بیمتال یا رله اضافه بار حرارتی

سیستم دوفلزی یا بیمتال یکی از روش های پرکاربرد جهت تشخیص اضافه بار و تبدیل آن به فرمان الکتریکی یا مکانیکی است. در این روش دو فلز غیر هم نام با ضریب انبساطی مختلف به یکدیگر پرس شده و در مدار قدرت قرار داده می شوند. بیمتال ممکن است به صورت مستقیم در مسیر جریان نبوده و سیم حامل جریان اطراف آن پیچیده شده باشد. با افزایش جریان میزان گرمای تولیدی افزایش پیدا کرده و بخش دو فلزی شروع به خم شدن می کند. سرعت و میزان خم شدن فلزها به میزان جریان عبوری بستگی دارد.

اجزای داخلی

سیستم های دو فلزی یا بی متال به صورت مجزا یا ترکیب شده با ادوات دیگر ساخته می شوند. در تجهیزات حفاظتی از خم شدن بخش دو فلزی جهت تغییر وضعیت کنتاکت فرمان یا صدور فرمان قطع استفاده می شود. صدور فرمان مکانیکی اغلب در بریکرها انجام شده و باعث آزاد شدن نیروی فنر قطع خواهد شد.
رابطه ی بین جریان عبوری و سرعت خم شدن بخش دو فلزی با توجه به نوع کاربری آن مشخص می شود. به عنوان مثال  ضریب انبساط بخش دو فلزی بریکرهای معمولی با بخش فلزی محافظ موتور یکسان نیست. بریکرهای معمولی مانند مینیاتوری و کامپکت برای حفاظ هادی ها بوده که تحمل حرارتی بیشتری نسبت به سیم پیچ موتور دارند. در تصویر زیر اجزای یک بریکر مینیاتوری به همراه نوار بی متال را مشاهده می کنید. این نوار با افزایش جریان خم شده و فرمان قطع را صادر می کند.
در ویدئوی زیر اجزای داخلی بی متال را بررسی میکنیم. این ویدئو برگرفته از دوره راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز است:

بی متال محافظ موتور

بی متال بیان کننده ی روش حفاظت دوفلزی بوده و در ادوات مختلف مانند بریکر لاین، بریکر محافظ موتور، رله اضافه بار و غیره استفاده می شود. رله ی اضافه بار حرارتی موتور در بازار با عنوان بی متال یا T.O.L شناخته می شود. عبارت T.O.L مخفف thermal overload relay است. در این بخش منظور از بی متال همان رله اضافه بار حرارتی موتور است. این تجهیز را می توان با کنتاکتور یا به صورت مجزا در تابلو برق نصب کرد.

بخش ورودی این تجهیز از 3 شاخک فلزی تشکیل شده که در برخی مدل ها قابلیت جابجایی دارند. جابجایی شاخک ها برای اتصال به کنتاکتورهای مختلف در نظر گرفته شده است. برای اتصال ورودی بی متال کافی است شاخک ها را زیر پیچ های کنتاکتور قرار داده و محکم کنید. اتصال سیم های خروجی بی متال توسط ترمینال انجام می شود.

قسمت ورودی و خروجی بی متال در جریان های بالا به شکل شینه بوده و اتصالات خاص خود را دارد. بیمتال های جریان بالا به صورت مستقل نصب خواهند شد.

برای استفاده از بی متال های آمپر پائین به صورت مجزا به یک آداپتور نیاز است. آداپتور یا پایه ی مجزا اغلب روی ریل قرار گرفته و تجهیز را نگه می دارد. در این روش می توانید سیم های ورودی را به آداپتور متصل کرده و خروجی را از بی متال دریافت کنید.

در این ویدئو نکته های مهم در خصوص حفاظت موتور سه فاز در برابر اضافه بار به شکل حرارتی را مشاهده می کنید. این ویدئو برگرفته از دوره تخصصی راه اندازی و حفاظت موتور های سه فاز است.

حفاظت های رله اضافه بار حرارتی موتور

بی متال یا رله اضافه بار حرارتی بر اساس مشخصه ی حرارتی سیم پیچ موتور طراحی شده و یک حفاظت مناسب برای تشخیص اضافه بار و قطع فاز است. اضافه بار در این رله به صورت تکفاز، دوفاز و سه فاز قابل شناسایی است. قطع فاز در موتور باعث افزایش جریان فازهای دیگر و شناسایی آن از طریق بی متال می شود.

