تأثیر مستقیم یا غیرمستقیم جریان گرم می‌شود و وقتی جریان از مقدار تنظیم شده بیشتر شود، خم می‌شود.

رله حرارتی بی متال همیشه در ترکیب با کنتاکتور کار می‌کند. هنگامی که نوارهای دو فلزی گرم می‌شوند، کنتاکت «تریپ» (Trip) یا قطع فعال می‌شود که به نوبه خود منبع تغذیه سیم‌پیچ کنتاکتور را قطع و آن را از برق خارج می‌کند. زمان قطع همیشه با جریان گذرنده از رله حرارتی بی متال رابطه عکس دارد. از این رو، هرچه جریان بزرگ‌تر باشد، باید سریع‌تر قطع شود. بنابراین، از رله حرارتی بی متال به عنوان رله وابسته به جریان و معکوس با زمان یاد می‌شود. در ادامه، نحوه عملکرد رله حرارتی بی متال را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.

رله اضافه بار مغناطیسی

رله اضافه بار مغناطیسی با تشخیص شدت میدان مغناطیسی که از جریان موتور ایجاد می‌شود، کار می‌کند. این رله را می‌توان با یک هسته مغناطیسی متغیر درون سیم‌پیچی که جریان موتور از آن عبور می‌کند، ساخت. آرایش شار درون سیم‌پیچ هسته را به سمت بالا می‌کشد. با بیشتر درگیر شدن هسته، مجموعه‌ای از اتصالات رله را قطع می‌کنند.

رله اضافه بار الکترونیکی

رله‌های اضافه بار الکترونیکی نوار دو فلزی ندارند. در عوض، از حسگرهای دما یا ترانسفورماتورهای جریان برای سنجش میزان جریان گذرنده از موتور استفاده می‌کنند. این رله‌ها مبتنی بر فناوری مبتنی بر ریزپردازنده هستند و در آن‌ها، دما با استفاده از ترمیستور PTC سنجیده شده و از آن برای قطع مدار در صورت خطای اضافه بار استفاده می‌شود. برخی از رله‌های اضافه بار الکترونیکی دارای ترانسفورماتور جریان و سنسورهای اثر هال هستند که مستقیماً جریان را اندازه می‌گیرند.

مزیت عمده رله الکترونیکی نسبت به رله حرارتی این است که نداشتن نوار دو فلزی منجر به اتلاف حرارت کمتری در داخل رله می‌شود. همچنین، رله‌های الکترونیکی دقیق‌تر از رله‌های حرارتی هستند.

برای آشنایی بیشتر با رله‌ها، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش های مهندسی قدرت مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده و لینک آن در ادامه آورده شده است.

• برای مشاهده مجموعه فیلم های آموزشی مهندسی قدرت + اینجا کلیک کنید.

اصول عملکرد رله حرارتی بی متال

همان‌طور که می‌دانیم مواد مختلف ضریب انبساط حرارتی متفاوتی دارند. بنابراین اگر دو فلز مختلف به هم پیوسته گرم شوند، فلزی که ضریب انبساط حرارتی بیشتری در مقایسه با فلز دیگر دارد، منبسط‌تر می‌شود و این باعث خم شدن نوار دو فلزی خواهد شد. از این پدیده در رله اضافه بار حرارتی استفاده می‌شود.

از شکل بالا می‌توان دریافت که فلز دارای ضریب انبساط حرارتی بیشتر، هنگام گرم شدن بیشتر منبسط می‌شود. می‌خواهیم از این ویژگی در محافظت از یک موتور استفاده کنیم.

رله حرارتی بی متال شامل یک المنت هیتر کوچک است که به صورت سری با موتور و یک نوار دو فلزی سیم کشی شده که می‌تواند به عنوان اهرم تریپ استفاده شود. نوار دو فلزی (بی متال) از دو فلز غیر مشابه و به هم پیوند خورده تشکیل شده است. این دو فلز خصوصیات انبساط حرارتی متفاوتی دارند، بنابراین نوار دو فلزی هنگام گرم شدن با سرعت معینی خم می‌شود. در شرایط عادی کار، گرمای تولید شده توسط المنت هیتر برای خم شدن نوار دو فلزی کافی نیست.

