حفاظت اضافه بار و رله های مربوطه

ایجاد حرارت توسط عبور جریان 

جریان جاری شده از یک هادی همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است همیشه به دلیل مقاومت آن باعث ایجاد حرارت می شود. افزایش این جریان باعث داغ تر شدن هادی می شود. این حرارت اضافی باعث آسیب اجزای برقی می شود به همین دلیل معمولا هادی ها دارای یک ظرفیت حمل جریان پیوسته نامی هستند.

تجهیزات حفاظت اضافه جریان برای حفاظت هادی ها در برابر عبور جریان های اضافی به کار می رود و رله های اضافه بار حرارتی برای حفاظت سیم پیچهای یک موتور طراحی می گردد. این قطعات حفاظتی به گونه ای طراحی می شوند که جهت جریان در یک مدار را در یک سطح مطمئن نگه دارد تا از اضافه حرارت های ایجاد شده در هادی های مدار جلوگیری کند. به جریان اضافی معمولا اضافه جریان گفته می شود. استاندارد NEC به هر جریانی که بیشتر از جریان نامی یک دستگاه و یا یک هادی باشد اضافه جریان می گوید که ممکن است ناشی از اضافه بار، اتصال کوتاه و یا اتصال زمین باشد.

اتصال کوتاه و استفاده از رله مغناطیسی

وقتی دو هادی لخت مانند شکل زیر به یکدیگر برخورد می کنند اتصال کوتاه رخ می دهد. در موقع بروز اتصال کوتاه، مقاومت تقریبا به صفر کاهش می یابد. این جریان اتصال کوتاه ممکن است هزاران برابر بیشتر از جریان کاری عادی باشد.

قانون اهم رابطه بین مقاومت، ولتاژ و جریان را مشخص می کند. به عنوان مثال یک موتور 240ولت 24 اهمی در حالت عادی 10A می کشد:
I=E/R     ,      I=240/24=10A

وقتی اتصال کوتاه رخ می دهد مقاومت افت می کند مثلا اگر مقاومت به 24 میلی اهم کاهش یابد جریان 10000A می شود.
I=240/0.24=10000A

گرمای تولید شده توسط چنین جریانی، آسیب جدی به هادی ها و تجهیزات متصل شده می رساند. در هنگام اتصال کوتاه، این جریان خطرناک باید بلافاصله قطع گردد.

برای محافظت و کنترل مصرف کننده ها و موتورها در برابر جریان های اتصال کوتاه از رله مغناطیسی که اصول کار آن بر اساس پدیده الکترومغناطیس پی ریزی شده است، استفاده می شود.
اگر در مداری اتصال کوتاه رخ بدهد، جریان باید سریعا قطع گردد. در این مواقع رله حرارتی بی متال به دلیل آنکه مدتی طول می کشد تا گرم شود، نمی تواند سریعا عمل کند. این نوع رله ها از یک هسته آهنی که به دور آن چند دور سیم پیچیده شده تشکیل شده است. سیم پیچ مزبور سر راه هر فاز قرار می گیرد. در جریان عادی میدان مغناطیسی ضعیفی در این سیم پیچ ها به وجود می آید که عملا نمی تواند باعث عملکردی شود. اما عبور جریان اتصال کوتاه از آن میدان مغناطیسی شدیدی بوجود آورده و باعث می شود هسته آهنی حرکت کند. این حرکت، اهرم قطع را بکار می اندازد. تیغه قطع نیز در مدار فرمان مثل یک شستی استپ عمل می کند.

از رله های مغناطیسی اغلب به همراه رله های حرارتی در کلید اتوماتیک (کلید محافظ-کلید قدرت) استفاده می شود و به تنهایی استفاده نمی شود.
ساختمان فیوز های اتوماتیک نیز شامل مجموعه ای از یک رله حرارتی و یک رله مغناطیسی می باشد. مانند کلیدهای محافظ جریان که در اصطلاح به آن فیوز مینیاتوری می گویند. 

مواقع بروز اضافه بار

اضافه بار موقعی اتفاق می افتد که یا تعداد وسایلی که در یک مدار کار می کنند زیاد باشد و یا یکی از دستگاه ها بالاتر از آنچه برای آن طراحی شده است کار کند. به عنوان مثال موتوری که در حالت عادی 10 آمپر می کشد در شرایط اضافه بار ممکن است 20 تا 30 آمپر و یا بیشتر بکشد. این جریان زیاد باعث داغ شدن موتور شده و در صورتیکه این مشکل مرتفع نگردد و یا رله اضافه بار مدار را قطع نکند موتور در زمان کوتاهی آسیب خواهد دید.

اضافه بار موقتی ناشی از جریان راه اندازی

موتورهای الکتریکی بر اساس مقدار جریانی که در حالت بار کامل می کشند نام گذاری می شوند. موتورها در هنگام راه اندازی جریانی بیشتر از مقدار نامی موتور خواهند کشید. موتورها به گونه ای طراحی می شوند که بتوانند این جریان اضافه بار را در مدت زمان کمی تحمل کنند. بیشتر موتورها برای راه اندازی به جریانی معادل 6 برابر جریان نامی نیاز دارند. حتی جریان راه اندازی بعضی از موتورهای راندمان بالای جدید بیشتر از این مقدار است.

حفاظت اضافه بار

فیوز ها و کلیدهای قدرت از جمله وسایل حفاظتی هستند که برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، اتصال زمین و اضافه بار به کار می روند. در هنگام بروز اتصال کوتاه، یک فیوز یا یک کلید مناسب بلافاصله مدار را باز خواهند کرد. 