در برخی بی متال ها از خاصیت دیفرانسیل برای شناسایی قطع فاز نیز استفاده می شود. در بیمتال دیفرانسیل جریان هر سه فاز باید برابر باشد. هر گونه کاهش جریان در یک یا دوفاز از 3 خط بی متال دیفرانسیل باعث شناسایی عدم تعادل و قطع آن خواهد شد. بیمتال دیفرانسیل قابل استفاده در مدارهای تکفاز یا دوفاز نبوده و حتما باید به شکل سری از آن استفاده کرد. سری کردن هیترهای بی متال باعث یکسان شدن جریان عبوری از تمام آن ها و عدم عملکرد خاصیت دیفرانسیل می شود.

قسمت تشخیص اضافه جریان در این تجهیز با عنوان هیتر نیز شناخته می شود. اغلب بیمتال ها دارای 3 بخش مجزا یا 3 هیتر برای کنترل جریان 3 فاز هستند. در نظر داشته باشید که بی متال 2 هیتر نیز در بازار وجود دارد. در این بی متال از 2 بخش تشخیص جریان استفاده شده و یکی از فازها به صورت مستقیم است. از نظر ساختار و روش عملکرد تفاوتی بین بیمتال 3 و 2 هیتره نبوده ولی دقت و هزینه ی آن ها متفاوت است.
سرعت قطع مدار توسط بی متال به میزان جریان و حالت سرد یا گرم بستگی دارد. منحنی عملکرد بی متال به صورت زمان معکوس است. زمان معکوس در این تجهیز به معنی قطع جریان های بیشتر در زمان کمتر است. گرم بودن بیمتال باعث افزایش سرعت آن می شود. در تصویر زیر منحنی عملکرد بیمتال های 2 و 3 هیتره در حالت سرد و گرم را مشاهده می کنید.

سیم بندی و نصب بیمتال

بی متال موتوری در مدار قدرت قرار گرفته و از انحنای بخش دو فلزی برای تحریک کنتاکت فرمان استفاده می کند. کنتاکت فرمان بی متال در بخش اول مدار قرار گرفته و جهت صدور فرمان قطع به تجهیزات دیگر مانند کنتاکتور طراحی شده است. اغلب بی متال ها دارای دو کنتاکت مجزا برای آلارم و تریپ هستند. در تصویر کنتاکت نرمال بسته را با عددهای 95 و 96 و کنتاکت نرمال باز را با عددهای 97 و 98 مشاهده می کنید. وضعیت کنتاکت های نرمال باز و نرمال بسته در حالت های خطا در تصویر سمت چپ آورده شده است. اطلاعات کامل در خصوص سیم بندی بی متال را می توانید در مقاله ی راه اندازی تک ضرب موتور مطالعه کنید.

ریست دستی بیمتال

بی متال پس از رخ دادن خطا نیاز به ریست دارد. ریست به دو شکل خودکار و دستی انجام می شود. در حالت دستی کنتاکت های فرمان پس از رخ دادن خطا تغییر وضعیت داده و قفل می شوند. تغییر وضعیت کنتاکت ها باعث قطع مدار قدرت و خاموش شدن سیستم خواهد شد. در این روش بی متال سرد شده و به شکل اول خود باز می گردد ولی کنتاکت های فرمان در حالت خطا باقی می مانند.

ریست دستی به معنی فشردن دکمه تعبیه شده روی رله است. فشردن دکمه ی ریست باعث بازگشت کنتاکت های فرمان نرمال بسته و باز به شکل اول خود خواهد شد. ریست دستی زمانی ممکن است که تیغه های اصلی بی متال به شکل اول خود بازگشته باشند. در صورت گرم بودن بی متال ها امکان ریست وجود ندارد.

