بی متال ها ( طرز اتصال _ عملکرد )

بی متال (رله حرارتی)

در این مطلب از مبحث آموزش طراحی مدار فرمان و مدار قدرت می خواهیم شما را با، بی متال ها در حوزه برق صنعتی و قدرت آشنا کنیم. در کلیه سیستم های الکتریکی مانند تاسیسات الکتریکی ساختمان، مدارهای کنترل دستگاه های الکتریکی، شبکه های الکتریکی هوایی و زمینی، ترانسفورماتورها، الکتروموتورها، ژنراتورها، دستگاه هی صوتی و تصویری و ….، برای جلوگیری از صدمه دیدن و معیوب شدن وسایل و نیز برای قطع دستگاه های معیوب از شبکه بر اثر عوامل مختلف از قبیل نقصان عایق بندی، ضعف استقامت الکتریکی یا مکانیکی و ازدیاد بیش از حد جریان مجاز لحظه ای (اتصال کوتاه) و دائمی ( اضافه بار) و حتی کاهش بیش از حد جریان عبوری ( بی بار شدن الکتروموتورها و راه اندازی موتورهای تک فاز) از وسایل حفاظتی مختلف استفاده می گردد.

این وسایل باید طوری انتخاب شوند که در اثر اضافه بار یا اتصال کوتاه بر اساس شرایط کاری متفاوت از سطح ایمنی بالا و نیز تلفات پایین، عمر طولانی و توان محدود کنندگی جریان بالایی برخوردار باشد. یکی از این وسایلی که در این سیستم ها کاربرد بیشتری داشته و برای حفاظت در مقابل اضافه جریان استفاده می شود بی متال می باشد.

ساختمان داخلی رله حرارتی تشکیل شده است از دو فلز غیر همجنس با ضریب انبساط طولی متفاوت که در حالت سرد روی هم نورد (پرس) شده و به صورت یکپارچه درآمده است.

این دو فلز تشکیل یک بی متال می دهند. در اثر افزایش درجه حرارت بی متال که ناشی از بالا رفتن مقدار جریان عبوری از جران نامی (تنظیم شده) می باشد، باعث افزایش طول دو فلز می گردد ولی چون انبساط طولی یکی از فلزها بیشتر از دیگری است. از این رو دو فلز باهم خم می شوند. این حرکت به طور مستقیم و یا به وسیله اهرم ها به کنتاکت منتقل شده و مدار را قطع یا وصل می کند، که از کنتاکت های وصل در حالت عادی برای قطع کردن مدار فرمان و از کنتاکت های قطع در حالت عادی برای آلارم کردن و یا تغییر وضعیت مدار استفاده می گردد.

گرم شدن بی متالمی تواند توسط عبور مستقیم جریان از آن و یا توسط عبور جریان از یک سیم مقاومت دار که در روی بی متال پیچیده شده است، ایجاد می شود. شکل زیر نحوه کار بی متال هایی که جریان مستقیما از آن عبور می کند را نشان می دهد.

یک بی متال مناسب باید مطابق استاندارد، دارای شرایط زیر باشد

1_ در بار نامی نباید مدار را قطع کند.

2_ اگر جریان عبوری به اندازه ی به اندازه 5% بیشتر از مقدار جریان تنظیم شده روی بی متال باشد، در مدت زمان بیشتر از 2 ساعت مدار را قطع نماید.

3_ اگر جریان عبوری به اندازه 20% بیشتر از مقدار جریان تنظیم شده باشد، باید در زمان کمتر از 2 ساعت مدار را قطع کند.

4_ در صورت افزایش جریان عبوری به5/1 برابر جریان تنظیم شده باید در مدت زمان کمتر از 2 دقیقه مدار را قطع کند.

5_ اگر جریان عبوری به 6 برابر جریان تنظیم شده افزایش یابد، براید برای راه اندازی معمولی، در زمان بیشتر از 2 ثانیه و در راه اندازهای سخت، در زمان بیشتر از 5 ثانیه مدار را قطع کند.

دقت وحساسیت بی متال هایی که در کارخانه های مختلف ساخته می شود متفاوت می باشد. بنابراین هر کارخانه سازنده به تک تک بی متال های تولید شده منحنی مشخصه قطع جداگانه ای را ارائه می کنند که در سیستم های حساس باید دقیقا با استفاده از منحنی مشخصه قطع شرکت مربوطه، بی متال انتخاب گردد.

