یکی از ایده‌آل‌ترین تجهیزات حفاظتی از نظر یک مهندس برق، تجهیزی است که بتواند از مدار در برابر خطاهای مختلف حفاظت کند. کلید حرارتی با حفاظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار به یک تجهیز جذاب و کاربردی برای مهندسان تبدیل شده است. در این مقاله با ساختمان کلید حرارتی، کاربرد‌ها، نحوه انتخاب و راه‌اندازی آن آشنا خواهید شد. به نظر شما کلید حرارتی قابل اطمینان‌تر است یا بیمتال و مینیاتوری؟ با ما همراه باشید تا در ویدئوهای آموزشی این مقاله به این سوال پاسخ دهیم.
کلید حرارتی چیست؟
کلید حرارتی یا Motor protection circuit breaker) MPCB)، که با نام کلید حفاظتِ موتوری هم شناخته می‌شود، ترکیبی از کلید مینیاتوری و بیمتال است. به کمک این تجهیز می‌توانید به‌طور هم‌زمان، از موتور در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار محافظت کنید. نام دیگر کلید حرارتی (MMS (Manual Motor Starter به معنای کلید راه‌انداز موتور است. این کلید را می‌توان از دسته کلیدهای قابل قطع زیر بار دانست.
چرا از کلید حرارتی استفاده می‌کنیم؟
موتورهای الکتریکی باید به‌گونه‌ای حفاظت شوند که اگر جریان مصرفکننده از حد مجاز بیشتر شد، مدار قطع شود. زیرا گرمای ایجاد شده در موتور (مصرفکننده) به آن آسیب می‌رساند. اتصال کوتاه شدن فازها، اتصال سیم‌‌پیچ‌ها و تک‌فاز شدن مصرفکننده عواملی هستند که باعث افزایش جریان به بیش از حد مجاز می‌شوند.
افزایش جریان می‌تواند به‌صورت اضافه بار یا افزایش ناگهانی (جریان اتصال کوتاه) باشد. در هر دو حالت، کلید حرارتی از موتور حفاظت میکند. به افزایش جریان به‌صورت اضافه بار، خطای حرارتی و به افزایش ناگهانی جریان، خطای مغناطیسی می‌گویند.
در زمان راه‌اندازی، در مدت کوتاهی موتور ۵ تا ۸ برابر جریان نامی از مدار جریان می‌کشد. در این شرایط، اگر از یک بریکر معمولی استفاده کنید، مدار به سرعت قطع شده و مانع روشن شدن موتور می‌شود. اما کلید حرارتی با تشخیص این موضوع، به موتور اجازه می‌دهد تا جریان مورد نیاز خود برای راه‌اندازی را تامین کند. کلید حرارتی در صورتی مدار را قطع میکند که موتور به دلیل بروز خطا یا عیب نتواند به دورِ نامی برسد.
کلیدهای حرارتی در مواقع بروز خطا، به صورت خودکار مدار قدرت را قطع و وصل می‌کنند. علاوه بر این، همراه با تجهیزات جانبی قابل نصب در مدار فرمان هستند.
عملکرد کلید حرارتی
برای درک بهتر نحوه عملکرد کلید حرارتی لازم است که با مفهوم جریان مغناطیسی و جریان حرارتی بیشتر آشنا شوید. در ادامه مفهوم این دو جریان را بررسی می‌کنیم.
تفاوت جریان مغناطیسی و حرارتی
- وقتی جریان الکتروموتور در اثر تحمل اضافه‌بار بالا می‌رود، موتور داغ میکند. به این اتفاق، بالا رفتن جریان حرارتی می‌گویند.
- هنگامی که الکتروموتور در اثر اتصال کوتاهِ بین دو فاز، اتصال بدنه و فاز و یا اتصال فاز و نول داغ کند، جریان مغناطیسی بالا رفته است.