در ویدئوی زیر حالت ریست دستی و خودکار در بی متال را مشاهده می کنید:

ریست خودکار بیمتال

بی متال پس از قطع جریان شروع به از دست دادن دما می کند. با سرد شدن بی متال وضعیت آن نرمال شده و به موقعیت اصلی خود باز می گردد. از این خاصیت می توان در ریست خودکار استفاده کرد. معمولا یک بخش قفل شونده روی بیمتال در نظر گرفته شده و حرکت کنتاکت های فرمان را وابسته به انحنای هیتر ها می کند. در این روش با گرم شدن هیتر ها، کنتاکت های فرمان تغییر وضعیت داده و با سرد شدن آن ها به موقعیت اول باز می گردند. ریست خودکار در تاسیسات حساس و مدارهای 2 سیمه استفاده می شود. در تصویر زیر یک بی متال با قابلیت ریست دستی و خودکار را مشاهده می کنید. حالت H به معنی ریست دستی بوده و بعد از تریپ باید دکمه ی روی بی متال فشرده شود. با فشردن این دکمه و چرخاندن آن می توان وضعیت A را انتخاب کرد. حرف A به معنی خودکار بوده و پس از سرد شدن بیمتال کنتاکت ها به وضعیت اول باز می گردند. روی بی متال ممکن است دکمه های دیگری نیز وجود داشته باشند. به عنوان مثال طبق تصویر دکمه ی قرمز رنگ به عنوان تست بوده و فشردن آن، وضعیت کنتاکت های فرمان را تغییر می دهد.

نکات مربوط به ریست خودکار را در ویدئوی زیر مشاهده کنید. این ویدئو برگرفته از دوره راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز است:

تنظیم بی متال

بی متال محافظ موتور به صورت فیکس نبوده و جریان آن قابل تنظیم است. تنظیم کننده ی جریان اغلب به شکل یک صفحه ی دوار بوده که شامل عدد های مختلفی است. کنار صفحه ی دوار و روی بدنه ی بی متال یک فلش یا دایره ی کوچک قرار داشته که نشان دهنده ی مرجع تنظیم جریان است. برای تنظیم این تجهیز کافی ست صفحه ی دوار را چرخانده و عدد روی آن را مقابل نقطه یا فلش قرار داد. روش تنظیم بی متال ها به یک شکل است اما ممکن است روش درج اعداد و نشان مرجع در آن ها متفاوت باشد.

صفحه دوار بی متال به صورت مستقیم تنظیم کننده فاصله ی بین بخش دو فلزی و مکانیزم فرمان است. افزایش جریان به معنی فاصله ی بیشتر و کاهش جریان به معنی فاصله ی کمتر بین هیتر و مکانیزم فرمان است. با افزایش جریان فاصله ی بین فعال کننده ی کنتاکت فرمان و بخش دو فلزی بیشتر شده و برای عملکرد باید انحنای بیشتری ایجاد شود. سیستم تنظیم اضافه بار در بریکرهای کامپکت و محافظ موتور نیز به همین شکل است.
در کاتالوگ شرکت های سازنده و روی لیبل بی متال ها شرح داده شده که حفاظت از 125 تا 135 درصد مقدار تنظیم شده است. به عنوان مثال تنظیم روی 100 به معنی حفاظت اضافه جریان از 125 تا 135 آمپر است. با توجه به این شرایط نباید جریان بی متال از جریان بار کامل موتور بیشتر تنظیم گردد. توصیه شده در مدار تک ضرب مقدار جریان تنظیمی معادل جریان نامی موتور و در مدار ستاره مثلث حدود 57 درصد جریان کامل باشد. مقدار 57 درصد در شرایطی صادق است که بی متال، زیر کنتاکتور اصلی یا مثلث نصب شده است. در این حالت دو مسیر موازی برای عبور جریان وجود دارد.

تست بی متال

روی بعضی از بی متال ها یک دکمه ی قرمز رنگ با عنوان Stop وجود داشته که فشردن آن باعث باز شدن کنتاکت N.O می شود. وضعیت کنتاکت نرمال بسته پس از برداشتن نیروی دست از روی شستی استپ به حالت اول خود باز می گردد. این شستی مانند یک استپ در در مدار فرمان بوده و باعث خاموش شدن سیستم های 3 سیمه می شود. شستی Stop برای تست مکانیزم بی متال استفاده نمی شود.

