کلید حرارتی چیست؟ (انواع، ساختار، نحوه عملکرد و کاربرد کلید MPCB)

کلید حرارتی چیست؟ چه کاربردی در مدارهای الکتریکی دارد؟ در حوزه برق صنعتی این کلیدها از ایده آل ترین تجهیزات حفاظتی محسوب می شوند. کلیدهای حرارتی یا MPCB بهترین محافظ مدارهای الکتریکی در برابر بروز خطاهایی چون اضافه بار و اتصال کوتاه هستند. به همین دلیل، به این ابزارها کلیدهای محافظ موتور یا رله اضافه بار نیز گفته می شود. این کلیدها را می توان یک ابزار ایمنی جهت محافظت از مدار در برابر آسیب های حاصل از اضافه بار یا افزایش ناگهانی آن معرفی کرد. با توجه به این نقش حفاظتی، کاربرد کلیدهای MPCB در انواع محصولات مصرفی، تجاری و به ویژه در تجهیزات اتوماسیون صنعتی حائز اهمیت است.

شناخت ساختار، اجزا، نحوه عملکرد و انواع این کلیدها یک راهنمای آموزشی مفید جهت درک بهتر کاربرد آنها در حوزه برق صنعتی ارائه می دهد.

 کلید حرارتی چیست؟

کلید حرارتی یا MPCB (Motor protection circuit breaker) قطعه یا سوئیچی است که از موتور وسایل برقی، در برابر آسیب های حاصل از افزایش جریان چون اتصال کوتاه و اضافه بار حفاظت می کند. به همین دلیل به آن کلید حفاظت موتوری هم گفته می شود. نام دیگر این کلیدها، کلید راه انداز موتور یا MMS (Manual Motor Starter) است؛ به این معنا که علاوه بر نقش حفاظتی، این کلیدها به عنوان سوئیچینگ اصلی مدار (قطع و وصل کننده) هم عمل می کنند.

در زمان راه اندازی، موتور 8-5 برابر جریان نامی از مدار جریان می کشد. در این شرایط اگر از یک بریکر یا قطع کننده معمولی استفاده شود، مدار سریعا قطع شده و موتور روشن نمی شود. اما در حالت استفاده از کلیدهای حرارتی این قطعات در تایمی کوتاه به موتور اجازه می دهند تا جریان مورد نیاز خود را برای راه اندازی تامین کند. در این حالت چنانچه  در زمان تعیین شده موتور به دلیل بروز خطا به دور نامی نرسد، کلید حرارتی مدار را قطع می کند.

از مهم ترین ویژگی ها و قابلیت های این کلیدها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

•         امکان تنظیم بازه جریان مجاز در این کلیدها وجود دارد.
•         جهت کنترل دستی مجهز به کلید 1-0 (شستی قطع و وصل) هستند.
•         امکان افزودن تجهیزات جانبی در این ابزار وجود دارد.
•         نیاز به کنتاکتور برای فرمان دادن ندارند. بلافاصله بعد از تشخیص خطا در مدار قدرت، به طور مستقیم موتور را قطع می کنند.

انواع کلید حرارتی

پس از بیان یک تعریف کلی در پاسخ به پرسش “کلید حرارتی چیست”، شناخت انواع این رله ها برای انتخاب محصولی مناسب در یک پروژه مفید خواهد بود. رله های اضافه بار حرارتی برای نجات دستگاه ها در شرایطی چون افزایش ناگهانی برق استفاده می شوند. این رله ها دارای انواع مختلفی هستند:

رله حرارتی حالت جامد

در این رله ها از مواد نیمه هادی به عنوان کلید استفاده می کنند. رله های حالت جامد نسبت به رله های مکانیکی جهت کار کردن به انرژی کمتری نیاز دارند. معایب استفاده از این رله ها به مواردی چون گران تر بودن، قابلیت اطمینان کمتر و کنترل همزمان مقادیر کمی از جریان خلاصه می شود. از رایج ترین انواع رله های جامد می توان به تریاک ها، تریستور و SCR یا یکسو کننده های کنترل شده با سیلیکون اشاره کرد.