حفاظت در برابر جریان حرارتی
کلید حرارتی خطای جریان اضافه بار را با استفاده از اثر حرارتی دو فلز بر هم، یعنی بخش بیمتال کلید، تشخیص می‌دهد. در اثر عبور جریان الکتریکی از تیغه‌های کلید حرارتی، هر دو فلز گرم شده و طول آن‌ها زیاد می‌شود. اما از آنجایی که ضریب انبساط دو فلز متفاوت است، بیمتال به سمت فلزی که ضریب انبساط پایین‌تری دارد خم می‌شود. جابجاییِ اهرم قطع و وصل، کنتاکت‌های کلید حرارتی را تحریک میکند. برای افزایش سرعت عملکرد کلید حرارتی و جلوگیری از جرقه و سوختگی در محل اتصال، دو آهنربا در بالا و پایین تیغه دو فلز تعبیه شده‌اند. در این حالت نیروی مغناطیسی آهنربا به بسته شدن سریع اتصال کمک میکند و از جرقه و سوختگی در محل اتصال جلوگیری میکند.
حفاظت در برابر جریان مغناطیسی
این حفاظت با یک نوع بوبین انجام می‌شود، که قسمت اصلی ساختمان آن را یک هسته مغناطیسی تشکیل می‌دهد. اطراف هسته چند دور سیم پیچیده شده است. در اثر عبور جریان زیاد و افزایش شدت میدان مغناطیسی، کنتاکت‌ها در بوبین جذب می‌شوند. سپس اهرم‌‌‌ِ قطع در آن جذب شده و کلید عمل میکند. برای هر فاز، یک هسته مغناطیسی سیم‌پیچی شده داخل کلید وجود دارد. از این مکانیزم عملکرد، برای حفاظت مدار در برابر اتصال کوتاه استفاده می‌شود. چون در شرایط اتصال کوتاه، قطع کننده مدار باید به سرعت عمل کند.
پس از تشخیص خطا (خطای حرارتی یا مغناطیسی)، فنرِ فشرده شده آزاد می‌شود و انرژی مکانیکی حاصل از آن اتصال ورودی یا خروجی را قطع میکند. هر بار قطع و وصل کلید باعث فرسودگی کنتاکت‌ها می‌شود. در کلیدهای کوچک، امکان تعویض کنتاکت‌ها وجود ندارد؛ در نتیجه یکی از پارامترهای عمر MPCB تعداد قطع و وصل آن است. البته در کلیدهای بزرگ می‌توان تیغه‌ها را تمیز یا تعویض کرد.
تعداد نامی قطع و وصل در کلید حرارتی به مراتب کمتر از کنتاکتور است. اگر کنتاکتور بتواند در حدود چند میلیون بار قطع و وصل انجام دهد، کلید حرارتی در حد چند ده هزار بار مدار را قطع و وصل میکند.
اجزای داخلی کلید حرارتی
در شکل ۲ اجزای داخلی یک کلید حرارتی را مشاهده می‌کنید.
- a: مکانیزم عملکرد
- b: پوشش یا کاور کلید حرارتی
- c: هادی ثابت
- d: محل نصب اکسسوری‌های داخلی
- e: بدنه میانی کلید
- f: محفظه آرک یا جرقه
- g: صفحه متحرک آرک یا جرقه
- h: هادی متحرک
- i: پوش بار
- j: بدنه
- k: سیم‌پیچ
- l: واحد قطع‌کننده اضافه بار
- m: پیستون
مفهوم علائم ظاهری روی کلیدهای حرارتی
۱. ترمینال‌های قدرت (سمت بالا ورودی- سمت پایین خروجی): برای اتصال هادی‌ها
۲. سوئیچ ON و OFF: برای روشن و خاموش کردن تجهیز. (روشن و خاموش کردن کلید باید سریع و بدون هیچ وقفه‌ای انجام شود.)
۳. زبانه تنظیم جریان کلید: برای تنظیم جریان کلید با توجه به جریان نامی موتور.
۴. محل اضافه کردن Label یا برچسب
۵. عملگر تست تریپ کلید: برای تست سالم بودن کلید (اگر کلید برق‌دار باشد و دکمه تست را بزنیم، در صورت سالم بودن، باید تریپ بدهد.)
۶. نگهدارنده نصب روی ریل
مشخصات کلید حرارتی
۱. شستی قطع و وصل (0 و 1) روی کلید جهت کن ترل دستی.
