کلید حرارتی زیمنس و نقش آن در حفاظت موتورهای الکتریکی

در اتوماسیون صنعتی، زمانی که یک موتور برای تأمین بار در حال کار است، جریان الکتریکی از شبکه می‌کشد و به‌طور طبیعی باعث ایجاد مقداری حرارت می‌شود. در بیشتر مواقع، این گرما موضوع نگران‌کننده‌ای نیست و بخشی از عملکرد طبیعی موتور محسوب می‌شود.

اما گاهی اوقات، موتور مجبور می‌شود سخت‌تر از حالت معمول کار کند و در نتیجه گرمای آن به شکل قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

به عنوان مثال، هنگامی که محور (شافت) موتور و محور بار به‌درستی هم‌تراز نباشند یا روتور به‌دلیل وجود مانع فیزیکی در مسیرش گیر کند، جریان بیش از حد از مدار کشیده می‌شود و این موضوع به داغ شدن موتور منتهی می‌گردد.

شکل ۱.۱: رله اضافه بار توضیح داده شده است – درک تولید گرما در موتورها هنگام جابجایی بار

موارد دیگری که می‌توانند باعث افزایش فشار حرارتی بر موتور شوند عبارت‌اند از:

• روشن و خاموش شدن مکرر موتور (Start/Stop مداوم)
• کوچک بودن موتور نسبت به باری که باید به حرکت درآورد
• قطع شدن یکی از فازها در یک سیستم سه‌فاز
• دمای بالای محیط همراه با تهویه ناکافی
• یا حتی خرابی بلبرینگ‌ها (یاتاقان‌هایی که محور موتور را نگه می‌دارند) که موجب افزایش اصطکاک و گرمای بیش از حد می‌شود.

تمام این شرایط، موتور را تحت فشار قرار می‌دهند و نتیجهٔ نهایی آن افزایش دما و بروز اضافه‌بار حرارتی خواهد بود.

شکل ۱.۲: توضیح رله اضافه بار – علل رایج گرمای بیش از حد و اضافه بار موتور

اگر موتوری برای مدت طولانی در شرایط اضافه‌بار (Overload) کار کند، به این معنی است که بیش از ظرفیت طراحی خود تحت فشار است. دمای بیش از حد ایجادشده در این وضعیت می‌تواند اجزای حساس آن را مستهلک کرده و در نهایت موجب خرابی دائمی شود.

شکل ۱.۳: توضیح رله اضافه بار – خطرات کار کردن موتور در حالت اضافه بار برای مدت طولانی

راه‌حل جلوگیری از چنین خرابی‌هایی نصب کلید حرارتی زیمنس (Overload Relay) است.

این تجهیز در مدار بین موتور و کنتاکتور نصب می‌شود و به‌محض اینکه تشخیص دهد موتور برای مدت طولانی جریان بیش از حد مجاز می‌کشد، بلافاصله عمل کرده و باعث توقف موتور می‌شود تا از آسیب جلوگیری کند.

شکل ۱.۴: توضیح رله اضافه بار – حفاظت از موتور با نصب رله اضافه بار

پیش‌نیازها

داشتن آشنایی مقدماتی با سیستم کنترل رله‌های صنعتی (Industrial Relay Control System) پیش‌زمینه‌ای مفید است که در درک بهتر مفاهیم این آموزش نقش بسزایی دارد.

شکل ۲.۱: رله اضافه بار توضیح داده شده است – اجازه عبور جریان هجومی در هنگام راه اندازی موتور

کلید حرارتی زیمنس چیست؟

کلید حرارتی زیمنس همانند شبکهٔ ایمنی موتور عمل می‌کند.

این تجهیز به موتور اجازه می‌دهد جریان‌های لحظه‌ای راه‌اندازی (Inrush Current) را بدون اینکه مدار حفاظتی فعال شود، تحمل کند. به بیان ساده، زمانی که موتور شروع به کار می‌کند و جریان لحظه‌ای بالایی می‌کشد، کلید حرارتی زیمنس آن را نادیده می‌گیرد چون این حالت طبیعی است.