رله حرارتی دو فلزی

رله های الکترونیکی هستند که در ساختار آنها از دو فلز غیر مشابه (نیکل و آهن یا فولاد) استفاده شده است. از مزایای این رله ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

•         قابلیت تحمل بازه دماهای بالاتر را دارند. به همین دلیل جهت انتقال توان بالا گزینه ایده آلی محسوب می شوند.
•         به دلیل دوام بیشتر نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارند. در نتیجه با استفاده نادرست کاربر نه آسیب می بیند و نه زود فرسوده می شود.

رله حرارتی کنترل دما

رله هایی برای کنترل دمای یک سیستم یا وسیله الکتریکی هستند. مقدار توان ارسال شده از طریق این رله ها به یک مدار، با توجه به میزان جریان تحمل شده توسط رله و درجه بندی آن تعیین می شود. درجه بندی متداول این رله ها 5، 10، 20 و 30 آمپر است. رله هایی با آمپرهای بالاتر قابلیت تحمل قدرت بیشتری را دارند.

کاربرد کلید حفاظت موتوری (MPCB)

•         یک دستگاه کنترل دما جهت جلوگیری از آسیب های حاصل از گرم شدن بیش از حد مدارهای الکتریکی
•         حفاظت کننده قابل تنظیم در برابر اضافه بار حرارتی و مغناطیسی
•         محافظت از موتورهای الکتریکی در برابر عیوب الکتریکی
•         سوئیچینگ مدارهای موتوری
•         ایجاد تاخیر حرارتی جهت راه اندازی و روشن شدن موتور

ساختار کلیدهای MPCB

کلیدهای MPCB یک قطعه حساس به دما هستند که ساختاری متشکل از دو فلز ناهمجنس یا بی متال دارند. این فلزها به طور کامل در یک سطح به هم جوش خورده اند و ضرایب انبساط متفاوتی دارا هستند. افزایش حرارت حاصل از عبور جریان الکتریکی در این دو فلز باعث خم شدن فلزی می شود که ضریب انبساط کمتری دارد. فلز خم شده در نتیجه سرد شدن به حالت اولیه خود باز می گردد.  در قسمت بالا و پایین دو تیغه فلزی، دو آهنربا نیز وجود دارد که از جرقه و سوختگی محل اتصال جلوگیری می کند.

برای درک بهتر عملکرد این کلیدها باید با اجزای تشکیل دهنده آنها آشنایی کامل داشت. اما اجزای تشکیل دهنده کلید حرارتی چیست؟ پنج بخش اصلی را در ساختار این کلیدها وجود دارد:

•         شستی های قطع و وصل کلید
•         ترمینال های اتصال به کابل موتور
•         ترمینال های اتصال به برق ورودی
•         کلید تست سالم بودن محصول
•         پیچ تنظیم کننده جریان

تجهیزات جانبی کلیدهای راه انداز موتور 

رله افت ولتاژ: رله ای است که از پهلو و به صورت جانبی به کلید حرارتی متصل می شود. در صورتی که دو سر بوبین این رله برق دار باشد، به کلید حرارتی اجازه قطع و وصل می دهد. با قطع شدن برق این رله، کلید حرارتی هم قطع می شود.

رله شنت: کاربرد این رله تحت شرایطی است که وصل بودن کلید حرارتی در شرایط خاصی مورد نیاز باشد. با اعمال ولتاژ به بوبین این رله، کلید حرارتی قطع می شود.

کنتاکت کمکی: اتصال این کنتاکت ها به کلید حرارتی از پهلو یا روبرو به صورت تک کنتاکت و دو کنتاکت می باشد. قطع و وصل شدن کلید حرارتی باعث تغییر وضعیت کنتاکت های کمکی می شود.