۲. زبانه دوار برای تنظیم رنج جریان (معمولا درجه را بر روی ۱۰ درصد بیشتر از جریان نامی تنظیم می‌کنیم.)
۳. دکمه تست؛ برای تست سالم بودن کلید حرارتی.
۴. سه کنتاکت قدرت: این کنتاکت‌ها در قسمت ورودیِ کلید، به برق ورودی و در قسمت خروجیِ کلید، به موتور وصل می‌شوند.
نکته: قابلیت اضافه کردن تجهیزات جانبی به کلیدهای حرارتی وجود دارد.
کاربردهای اصلی کلید حرارتی
۱. کلیدزنی مدارهای موتوری
۲. حفاظت قابل تنظیم برای اضافه بار مغناطیسی و حرارتی
۳. حفاظت از موتور الکتریکی در برابر انواع خطاهای الکتریکی
۴. ایجاد تاخیر حرارتی برای روشن شدن موتور.(هنگام روشن شدن موتور به دلیل اضافه بار، موتور داغ می‌شود که با استفاده از کلید حرارتی و ایجاد تاخیر می‌توان از این اتفاق جلوگیری کرد.)
خصوصیات و قابلیت‌های کلید حرارتی
۱. MPCBها قابل قطع و وصل زیر بار هستند.
۲. این کلید امکان تنظیم جریان در یک بازه جریانی مورد نظر را فراهم میکند.
۳. پس از تشخیص خطا، به طور مستقیم مدار قدرت را قطع میکند.
مزایای استفاده از کلید حرارتی
۱. قدرت قطع بالا
۲. قابل استفاده در مدارهای جریان بالا
۳. مقاومت بالا در برابر بارهای لحظه‌ای (بدون قطعی)
۴. امکان تنظیم سریع و ساده جریان حفاظتی در یک بازه مشخص (به‌کارگیری یک کلید حرارتی برای کاربردهای مختلف)
۵. دارای قابلیت تنظیم دقیق پارامترهای الکتریکی
۶. دارای قابلیت فرمان‌پذیری و کنترل
۷. حفاظت اضافه جریان و جریان اتصال کوتاه
۸. امکان قطع و وصل مدار قدرت در حین کار
۹. حفاظت بر روی سه‌فاز (متفاوت با بیمتال)
۱۰. نیاز به تعمیر و نگهداری کم
۱۱. حفاظت موتور در برابر قطعی فاز یا عدم تقارن فازها
یک مزیت فوق‌العاده
به جای استفاده هم‌زمان از کلید مینیاتوری و بیمتال، کلید حرارتی را جایگزین کنید. به همین دلیل، به این کلیدها، کلیدهای کامپکتِ محافظ موتور هم گفته می‌شود. در صورتی که فقط بخواهید موتور را با کلید حرارتی روشن و خاموش کنید، می‌توانید با حذف کنتاکتور و به کمک کلید استارت و استپ تعبیه شده روی کلید حرارتی، موتور را روشن و خاموش کنید. باید توجه داشت که در جاهایی که حفاظت بیشتری می‌خواهیم، بسته به طراحی مدار، می‌توانیم قبل از کلید حرارتی، بیمتال را هم در مدار قرار دهیم.
معایب استفاده از کلید حرارتی
۱. قیمت بالا (در مقایسه با قرار دادن فیوز به تنهایی در مدار)
۲. غیر قابل تعمیر بودن
۳. غیر قابل تنظیم بودن آستانه قطعِ جریان اتصال‌کوتاه
روش نصب کلید حرارتی
کلید حرارتی به عنوان یک بریکر، ابتدای فیدر حفاظت موتوری قرار می‌گیرد و از موتور در برابر کشیدن جریانِ اضافه محافظت میکند. برق سه‌فاز شبکه به ورودی کلید حرارتی وصل شده و خروجی سه‌فاز از کلید حرارتی به موتور وصل می‌شود.