اما چنانچه رله تشخیص دهد موتور به‌مدت طولانی جریان بیش از حد می‌کشد، بلافاصله مدار را قطع می‌کند تا از افزایش دما و صدمه دیدن موتور جلوگیری شود.

شکل ۲.۲: رله اضافه بار توضیح داده شده است – تضمین حفاظت موتور در برابر جریان بیش از حد و گرمای بیش از حد

حفاظت توسط کلید حرارتی زیمنس

سؤال مهم این است: کلید حرارتی زیمنس دقیقاً چگونه از موتور محافظت می‌کند؟

به محض اینکه کلید حرارتی زیمنس تشخیص دهد موتور در حالت اضافه‌بار قرار دارد و این وضعیت برای مدتی ادامه پیدا کرده، وارد عمل می‌شود و فرمان قطع (Trip) را به کنتاکتور زیمنس (Contactor) ارسال می‌کند.

کنتاکتور در پاسخ، جریان برق ورودی به موتور را قطع کرده و بدین ترتیب از آسیب‌های بیشتر جلوگیری به عمل می‌آورد.

شکل ۳.۱: توضیح رله اضافه بار – چگونه یک رله اضافه بار از موتور محافظت می‌کند

اجزای کلید حرارتی زیمنس

اکنون بیایید به اجزای مختلفی که معمولاً در یک کلید حرارتی زیمنس وجود دارد نگاه کنیم:

شکل ۴.۱: رله اضافه بار توضیح داده شده – تنظیم کننده محدودیت جریان (صفحه FLA)

۱. تنظیم‌کننده جریان مجاز (Current Limit Adjuster)

این بخش یکی از مهم‌ترین اجزاست. توسط این پیچ تنظیم می‌توانید مقدار جریان نامی موتور (Full Load Amps – FLA) را مشخص کنید.

رله بر اساس همین مقدار تصمیم می‌گیرد که چه زمانی جریان عبوری از حد مجاز فراتر رفته است.

شکل ۴.۲: توضیح رله اضافه بار – چراغ سیگنال اضافه بار (چراغ قطع)

۲. چراغ نشانگر اضافه‌بار (Overload Signal Light)

این بخش یک نشانگر دیداری است که وضعیت عملکرد کلید حرارتی زیمنس را نمایش می‌دهد.

هنگامی که شرایط اضافه‌بار پیش بیاید، این چراغ روشن می‌شود و اعلام می‌کند که مدار حفاظتی فعال شده است.

شکل ۴.۳: رله اضافه بار توضیح داده شده – وضعیت کنتاکت‌های کمکی در شرایط عادی

۳. کنتاکت‌های کمکی (Auxiliary Contacts)

درون کلید حرارتی زیمنس دو جفت کنتاکت کمکی وجود دارد:

• پایه‌های 95 و 96 به‌صورت نرمال بسته (Normally Closed – NC) هستند، یعنی در حالت عادی بسته‌اند.
• پایه‌های 97 و 98 به‌صورت نرمال باز (Normally Open – NO) هستند، یعنی در حالت عادی باز می‌مانند.

شکل ۴.۴: توضیح رله اضافه بار – وضعیت کنتاکت‌های کمکی در شرایط اضافه بار

زمانی که اضافه‌بار رخ می‌دهد، مکانیزم داخلی رله:

• جفت NC (95–96) را باز می‌کند،
• و هم‌زمان جفت NO (97–98) را می‌بندد.

بدین ترتیب، سیگنال مشخصی از وقوع خطا به سیستم فرمان ارسال می‌شود.