برای تست عملکرد داخلی این تجهیز یک بخش جداگانه وجود دارد. این بخش معمولا با یک فلش و عبارت Test مشخص شده است. با استفاده از یک پیچ گوشتی کوچک می توان زبانه ی تست را جابجا کرده و مکانیزم داخلی بی متال را کنترل کرد. تغییر وضعیت این زبانه در برخی از بی متال ها به ابزارخاصی نیاز نداشته و با دست امکان پذیر است. جابجا کردن زبانه ی تست باعث عملکرد هردو کنتاکت فرمان و نمایش وضعیت تریپ می وشود. در صورتی که بی متال در حالت دستی باشد، باید از دکمه ریست برای بازگشت به حالت اول استفاده کنید. در تصویر روش تست بی متال و عملکرد نشانگر تریپ نمایش داده شده است.

نکات مهم در نصب و تنظیم بیمتال

• هنگام انتخاب بی متال باید به جریان کامل موتور و روش نصب تجهیزات توجه کنید. برای اتصال بی متال به کنتاکتور حتما باید برند و فریم سایز مناسب انتخاب شود.
• رنج بی متال با دو عدد بیان می شود. عدد اول حداقل جریان و عدد دوم حداکثر جریان قابل تنظیم آن است. توصیه شده رنج بی متال را به گونه ای انتخاب کنید که دارای محدوده ی مثبت و منفی 10 درصد جریان کامل موتور باشد. در برخی منابع این بازه بزرگتر و از 70 تا 130 درصد بیان شده است.
• در صورت نیاز به دو بی متال یا استفاده از کنتاکتور و بی متال با برند مختلف می توانید از آداپتور نصب مجزا کمک بگیرید.
• نحوه ی ریست بیمتال را به توجه به حساسیت مدار انتخاب کنید. در اغلب مدارها نیازی به ریست خودکار نیست.
• از کنتاکت آلارم بیمتال برای روشن کردن سیگنال خطا یا دیگر مدارهای هشداری استفاده کنید. این روش تا حد زیادی زمان عیب یابی را کاهش می دهد.

اجزای بی متال

در تصویر زیر یک بی متال 90 تا 150 آمپر تله مکانیک را مشاهده می کنید. اجزای مشخص شده با اعداد 1 تا 7 عبارتنداز:

1. بخش تنظیم جریان
2. دکمه Stop که فشار دادن آن تنها وضعیت کنتاکت C را تغییر می دهد. فشار دادن این دکمه باعث عملکردن کنتاکت N.O نخواهد شد.
3. قسمت تست که باعث عملکرد بی متال و تغییر وضعیت هردو کنتاکت فرمان می شود.
4. دکمه ریست دستی
5. نشانگر تریپ
6. بخش لیبل
7. پلمپ کاور شفاف برای جلوگیری از تغییر تنظیمات توسط افراد غیر مجاز

لوازم جانبی

بی متال ها دارای لوازم جانبی خاصی مانند شستی ریست مکانیکی، شستی استپ مکانیکی و پایه نصب مجزا هستند. شستی های مکانیکی روی درب تابلو یا باکس های موتور استارتر نصب شده و منتقل کننده ی نیروی دست هستند. با استفاده از این شستی ها نیاز به باز کردن درب تابلو یا موتور استارتر نیست. برخی بی متال ها دارای بوبین ها و کنتاکت های کمکی نیز هستند. متاسفانه این تجهیزات در ایران موجود نمی باشد.

معایب بی متال

بی متال یک جزء پر استفاده در فیدر الکتروموتور بوده ولی معایب خاص خود را دارد. موارد زیر از مهم ترین معایب بی متال هستند:

• قرارگیری در مدار قدرت و کنترل مدار فرمان (نداشتن کنتاکت جهت قطع مدار به صورت مستقیم)
• وجود عنصر حرارتی در مسیر جریان و ایجاد تلفات
• وجود بخش دو فلزی و وابستگی منحنی زمان-معکوس به دمای میحط
• عدم حساسیت به کاهش جریان

برای رفع مشکلات فوق می توان از رله اضافه بار الکترونیک یا بریکر محافظ موتور استفاده کرد.

تفاوت بی متال و کلید حرارتی

در ویدئوی زیر که برگرفته از دوره آموزشی راه اندازی و حفاظت موتور است می توانید مقایسه ی بی متال با کلید حرارتی را مشاهده کنید.