در شکل ۴ نحوه نصب کلید حرارتی را مشاهده می‌کنید:
مینیاتوری یا حرارتی؟
اکنون می‌دانید که مینیاتوری و حرارتی هر دو در برابر اتصال کوتاه حفاظت می‌کنند. به نظر شما، حرارتی قابل اطمینان‌تر است یا مینیاتوری؟ برای پیدا کردن جواب این سوال کافی است ویدئوی زیر را ببینید.
نحوه تنظیم کلید حرارتی
رنج جریان در MPCB قابل تنظیم است. یک زبانه‌ی کوچکِ دوار امکان تغییر جریان در یک بازه معین را فراهم میکند. کلید حرارتی را بسته به توان و جریان نامی موتور انتخاب می‌کنیم. سپس جریان کلید حرارتی را مطابق با جریان نامی موتور تغییر می‌دهیم.
کلیدهای حرارتی رنج جریان مشخصی را پوشش می‌دهند و در رنج‌های استاندارد ساخته می‌شوند. این جریان معمولا به میزان ۱۰ درصد بیشتر از جریان نامی انتخاب می‌شود.
انواع راه‌اندازی کلید حرارتی
کلیدهای حرارتی مغناطیسی می‌توانند برای دو نوع راه‌اندازی به کار روند:
۱) کلید محافظ موتور برای راه‌اندازی‌های سبك؛ در این حالت، اگر جریان راه‌اندازی از ۵ برابر جریان نامی تجاوز نكند، کلید حرارتی جریان را به مدت ۲۰ ثانیه عبور می‌دهد.
۲) کلید محافظ موتور برای راه‌اندازی‌های سنگین؛ در این حالت اگر جریان راه‌اندازی از ۱۰ برابر جریان نامی تجاوز نكند، کلید محافظ موتوری به مدت ۴ ثانیه جریان را عبور می‌دهد. در نتیجه، MPCB در مقایسه با کلید اتوماتیک معمولی، می‌تواند در شرایطی به مراتب سخت‌تر با رله‌ی جریان بالا کار کند .
دیاگرام سیم‌کشی کلید حرارتی
دیاگرام سیم‌کشی کلیدهای MPCB در مدارات تک‌فاز، سه‌فاز و DC مطابق با شکل ۵ است.
تجهیزات جانبی کلیدهای حرارتی یا راه‌اندازهای موتوری
کلید حرارتی هم مانند بسیاری از تجهیزات الکتریکی دیگر، می‌تواند به همراه تجهیزات جانبی در مدار استفاده شود. برخی از این تجهیزات جانبی عبارتند از:
رله شنت (Shaunt Relay)
این رله به صورت جانبی و از پهلو به کلید حرارتی متصل می‌شود. از رله شنت زمانی استفاده می‌کنیم که بخواهیم وصل بودن کلید حرارتی را منوط به برقراری شرایط خاصی کنیم. رله شنت در صورت اعمال ولتاژ به بوبین آن عمل میکند و باعث قطع شدن کلید حرارتی می‌شود.
هنگامی که خطایی مانند آتش‌سوزی در محیط اتفاق بیفتد، می‌توان سنسور مناسب (مانند سنسور تشخیص دود) را به کلید حرارتی متصل کرد. به این صورت که کنتاکتِ باز سنسور را به بوبین رله شنت متصل می‌کنیم؛ بنابراین در هنگام بروز خطا و عمل کردن سنسور، رله‌شنت فعال می‌شود و کلید حرارتی را قطع میکند. با قطع شدن کلید حرارتی مصرفکننده هم بی‌برق می‌شود
رله افت ولتاژ (Under Voltage Relay)
این رله نیز به صورت جانبی و از پهلو به کلید حرارتی متصل می‌شود اما عملکرد این رله، برعکس رله شنت است. برای این که رله افت ولتاژ به کلید حرارتی اجازه قطع و وصل بدهد، باید دو سر بوبین آن همیشه برق‌دار باشد. به محض این که برق رله‌ی افت ولتاژ قطع شد، کلید حرارتی هم قطع می‌شود.
کنتاکت کمکی (Auxiliary Contact)
کنتاکت‌های کمکی به صورت تک کنتاکت و دو کنتاکت از پهلو یا از رو به رو، به کلید حرارتی متصل می‌شوند. با قطع و وصل شدن کلید حرارتی، کنتاکت‌های کمکی آن هم تغییر وضعیت می‌دهند. از این خاصیت می‌توان در قسمت فرمان مدار استفاده کرد.