شکل ۴.۵: توضیح رله اضافه بار – دکمه شبیه‌سازی قطع (دکمه تست)

۴. دکمه شبیه‌ساز عملکرد (Trip Simulation Button)

روی بدنه‌ی کلید حرارتی زیمنس یک دکمه‌ی تست قرار دارد که به شما اجازه می‌دهد شرایط اضافه‌بار را شبیه‌سازی کنید.

با فشار دادن این دکمه، کلید حرارتی زیمنس دقیقاً مانند شرایط واقعی اضافه‌بار عمل می‌کند:

شکل ۴.۶: توضیح رله اضافه بار – شبیه‌سازی تریپ اضافه بار برای تأیید عملکرد رله اضافه بار

کنتاکت‌های NC باز و کنتاکت‌های NO بسته می‌شوند.

شکل ۴.۷: توضیح رله اضافه بار – دکمه ریست

این کار موجب اطمینان از عملکرد درست و مطمئن بودن سیستم حفاظتی است.

شکل ۴.۸: توضیح رله اضافه بار – عملکرد حالت ریست دستی

۵. دکمه ریست (Reset Button)

این دکمه تنها برای تزئین نیست! بلکه به شما اجازه می‌دهد بین حالت دستی (Manual) و خودکار (Automatic) یکی را انتخاب کنید.

اگر رله در حالت خودکار تنظیم شده باشد، پس از رفع خطای اضافه‌بار، بدون نیاز به دخالت شما به‌طور خودکار ریست می‌شود.

اما اگر رله در حالت دستی تنظیم شده باشد، پس از برطرف شدن مشکل اضافه‌بار باید به‌صورت دستی دکمه ریست را فشار دهید تا مدار دوباره فعال گردد.

این ویژگی به اپراتور امکان کنترل مستقیم بر فرآیند بازگشت به حالت عادی را می‌دهد.

شکل ۴.۹: توضیح رله اضافه بار – عملکرد حالت ریست خودکار

دیاگرام سیم‌کشی کلید حرارتی زیمنس

اکنون زمان آن رسیده است که وارد نمای شماتیکی شویم تا عملکرد داخلی یک کلید حرارتی درون مدار موتور را درک کنیم. در شکل AAA، شما یک مجموعه تغذیه سه‌فاز و یک مدار کنترل ساده دارید تا به شما کمک کند ببینید چگونه همه چیز به هم متصل شده و عمل می‌کند. در اینجا، نمادهای NEMA تشخیص محل هر جزء، مانند رله حرارتی، را در تصویر کلی آسان می‌کنند. منبع تغذیه سه‌فاز به ورودی‌های کنتاکتور متصل می‌شود و از آنجا، خروجی‌های رله حرارتی توان را مستقیماً به موتور هدایت می‌کنند و مسیری ایمن و قابل اعتماد برای توان ایجاد می‌کنند.

شکل ۵.۱: توضیح رله اضافه بار – بررسی رله اضافه بار در شماتیک مدار موتور

وقتی صحبت از کنترل بوبین‌های کنتاکتور می‌شود، با استفاده از کنتاکت‌های رله حرارتی گزینه‌های مختلفی در اختیار دارید! می‌توانید از کنتاکت‌های نرمال باز یا نرمال بسته استفاده کنید، اما این مدار کنترل از کنتاکت نرمال بسته استفاده می‌کند. این پیکربندی کمک می‌کند تا بوبین فقط زمانی برق‌دار شود که شرایط به‌درستی برقرار باشد.

شکل ۵.۲: توضیح رله اضافه بار – استفاده از کنتاکت معمولاً بسته رله اضافه بار برای کنترل بوبین کنتاکتور

به‌محض اینکه دکمه استارت را فشار می‌دهید، همه چیز به حرکت درمی‌آید! بوبین کنتاکتور برق‌دار می‌شود و کنتاکت‌های مدار قدرت را به هم وصل می‌کند. در این حالت مسیر جریان برای رسیدن به موتور باز می‌شود، در حالی که رله حرارتی به‌عنوان محافظ در مدار قرار دارد. این شبیه آن است که کلید راه‌اندازی موتور را بزنید، اما با حفاظتی داخلی که ایمنی را تضمین می‌کند.