استفاده از فیوز و کلید قدرت در مدار کنترل موتور ایجاد مشکل خواهد کرد. وسیله حفاظتی باید قادر باشد جریانی اضافه تر از مقدار نامی را برای مدتی از خود عبور دهد. چون در غیر این صورت موتور هربار که راه اندازی می شود از مدار خارج می شود. در چنین وضعیتی موتور باید قادر باشد تا با وضعیت اضافه باری که جریان کافی برای عملکرد فیوزها و کلیدها نمی کشد روبرو شود. این وضعیت اضافه بار می تواند به راحتی باعث داغ شدن موتور و آسیب رسیدن به آن شود.

رله اضافه بار

رله های اضافه بار برای رفع نیازهای حفاظتی خاص در مدار کنترل به کار می روند و دارای ویژگی های زیر می باشند:
1.    به اضافه بارهای موقتی ناشی از راه اندازی بدون آنکه مدار قطع شود اجازه عبور می دهد.
2.    در صورتی که جریان در یک زمان معین از مقدار نامی بیشتر باشد تریپ داده و مدار را باز می کند.
3.    وقتی که اضافه بار بر طرف شود ریست می شود.

کلاس تریپ

رله های اضافه بار بر اساس کلاس تریپ تقسیم بندی می شود. کلاس تریپ مدت زمانی را نشان می دهد که رله در شرایط اضافه بار طول می دهد تا دستور تریپ دهد.
معمولترین کلاسهای تریپ کلاسهای 10، 20 و 30 هستند. به عنوان مثال کلاس 10 باید در شش برابر جریان بار موتور را در 10 ثانیه یا کمتر از مدار جدا کند. این زمان معمولا برای رسیدن موتور به سرعت نامی کافی است. در بسیاری از بارهای صنعتی مخصوصا بارهای با اینرسی بالا از رله کلاس 30 استفاده می شود.

استفاده از رله اضافه بار در مدار موتور

شکل زیر مدار یک موتور را به همراه استارتر دستی و رله اضافه بار نشان می دهد. هنگامی که موتور روشن می شود جریان از رله اضافه بار عبور می کند. رله در صورتیکه جریان موتور برای مدت طولانی از مقدار نامی بیشتر باشد بعد از یک زمان معین، مدار بین منبع تغذیه و موتور را قطع خواهد نمود. بعد از یک زمان مشخص استارتر می تواند ریست شود. پس از آنکه علت اضافه بار مشخص و رفع گردید موتور را می توان دوبار راه اندازی کرد.

رله بی متال

همانطور که گفته شد برای محافظت دستگاه و جلوگیری از جریان های اضافی، در مدار قدرت موتورهای الکتریکی از یک رله حرارتی در سر راه عبور جریان استفاده می شود. نام دیگر این رله ها، رله اضافه بار و یا رله بی متال می باشد. هر رله حرارتی سه کنتاکت ورودی و سه کنتاکت خروجی دارد که در مدار قدرت مابین کنتاکتور و مدار قدرت قرار می گیرند.

در داخل این رله ها به ازای هر کنتاکت از یک نوار بی متال (دو فلز از دو جنس مخالف که ضریب انبساط طولی آنها نیز با هم فرق دارد) استفاده شده است. روی هر بی متال چند رشته سیم حامل جریان پیچیده شده است.در ریط کار عادی، حرارت ایجاد شده توسط هیتر برای خم کردن نوار بی متال و تریپ دادن رله اضافه بار کافی نیست.

در شرایط اضافه بار گرمای تولید شده توسط هیتر، همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید،  باعث خم شدن بی متال شده و درنتیجه روی کنتاکت مربوطه اثر می گذارد. باعث قطع شدن مصرف کننده در برابر جریان اضافی می شود.

همانطور که گفته شد از رله های حرارتی برای حفاظت اضافه بار در موتورها، بارهای نامتعادل و قطع یک فاز، اتصالی سیم پیچی در داخل استاتور (اتصال حلقه یکفاز، اتصال فاز با فاز) استفاده می شود. این نوع رله های حرارتی معمولا قابلیت 30 بار عمل در هر ساعت را دارد و در جریان مستقیم هم قابل استفاده می باشد.
رله حرارتی بعد از قطع مدار، معمولا بحالت اول در نمی آید و باید پس از بررسی، دکمه ریستی را که روی آن نصب شده است را فشار داد.

بعضی از رله های اضافه بار که با نوارهای بی متال تجهیز شده اند بگونه ای طراحی شده اند که وقتی نوار سرد شد و به حالت اولیه برگشت به طور اتوماتیک ریست شده و موتور را راه اندازی می کند.

جبران دمای محیط در رله اضافه بار

در بعضی از کاربردهای خاص مانند پمپ های زیر آبی، موتور در محلی نصب می شود که دمای محیط اطراف آن ثابت است ولی کنترلهای موتور و رله اضافه بار در مکانی نصب می شود که درجه حرارت محیط اطراف آن متغیر است. در چنین حالتی نقطه تریپ رله اضافه بار با دمای هوای اطراف و جریان جاری شده در موتور تغییر خواهد کرد. این عملکرد باعث تریپ نا بهنگام موتور خواهد گردید.

برای رفع مشکل فوق از رله های اضافه بار جبران کننده دمای محیط استفاده می شود در این رله ها علاوه بر باریکه بی متال اولیه از یک باریکه بی متال جبران شده نیز مانند شکل زیر استفاده می شود. در این حالت، هنگامی که دمای محیط تغییر می کند به طور مساوی بر روی هر دو بی متال تاثیر گذاشته و موتور قطع نمی شود. از آنجایی که جریان جاری شده در موتور و المان حرارتی بر روی بی متال اولیه تاثیر می گذار بنابراین در صورت وقوع اضافه بار بی متال اولیه واحد تریپ را فعال خواهد نمود.

منبع : کتاب مدارات فرمان در برق صنعتی-مهندس محسن عابدی