شکل زیر یک نوع منحنی مشخصه عملکرد بی متال را نشان می دهد که یکی از منحنی ها برای حالت سرد (Cold) و دیگری برای حالت گرم (Hot) داده شده است.

در شکل بالا اگر جریان 4 برابر جریان تنظیم شده گردد در حالت سرد بین 6 تا 20 ثانیه مدار را قطع و حالت گرم بین 6/0 تا 6 ثانیه مدار را قطع خواهد نمود.

بی متال ها از نظر عملکرد بعد از قطع مدار به سه دسته تقسیم می گردند

1_ بی متال دستی (Hand یا Manual)

2_ بی متال اتوماتیک (Auto)

3_ بی متال دستی و اتوماتیک

بی متال دستی

بی متال های دستی بعد از عملکرد و قطع کردن مدار سرد شده و به حالت اولیه برمی گردد، ولی کنتاکت هایی که تغییر وضعیت داده اند در همان حالت باقی می مانند که برای وصل مجدد باید دکمه ریست (Reset) روی بی متال به صورت دستی فشرده شده تا کنتاکت ها به حالت اولیه برگشته و مدار برای وصل مجدد آماده گردد.

از این نوع بی متال ها در سیستم هایی استفاده می شود که مدار فرمان آن ها به صورت اتوماتیک یا غیر اتوماتیک می باشد. مدارهای اتوماتیک مانند مدارهای کنترل اتوماتیک سطح مایعات، پله های برقی، آسانسورها، پمپاژ اتوماتیک آب منابع، موتورخانه ها و ….، مدارهای غیراتوماتیک شامل مدارهایی می شود که برای راه اندازی مجدد نیاز به استارت زدن می باشد.

بی متال اتوماتیک

بی متال های اتوماتیک در هنگام ایجاد خطا (اضافه بار) در سیستم های الکتریکی مدار مربوطه را از طریق کنتاکت بسته قطع می نماید و پس از مدت زمان معینی که سرد شد، دوباره کنتاکت ها به حالت اول باز می گردد.

از این نوع بی متال ها در سیستم هایی استفاده می شود که مدار فرمان آن ها به صورت دستی کنترل می شود، مثل مدارهای راه اندازی ستاره و مثلث الکتروموتورهای سه فاز، جرثقیل هوایی ، بالابرها ، دستگاه های صنعتی ، خم کن برقی ، گیوتن ، دستگاه پرس و …..

بی متال دستی و اتوماتیک

امروزه برای جلوگیری از تنوع بیش از اندازه بی متال ها، کارخانه های سازنده بی متال های دستی و اتوماتیک ، را به صورت جداگانه نمی سازند. بلکه هر دو حالت بی متال در یک مجموعه ساخته می شود. ولی برای تغییر حالت از یک کلید که روی بی متال تعبیه شده است استفاده می گردد، که می توان بی متال را توسط این کلید روی حالت دستی (H) و یا روی اتوماتیک (A) قرار دارد.

علامت اختصاری و طرز قرارگرفتن بی متال در مدار

بی متال می تواند در سیستم های سه فاز یا یک فاز استفاده شود. در سیستم های سه فاز جریان برق بعد از عبور از کنتاکتور به پیچ های شماره 1 و 3 و 5 وارد شده (ورودی) و از پیچ های 2 و 4 و 6 (خروجی) به الکتروموتور وارد می شود. یعنی سه عدد تیغه های بی متال به صورت سری با مصرف کننده قرار می گیرد. و دو عدد کنتاکت های فرمان که کنتاکت های بسته با شماره 95-96 (N.C) و کنتاکت های باز با شماره 97-98 (N.O) مشخص می گردد. جهت فرمان به قسمت های مختلف مدار استفاده می گردد. تیغه های فرمان به وسیله اهرمی در امتداد سه تیغه اصلی قرار گرفته است که با کج شدن هر کدام از بی متال ها می تواند تغییر وضعیت دهد.

از کنتاکت های بسته (95-96) برای قطع مدار فرمان و از کنتاکت های باز (97-98) برای آلازم دادن با استفاده از زنگ اخبار یا چراغ سیگنال و یا وصل مدار دیگر در هنگام بروز خطا (اضافه بار) استفاده می گردد. در سیستم های تک فاز باید نول و فاز را به بی متال وصل نمود. برای اطمینان بیشتر معمولا دو عدد از تیغه های بی متال را باهم سری نموده و در مسیر فاز و تیغه سوم را در مسیر نول قرار می دهند.