کنتاکت کمکی خطا: این کنتاکت ها هم مانند نوع قبل به کلیدهای MPCB متصل می شوند. عملکرد این کنتاکت ها با قطع و وصل شدن کلید حرارتی انجام نمی شود. بلکه منوط به وارد شدن کلید حرارتی به حال تیریپ بعد از تشخیص خطای اضافه بار است.

رابط نصب: وسیله ای برای اتصال کنتاکتور به کلید حرارتی است که با توجه به مدل اتصال، مدل های مختلفی دارد.

دستگیره گردان: از طریق یک رابط میله ای به کلید MPCB متصل می شود.

نحوه عملکرد کلیدهای حرارتی

عملکرد کلیدهای حرارتی را می توان در دو بخش حفاظت مغناطیسی و حفاظت حرارتی بررسی کرد. پاسخ به این پرسش که تفاوت این دو نوع عملکرد کلید حرارتی چیست، درکی بهتر برای مناسب بودن یا نبودن این ابزار در تجهیزات برقی مورد نظر ارائه می دهد. عملکرد مغناطیسی به حفاظت از موتور الکتریکی در برابر اتصال کوتاه مربوط می شود. در حالیکه عملکرد حرارتی، حفاظت موتور الکتریکی در شرایط اضافه جریان را در برمی گیرد.

عملکرد حرارتی کلیدهای MPCB

حفاظت حرارتی بخشی از عملکرد کلیدهای MPCB است. این عملکرد با تاخیر انجام می شود. عملکرد حرارتی زمانی فعال می شود که جریانی بیش از جریان نامی الکتروموتور به آن اعمال شود. این شرایط باعث داغ شدن موتور و عبور جریانی بالا از وسایل الکتریکی مرتبط می گردد. تحت این شرایط، با فعال شدن عملکرد بی متال کلید MPCB،  فلزی با ضریب انبساط بیشتر شروع به خم شدن می کند. در نتیجه، اهرم زیر فلز فعال و مدار قطع می شود. فلز خم شده پس از سرد شدن به حالت اولیه باز گشته و مدار وصل می شود.

عملکرد مغناطیسی کلیدهای MPCB

تفاوت این عملکرد با نوع قبلی این است که با تاخیر همراه نیست و قطع شدن مدار بلافاصله انجام می شود. این عملکرد در زمان بروز خطای اتصال کوتاه (فاز با فاز، فاز با زمین یا فاز با نول) فعال شده و توسط یک بوبین انجام می شود.

در شرایط نرمال، با عبور جریان مدار به وسیله دو کنتاکت متصل به هم از بوبین داخل کلید MPCB، میدان مغناطیسی کوچکی ایجاد می گردد. با بروز خطای اتصال کوتاه، جریانی بسیار بالا از بوبین عبور می کند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی شدیدی می شود. این میدان با به حرکت درآوردن هسته آهنی داخل بوبین، باعث فعال شدن اهرم و قطع شدن مدار می گردد.

روش نصب کلید MPCB

عملکرد صحیح این ابزار با نصب آن به پایانه های کنتاکتور فراهم می شود. علاوه بر این، اتصال به قاب کلید از طریق یک پین و موقعیت نصب در یک شیب عمودی با زاویه 5 درجه از نکات مهم دیگر جهت نصب این ابزار است. نصب یک بریکر یا دستگاه ایمنی با اندازه گیری مناسب برای محافظت از مصرف کننده در برابر اتصال کوتاه هم باید قبل از ترکیب رله حرارتی و کنتاکتور مد نظر قرار گیرد.