با افزایش جریان، گرما نیز افزایش می‌یابد. نوار دو فلزی هرچه داغ‌تر شود، بیشتر خم می‌شود. در شرایط اضافه بار، گرمای تولید شده از هیتر باعث خم شدن نوار دو فلزی می‌شود تا موتور را متوقف کند. در برخی از رله‌های اضافه بار با قابلیت بازنشانی، هنگامی که نوار دو فلزی خنک شده و تغییر شکل داده، مدار به طور خودکار موتور را مجدداً راه‌اندازی می‌کند. اگر علت اضافه بار همچنان وجود داشته باشد، رله دوباره قطع می‌شود و در فواصل زمانی مشخص مجدداً بازنشانی می‌شود. در انتخاب رله حرارتی بی متال باید دقت شود، زیرا تکرار این چرخه به موتور آسیب می‌رساند.

لازم به ذکر است که نوار دو فلزی رله حرارتی بی متال بلافاصله گرم نمی‌شود تا خم شود، بلکه برای گرم شدن و خم شدن زمان محدودی لازم است و بنابراین در جایی که جریان بیش از حد برای مدت زمان کوتاه مجاز است، رله حرارتی بی متال ترجیح داده می‌شود.

اگر اضافه بار یا اضافه جریان قبل از زمان از پیش تعیین شده به مقدار نرمال برسد، رله کار تجهیزات محافظت شده را متوقف نمی‌کند.

در موارد خاص، موتور ممکن است در مکانی با دمای ثابت محیط نصب شود. با این حال، رله کنترل موتور و اضافه بار ممکن است در مکانی با دمای محیط متغیر قرار داده شود. در چنین شرایطی، نقطه تریپ رله حرارتی بی متال، علاوه بر جریان، با دمای هوای اطراف تغییر می‌کند، که می‌تواند منجر به عملکرد زودرس و مخل رله شود. برای غلبه بر این مشکل، رله‌های حرارتی بی متال جبران کننده محیط طراحی شده‌اند. در این نوع رله‌ها، یک نوار دو فلزی جبران کننده به همراه یک نوار دو فلزی اصلی استفاده می‌شود.

همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، با تغییر دمای محیط، هر دو نوار دو فلزی به طور مساوی خم می‌شوند و رله اضافه بار موتور را قطع نمی‌کند. با این حال، جریان موتور و المنت هیتر فقط روی نوار اولیه دو فلزی تأثیر می‌گذارند.

در صورت بروز اضافه بار، نوار دو فلزی اصلی موجب تریپ می‌شود.

ساختار یک رله حرارتی بی متال

به غیر از نوار دو فلزی و کنتاکت‌هایی که در بخش اصول عملکرد بحث شده است، قطعات بیشتری در رله اضافه بار وجود دارد که با آن‌ها آشنا می‌شویم.

ترمینال یا پایانه 

پایانه‌های L2 ،L1 و L3 پایانه‌های ورودی هستند که می‌توان آن‌ها را مستقیماً به کنتاکتور نصب کرد. منبع تغذیه موتور به پایانه‌های T2 ،T1 و T3 متصل شود.

دکمه تنظیم دامنه آمپر

یک دکمه چرخشی روی رله حرارتی بی متال وجود دارد که با استفاده از این دکمه می‌توان جریان نامی موتور را تنظیم کرد. جریان بین حد بالا و پایین موجود قابل تنظیم است. در رله اضافه بار الکترونیکی، یک دکمه اضافی برای انتخاب کلاس تریپ یا قطع فراهم شده است.

دکمه ریست

یک دکمه ریست یا بازنشانی روی رله وجود دارد تا پس از تریپ و رفع خطا، مجدداً تنظیم شود.

انتخاب ریست دستی/خودکار

با استفاده از دکمه انتخاب بازنشانی دستی/خودکار، می‌توانیم از بین ریست دستی و خودکار رله پس از تریپ یکی را انتخاب کنیم. اگر دستگاه روی خودکار تنظیم شده باشد، ریست از راه دور امکان‌پذیر است.

کنتاکت کمکی

کنتاکت‌های کمکی، یکی NO (کنتاکت‌های ۹۷-۹۸) و دیگری NC (کنتاکت‌های ۹۵-۹۶)، هستند. کنتاکت NO برای سیگنال‌دهی تریپ و کنتاکت NC برای قطع کنتاکتور است. کنتاکت‌های NC باید قابلیت سوئیچ مستقیم سیم‌پیچ کنتاکتور را داشته باشند.

دکمه تست

با استفاده از دکمه تست می‌توان سیم‌کشی کنترل را آزمایش کرد.