کنتاکت های فرمان بعضی از بی متال ها سه پیچ یعنی کنتاکت باز و بسته مشترک می باشد. که با توجه به نوع کنتاکت های مورد نیاز می توان بی متال مناسب را انتخاب نمود.

اگر از حالت دوم (دو کنتاکت با پیچ مشترک) استفاده شود نمی توان در مدار فرمان به صورت جداگانه از کنتاکت های باز و بسته استفاده کرد.

در جریان های پایین بی متال مستقیما در مسیر جریان اصلی قرار می گیرد. ولی در جریان های بالا، به خاطر هزینه بالا و خطر برق گرفتگی به صورت غیر مستقیم با استفاده از ترانس جریان از جریان نمونه برداری کرده و به بی متال وصل می کنند.

بی متال هایی که با استفاده از ترانس جریان (C.T) به مدار وصل می شوند معمولا به صورت دو ترانس و یا سه ترانس جریان می باشند. در شکل زیر طرز اتصال هر دو حالت نشان داده شده است.

طرز قرار گرفتن بی متال در سیستم سه فازه

طرز انتخاب بی متال

بی متال را با توجه به مقدار جریان نامی وسیله الکتریکی، یا مقدار جریان عبوری از محلی که بی متال در آن قسمت قرار می گیرد انتخاب می نمایند. چون جریان جذب شده توسط دستگاه های الکتریکی، مخصوصا الکتروموتورها در بارهای مختلف متفاوت می باشد. در نتیجه برای انتخاب بی متال مناسب جریان عبوری از محل نصب را به دست آورده و بی متال را در محدوده جریان نامی انتخاب و دقیقا روی جریان نامی (جریان عبوری) باید تنظیم کرد.

به همین خاطر بی متال ها را برای مقادیر ثابت نمی سازند، بلکه بی متال ها را در محدوده جریان های مختلف ساخته می شوند که این تنظیم ها برای شرکت های مختلف متفاوت می باشند.

علاوه بر پارامترهای قید شده برای انتخاب بی متال باید به مشخصات نوشته شده روی پلاک بی متال نیز توجه کرد. در نتیجه روی پلاک بی متال، نوع بار و کنتاکتور ( AC یا DC )، جریان نامی، ولتاژ نامی، ولتاژ تغذیه، جریان قابل تحمل کنتاکت های کمکی، نوع استاندارد و … مشخص می گردد. ( مطابق شکل زیر)

رله حفاظت موتور الکتریکی

رله های الکتریکی عملکرد نسبتا دقیقی، با توجه به منحنی مشخصه شان نسبت به بی متال دارند. به طوری که در منحنی مشخصه، محدوده قطع برای حالت سرد و گرم تعریف نمی شود بلکه فقط یک نقطه قطع برای جریان های مختلف وجود دارد، با توجه به منحنی زیر، اگر جریان به 6 برابر جریان تنظیم شده برسد، در حالت سرد در 5 ثانیه و در حالت گرم در نیم ثانیه مدار را قطع خواهد نمود.

همچنین بی متال های الکترونیکی در کلاس 5، 10، 12، 20 و 30 ساخته می شود. کلاس بی متال زمان عملکرد آن در 6 برابر جریان تنظیم شده را نشان می دهد.

چراغ نشان دهنده O.L/FAULT) LED) با رنگ های سبز و قرمز خطاهای اضافه جریان، کاهش جریان، قطع فاز، جابجایی فاز، پایین بودن ولتاژ، عدم تعادل فازها و حالت نرمال را نشان می دهد. در بی متال بالا که روی 8 آمپر و کلاس 20 انتخاب شده است. در صورت افزایش جریان به 6 برابر آن (8×6) بعد از 20 ثانیه مدار را قطع خواهد نمود. عملکرد رله الکتریکی در خطاهای مختلف توسط چراغ نشان دهنده مطابق شکل زیر مشخص می گردد.

رله های الکتریکی برای نشان دادن نوع خطا از یک LED دو رنگ مطابق شکل بالا و یا از دو LED جداگانه به رنگ قرمز ( O.L LED) و به رنگ سبز (FAULT) مطابق شکل زیر ساخته می شوند.