شکل ۵.۳: توضیح رله اضافه بار – راه اندازی موتور با ایمنی و کنترل

وقتی کلید حرارتی زیمنس تشخیص دهد که اضافه‌باری به‌صورت مداوم وجود دارد، به‌طور خودکار کنتاکت نرمال بسته خود را باز می‌کند. این عمل باعث قطع برق بوبین کنتاکتور می‌شود و در نتیجه، کنتاکت اصلی در مدار قدرت باز شده و موتور خاموش می‌گردد. رله حرارتی مانند یک کلید ایمنی داخلی عمل می‌کند که از داغ شدن بیش‌ازحد موتور الکتریکی جلوگیری می‌کند!

شکل ۵.۴: توضیح رله اضافه بار – نمایش حفاظت موتور در برابر گرمای بیش از حد روی یک شماتیک

آزمون عملکرد کلید حرارتی زیمنس

شکل ۶.۱: توضیح رله اضافه بار – نحوه آزمایش رله اضافه بار با مولتی متر

شکل ۶.۲: توضیح رله اضافه بار – اتصالات بین L1-T1، L2-T2 و L3-T3 در شرایط عادی

شکل ۶.۳: توضیح رله اضافه بار – وضعیت کنتاکت در حالت عادی باز و مقدار خوانده شده توسط مولتی متر در شرایط عادی

شکل ۶.۴: توضیح رله اضافه بار – وضعیت کنتاکت در حالت عادی بسته و مقدار خوانده شده توسط مولتی متر در شرایط عادی

اکنون می‌توانید دکمه تست را فشار دهید تا یک حالت اضافه‌بار شبیه‌سازی شود و ببینید رله حرارتی در وضعیت تریپ چگونه واکنش نشان می‌دهد. اتصال‌های L1‑T1، L2‑T2 و L3‑T3 برقرار می‌مانند، هرچند هنگام بروز اضافه‌بار، رله حرارتی برق را از موتور قطع نمی‌کند.

شکل ۶.۵: توضیح رله اضافه بار – اتصالات بین L1-T1، L2-T2 و L3-T3 در شرایط اضافه بار

شکل ۶.۶: توضیح رله اضافه بار – وضعیت کنتاکت در حالت عادی باز و مقدار خوانده شده توسط مولتی متر در شرایط اضافه بار

شکل ۶.۷: توضیح رله اضافه بار – وضعیت کنتاکت در حالت عادی بسته و مقدار خوانده شده توسط مولتی متر در شرایط اضافه بار

نتیجه‌گیری

در نتیجه، شما درک محکمی از نحوه عملکرد رله حرارتی و نقش آن در حفاظت از موتور در برابر داغ‌شدن ناشی از جریان بیش‌ازحد به‌دست آورده‌اید. شما موقعیت‌های مختلفی را بررسی کردید که می‌توانند منجر به اضافه‌بار در موتور شوند. هر یک از این شرایط ممکن است باعث شود موتور فراتر از ظرفیت خود کار کند و در صورتی که به آن رسیدگی نشود، منجر به فرسودگی شدید و در نهایت آسیب دائمی گردد. همچنین با اجزای اصلی کلید حرارتی زیمنس آشنا شدید. در نهایت، مشاهده کردید که رله حرارتی چگونه درون مدار فرمان موتور قرار می‌گیرد، ملاحظات مربوط به سیم‌کشی آن چیست و چگونه می‌توان عملکرد آن را با استفاده از مولتی‌متر آزمایش کرد. با درک این موارد، اکنون بهتر می‌توانید کلیدهای حرارتی را در کاربردهای کنترل موتور پیاده‌سازی، نگهداری و عیب‌یابی کنید تا سیستم‌های موتوری شما در برابر جریان‌های غیرمنتظره محافظت شوند.