نماد رله اضافه بار

شکل زیر نماد رله اضافه بار را نشان می‌دهد. در اینجا 1، 2، 3، 4، 5 و 6 ترمینال برق، 95 و 96 کنتاکت تریپ و 97 و 98 کنتاکت سیگنال هستند.

کلاس تریپ رله اضافه بار

مدت زمانی که طول می‌کشد رله‌ کنتاکتور را در هنگام اضافه بار باز کند، در کلاس تریپ مشخص شده است. کلاس تریپ معمولاً در دسته‌های کلاس 10، کلاس 20، کلاس 30 و کلاس 5 طبقه‌بندی می‌شود. رله در این کلاس تریپ‌ها به ترتیب در 10 ثانیه، 20 ثانیه، 30 ثانیه و 5 ثانیه در 600٪ جریان بار کامل موتور تریپ می‌کند.

کلاس‌ 10 و کلاس 20 نسبت به بقیه رایج‌تر هستند. رله‌های اضافه بار کلاس 30 برای حفاظت از موتورهایی که بارهای اینرسی بالایی دارند و رله‌های کلاس 5 برای موتورهایی که نیاز به سرعت زیاد دارند استفاده می‌شوند.

چگونه باید از رله اضافه بار استفاده کرد؟

رله‌ها همیشه در ترکیب با کنتاکتورهای موجود در مدار استفاده می‌شوند. رله در یک خط در موتور به گونه‌ای متصل است که جریان به موتور به طور کامل از آن عبور می‌کند. در شکل زیر، انواع اتصالات رله برای موتورهای تک فاز و سه فاز آورده شده است.

در شکل بالا، K1 و K1M رله‌های اضافه جریان هستند. شکل‌های اول و دوم از چپ، موتور تکفاز هستند و شکل سوم موتور سه‌فاز است.

چه عواملی موجب تریپ رله می‌شود؟

سه عامل اصلی برای تریپ رله وجود دارد:

• اضافه بار موتور
• افت فاز ورودی
• عدم تعادل فاز

البته، به غیر از این موارد، ممکن است ویژگی محافظتی اضافه دیگری نیز در نظر گرفته شود.

در هنگام کار عادی، جریان عبوری از هر پل رله اضافه بار به موتور در یک زمان مشخص ثابت می‌ماند. اگر هر كدام از فازها قطع شود، جریان دو فاز دیگر به 1٫73 برابر مقدار طبیعی می‌رسد. از این رو رله اضافه بار گرم می‌شود و فرمان تریپ می‌دهد. خرابی فاز به عنوان افت فاز نیز شناخته می‌شود.

رله‌های اضافه بار نمی‌توانند از اتصال کوتاه محافظت کنند و همیشه باید در کنار دستگاه‌های محافظ اتصال کوتاه استفاده شوند. در غیر این صورت، هرگونه اتصال کوتاه در موتور می‌تواند به این رله‌ها آسیب برساند.

کاربردهای رله حرارتی بی متال

از کاربردهای رله حرارتی بی متال و در کل رله اضافه بار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• از رله اضافه بار برای محافظت از موتور استفاده می‌شود.
• می‌توان از یک رله اضافه بار برای تشخیص شرایط اضافه بار و همچنین شرایط خطا استفاده کرد و سپس دستور تریپ را اعلام کرد.
• رله اضافه بار مانند الکترونیک حالت جامد به سیستم‌های ریزپردازنده وارد شده است.
• رله‌های اضافه بار در هنگام عبور جریان شدید دستگاه را غیرفعال می‌کنند.

جمع‌بندی

رله اضافه بار قطعه‌ای است که می‌تواند موتور را از اضافه بار، خرابی فاز و عدم تعادل فاز محافظت کند. این رله‌ها، بر اساس اصول کارشان، به رله حرارتی، الکترونیکی و مغناطیسی تقسیم می‌شوند. رله حرارتی بی متال بر اساس تغییر شکل یک نوار دو فلزی بر اثر حرارت ناشی از اضافه بار عمل می‌کند.  در کنار رله‌های اضافه بار کنتاکتورها به کار گرفته می‌شوند. هر زمان که خطایی رخ دهد، رله کنتاکتور را باز می‌کند. مدت زمان تشخیص اضافه بار تا باز کردن کنتاکتور، با کلاس تریپ تعیین می‌شود. رله‌های اضافه بار نمی‌توانند در برابر اتصال کوتاه محافظت کنند.

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.