کنتاکت کمکی خطا (Trip-Indicating Auxiliary Contact)
این کنتاکت به صورت جانبی و از پهلو به کلید حرارتی متصل می‌شود. این کنتاکت فقط در صورتی عمل میکند که کلید حرارتی بعد از تشخیص خطای اضافه بار به حالت تیریپ برود. کنتاکت کمکی خطا با قطع و وصل شدن کلید حرارتی، عمل نمی‌کند.
باید توجه کرد که کنتاکت تیریپ با قطع یا وصل کردن کلید به صورت دستی فعال نمی‌شود. با قطع و وصل کلید به طور دستی، تنها کنتاکت‌های کمکی تغییر وضعیت (از حالت باز به بسته و بالعکس) می‌دهند.
دستگیره گردان
این تجهیز به وسیله یک رابط میله‌ای به کلید حرارتی متصل می‌شود و در تابلوهای کشویی کاربرد دارد.
در شکل ۱۱ نمونه‌ای از کاربرد دستگیره گردان را می‌بینید.
رابط نصب (بین کلید حرارتی و کنتاکتور)
این رابط وسیله‌ای جهت نصب کنتاکتور به کلید حرارتی است. این رابط بسته به مدل اتصال کلید حرارتی به کنتاکتور، مدل‌های مختلفی دارد. در شکل ۱۲ چند نمونه رابط نصب نشان داده شده است.
تفاوت‌های کلید حرارتی با بیمتال
۱) کلید حرارتی مدار قدرت را قطع و وصل میکند، ولی بیمتال برای قطع مدار فرمان استفاده می‌شود. با استفاده از تیغه بسته بیمتال در مسیر بوبین کنتاکتور، می‌توان بوبین کنتاکتور را به محض بروز خطای اضافه بار یا خطای جریان حرارتی قطع کرد. به این ترتیب مدار قدرت نیز قطع می‌شود.
۲) کلید حرارتی در برابر خطای جریان حرارتی (اضافه بار) و خطای جریان مغناطیسی (اتصال کوتاه) عمل میکند. ولی بیمتال تنها در برابر خطای جریان حرارتی عکس العمل نشان می‌دهد.
۳) بر روی کلید حرارتی، شستی قطع و وصل وجود دارد، در صورتی که روی بیمتال این شستی را نخواهید دید.
۴) کلید حرارتی به عنوان یک بریکر قبل از کنتاکتور و در قسمت مدار قدرت و ابتدای فیدر (خط تغذیه) قرار می‌گیرد. اما بیمتال بعد از کنتاکتور قرار گرفته و بر روی مدار فرمان عمل میکند.
جمع‌بندی
اکنون پس از مطالعه این مقاله:
۱. تجهیزی به نام کلید حرارتی را می‌شناسید و کاربردهای آن را می‌دانید.
۲. با خصوصیات و قابلیت‌های آن آشنا هستید.
۳. صفر تا ۱۰۰ اجزای داخلی، مکانیزم عملکرد، سیم‌کشی، مزایا و معایب MPCB را می‌شناسید.
۴. می‌توانید برای یک پروژه کلید حرارتی انتخاب کرده و آن را نصب و راه‌اندازی کنید.
بعد از آشنایی با این تجهیز، نوبت شما است که به یک سوال پاسخ دهید:
آیا تجهیزات حفاظتی به حرارتی، بیمتال و مینیاتوری محدود می‌شوند؟ آیا وظیفه حفاظت را فقط همین تجهیزات می‌توانند بر عهده بگیرند؟ قطعاً خیر! انتخاب صحیح نوع و سایز صحیح تجهیزات حفاظتی در سلامت یک پروژه تاثیر مستقیم دارد. وظیفه انتخاب تجهیز حفاظتی، نوع و سایز آن به عهده مهندسان برق است. شما به عنوان یک مهندس برق، کدام یک از تجهیزات حفاظتی را می‌شناسید؟
ممنون از توجهتون
گروه برق صنعت خزایی