مزایا و معایب کلید محافظ موتور

مزایای استفاده از کلیدهای MPCB عبارتند از:

•         دارای قدرت قطع بالا و مقاومت زیاد در برابر بارهای لحظه ای
•         تنظیم جریان حفاظتی در بازه ای معین
•         قابلیت قطع و وصل مدار در حین کار
•         حفاظت از مدار در شرایط بروز خطای اتصال کوتاه و اضافه بار
•         امکان حفاظت از موتور در شرایط نبود فاز یا نامتقارن بودن آنها
•         حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری کلید
•         امکان تنظیم دقیق پارامترهای الکتریکی

از مهم ترین معایب این کلیدها می توان به عدم امکان تعمیر و بالا بودن قیمت آنها اشاره کرد. علاوه بر این، آستانه قطع جریان اتصال کوتاه در این کلیدها قابل تنظیم نیست.

پارامترهای مهم انتخاب کلیدهای حرارتی (MPCB)

انتخاب کلیدهای محافظ موتور باید با تجزیه و تحلیل مشخصات فنی این ابزارها صورت گیرد:

1. حداکثر ولتاژ AC و DC: بزرگ ترین تفاوت پتانسیل طراحی شده ای است که با هدف حفظ آن در بین کنتاکت های کلید باز دستگاه، بدون ایجاد قوس یا جریان، در نظر گرفته شده است.
2. دمای نقطه تنظیم: دمایی است که در آن تغییر در وضعیت حرکت کنتاکت های الکتریکی ایجاد می شود. این دما به دو صورت ثابت یا قابل تنظیم در این کلیدها تعیین می شود. در کلیدهای نقطه ثابت، یک دمای معین به عنوان نقطه تنظیم وجود دارد. اما در انواع قابل تنظیم محدوده دمایی تعریف شده این نقطه را می توان تغییر داد.
3. حداکثر جریان: این ویژگی معرف حداکثر بار الکتریکی بر حسب آمپر است که توسط کنتاکت های کلید برق حمل می شود.
4. عمر کلید: این مشخصه بیانگر تعداد مورد انتظار چرخه هایی است که سوئیچ می تواند باعث خرابی آن شود.
5. قطب و پرتاب کلید: بر اساس این مشخصات کلیدهای حرارتی در چهار گروه زیر دسته بندی می شوند:

       5-1.تک قطبی، تک پرتابی (SPST): وظیفه این کلیدها قطع یا وصل اتصال یک هادی منفرد در مداری تک شاخه است.

       5-2.تک قطبی، پرتاب دوبل (SPDT): قطع یا وصل اتصال یک هادی منفرد با یکی از دو هادی تک دیگر را انجام می دهند.

       5-3.دو قطبی، تک پرتابی (DPST): وظیفه این کلیدها اتصال دو هادی مدار در یک مدار تک شاخه است.

       5-4.دو قطبی، پرتاب دوبل (DPDT): نقش این کلیدها قطع یا وصل اتصال دو هادی در دو مدار مجزا می باشد.

در پایان

اهمیت کاربرد کلید حرارتی چیست؟ با توضیحات ارائه شده مهم ترین دلیل کاربرد این کلیدها را می توان به نقش حفاظتی و سوئیچینگ آنها در مدارهای الکتریکی مرتبط دانست.

انتخاب یک کلید MPCB مناسب برای حفاظت از موتور در سطحی قابل اطمینان اهمیت زیادی دارد. استفاده از کلیدی که پایین تر از توان مورد نظر موتور باشد، می تواند از راه اندازی موتور جلوگیری کند. در مقابل، انتخاب کلیدی بالاتر از توان مورد نیاز، شرایط اضافه بار برای موتور را تشخیص نداده و حفاظت را به خوبی انجام نمی دهد. یک انتخاب صحیح می تواند در شرایط دمایی غیر عادی از عملکرد موتور به خوبی محافظت کند، کارایی آن را افزایش دهد و مدت بهره برداری از موتور را طولانی تر کند. از همین رو گزینش تجهیزاتی با کیفیت بالا اهمیت بالایی دارد.

مراجعه به فروشگاه های معتبر اطمینان خاطر شما را از خرید محصولی اصل فراهم می کند. آزند اتوماسیون با عرضه برترین برندهای تجهیزات برق و اتوماسیون صنعتی پاسخگوی نیاز شما خواهد بود.