عملکرد رله های الکترونیکی

رله های الکترونیکی در جریان پایین به صورت مستقیم و در جریان بالا به سه عدد ترانس جریان داخلی مشابه، مقدار جریان عبوری هر یک از فازها را مانند آمپرمترهای انبری به صورت القایی اندازه گرفته و این مقدار را با مقادیر جریان و پارامترهای تنظیم شده مقایسه می کند، در صورت ایجاد هرگونه خطا با توجه کارائی رله، نوع خطا را مشخص و در صورت نیاز مصرف کننده را از مدار خارج کرده و از صدمه دیدن آن جلوگیری می کند. برای پوشاندن زمان استارت در موتورهای الکتریکی که اضافه جریان زیادی را به مدت کمی ایجاد می کتد، فاصله زمانی قابل تنظیمی از 0/1 الی 10 ثانیه از لحظه شروع اضافه جریان تا صدور فرمان قطع در نظر گرفته می شود.

بنابران در صورتی که مدت اضافه جریان کمتر از زمان انتخاب شده باشد رله الکترونیکی هیچگونه عکس العملی نشان نمی دهند.

رله های الکترونیکی به صورت مستقیم با استفاده از دو C.T و یا سه C.T مقدار جریان جهت حفاظت مدار را اندازه گیری می نماید.

طرز اتصال مدار فرمان و قدرت رله برای جریان های پایین

طرز اتصال مدار فرمان و قدرت رله با استفاده از مبدل جریان

طرز اتصال مدار فرمان و قدرت رله با استفاده از دو مبدل جریان

رله حفاظت موتور دیجیتالی

رله حفاظت موتور دیجیتالی جهت حفاظت موتورهای الکتریکی به کار می رود. این رله ها در انواع حفاظت های مورد نیاز یک الکتروموتور، امکان نمایش جریان و همچنین نوع خطا را نز فراهم نموده و می توان نمایشگر مربوطه را با یک کابل رابط، بر روی درب تابلو نصب و یا به سیستم کنترلی (PLC) جهت اتوماسیون کردن سیستم وصل نمود. رله حفاظت موتور دیجیتال، الکتروموترهای تا 60 آمپر، را به صورت مستقیم و الکتروموتورهای با جریان بیش از 60 آمپر را به کمک C.T جانبی با هر نسبت تبدیلی می تواند محافظت نماید. رله حفاظت موتور دیجیتال با توجه به نوع حفاظتی که انجام می دهند در سه نوع، عمومی، استاندارد و دولوکس ساخته می شوند.

رنج های رله های دیجیتال عمومی (اقتصادی) 6-0/6 و 22-2/2 و 40-4 آمپر برای الکتروموتورهای با جهت گردش ثابت و رله های دیجیتالی استاندارد،

0/3-3 و 22-2/2 و 40-4 آمپر برای جهت گردش ثابت و 1/5-0/3 ، 5-1 و 22-4/4 و 40-8 آمپر برای الکتروموتورهایی که به صورت چپگرد و راستگرد راه اندازی می شوند، موجود می باشد. همچنین برای رله های دیجیتالی دولوکس دو رنج 6-0/5 و 60-5 آمپر برای راه اندازی الکتروموتورها به صورت جهت گردش ثابت و راستگرد و چپگردها موجود می باشد.

رله دیجیتالی الکتروموتور را در مقابل خطاهای اضافه بار، کاهش ولتاژ نامتعادل شدن فازها، جابجائی فاز ها، قفل شدن موتور، عدم تقارن فازها و کاهش جریان حفاظت نموده و در نوع دولوکس جریان عبوری از هر فاز را نیز نشان می دهد. رله های دیجیتالی را بعد از نصب باید مطابق با مشخصات فنی مصرف کننده (الکتروموتور) تنظیم و برنامه ریزی نمود. تنظیمات رله ها برای شرکت های مختلف می تواند متفاوت باشد که برای این کار باید با استفاده از کاتالوگ ها و راهنماهای شرکت مربوطه تنظیمات رله انجام گردد.

شکل زیر منحنی مشخصه قطع و شکل ظاهری همراه با دکمه های تنظیم یک نوع از رله دیجیتالی دولوکس را نشان می دهد.

طرز اتصال رله های دیجیتالی

رله های دیجیتالی باید در مسیر مدار قدرت و مدار فرمان مطابق مشخصات داده شده از طرف شرکت سازنده قرار گیرد. اما به طور کلی برای اندازه گیری و تشخیص نوع خطا در مسیر جریان اصلی به صورت مستقیم و یا به صورت غیر مستقیم با استفاده از C.T باید نصب شود.

در شکل های زر مدار فرمان و قدرت چند نوع از رله های دیجیتالی نشان داده شده است.

طرز اتصال رله دیجیتالی استاندارد به صورت غیر مستقیم با C.T

طرز اتصال رله دیجیتالی نوع دولوکس به صورت مستقیم