حفاظت موتور

قبل از وارد شدن به بحث راه اندازی باید اطلاعات کافی در خصوص حفاظت موتور سه فاز داشته باشیم. حفاظت موتورهای القایی با توجه به بزرگی و اهمیت آن می تواند به صورت جریانی، ولتاژی، حرارتی، فرکانس و غیره باشد. با بزرگتر شدن موتور و یا افزایش سطح ولتاژ ممکن است حفاظت های پیچیده تری به مدار راه اندازی آن اضافه شود. به عنوان مثال در موتورهای بزرگ و فشار متوسط حفاظت های رتور قفل شده، تعداد استارت، دیفرانسیل و غیره نیز دیده می شود. در این مقاله تجهیزات حفاظتی به کار رفته در مدار راه اندازی موتورهای سه فاز فشار ضعیف بررسی شده است. به صورت کلی می توان این حفاظت ها را به گروه های جریانی، ولتاژی و حرارتی تقسیم کرد. حفاظت های بیشتر برای موتورهای فشار ضعیف نیز قابل انجام هستند ولی باعث افزایش هزینه خواهند شد.

در نظر داشته باشید که طراحی سیستم حفاظتی باید بین هزینه و اهمیت تجهیزات تعادل برقرار کند. به عبارت دیگر شما باید بر اساس اهمیت تجهیز و خسارات ناشی از آسیب آن یک سیستم حفاظتی مناسب طراحی کنید. سیستم حفاظتی باید سه هدف کلی حفاظت از جانداران، حفاظت از تجهیز و تاسیسات را برآورده کند. به عنوان مثال برای حفاظت از مدار الکتروموتور سه فاز می توان از بریکر، رله ی ارت فالت، رله ی کنترل فاز، رله ی کنترل بار و ترمیستور مناسب استفاده کرد. در ادامه نکات مهم در خصوص این تجهیزات و منابع کامل تر در همین وب سایت حضورتان ارائه خواهد شد.

حفاظت اضافه جریان

مدار الکتریکی در ساده ترین حالت شامل منبع تغذیه، سیم های رابط و بار است. اتصال منبع تغذیه به بار باعث عبور جریان از مدار و تبدیل انرژی خواهد شد. بر اساس این تئوری می توان با کنترل جریان یکی از پایه ای ترین سیستم های حفاظتی را ایجاد کرد. این سیستم با تجهیزات مختلف انجام شده ولی به صورت کلی حفاظت در برابر اضافه جریان نام دارد. حفاظت جریانی بر اساس آثار عبور جریان از مدار کار کرده و می تواند وضعیت نرمال و خطا را تشخیص دهد. با توجه به سیستم جریانی می توان مدل های مختلفی از خطا مانند اتصال کوتاه، اضافه بار، نشتی جریان، کاهش جریان، عدم تقارن و غیره را تشخیص داد. پیچیدگی سیستم حفاظت اضافه جریان بر اساس اهمیت مدار تعیین می شود. به عنوان مثال استفاده از فیوز و بریکر برای حفاظت موتورها ساده ترین حالت ممکن است. این تجهیزات حفاظتی تقریبا در تمام مدارها وجود داشته و می تواند یک یا هردو حالت خطای اضافه بار و اتصال کوتاه را شناسایی کند.

از نظر روش اندازه گیری جریان می توان سیستم های حفاظتی را به دو بخش اولیه و ثانویه تقسیم کرد. در مدارهای اولیه تمام جریان از عنصر حفاظتی عبور می کند. از این تجهیزات می توان به فیوزهای ذوب شونده، بریکرهای مینیاتوری و کامپکت با رله های حرارتی و مغناطیسی اشاره کرد. در مدل ثانویه جریان توسط CT اندازه گیری شده و به رله منتقل می شود. از ادوات حفاظتی با عملکرد ثانویه می توان به بریکر با رله ی الکترونیک یا رله های اضافه بار و کنترل موتور اشاره کرد. در ادامه حفاظت های جریانی به کار رفته در مدار راه اندازی موتورهای سه فاز را بیشتر بررسی می کنیم.

فیوز

در مدار راه اندازی الکتروموتور می توان از فیوز استفاده کرد. فیوزها ساده و ارزان هستند ولی برای موتورها یک حفاظت کامل محسوب نمی شوند. به عنوان یک نکته ی بسیار مهم در نظر داشته باشید که فیوز نمی تواند حفاظت در برابر اضافه بار موتور را به بر عهده بگیرد. این تجهیز در مدار موتور فقط توانایی تشخیص اتصال کوتاه را دارد. فیوز به عنوان اولین عنصر حفاظتی باید در بالاترین سطح مدار قرار بگیرد. به عبارت دیگر تمام جریان مدار باید از فیوز عبور کند. فیوز را می توان در پایه فیوز، کلید فیوز و یا ترکیب شده با تجهیزات دیگر استفاده کرد.

حفاظت از تجهیزات فیدر و الکتروموتور را در برابر اضافه جریان (اتصال کوتاه و اضافه‌بار) در نظر بگیرید. برای دستیابی به این سطح حفاظتی می‌توان از ترکیب المان‌های مختلفی مانند فیوزهای ذوب شونده، بریکر مینیاتوری، بریکر کامپکت، بریکر هوا، بریکر محافظ الکتروموتور، بی متال، رله‌ی اضافه‌بار الکترونیک، رله‌ی ترمیستور، رله‌های محافظ الکتروموتور و غیره استفاده کرد. تجهیزات فوق دارای خصوصیات مختلفی بوده و هر یک قیمت و سطح کاربری متفاوتی دارند. این ویدئو برگرفته از دوره راه اندازی و حفاظت موتورهای سه فاز است.

بریکر

بریکر یک سیستم خودکار بوده که می تواند خطاهای جریانی را تشخیص دهد. در سطح فشار ضعیف بریکرها بسیار متنوع بوده و اغلب با عنوان کلید اتوماتیک نیز شناخته می شوند. از پراستفاده ترین بریکرها در مدارهای راه اندازی موتور می توان به بریکر مینیاتوری، کامپکت و بریکر محافظ موتور یا MPCB اشاره کرد.

• عدم توانایی در تنظیم جریان نرمال و جریان اضافه بار هنگام تغییر شرایط بار
• نداشتن تمام فانکشن‌های حفاظتی مانند اضافه‌بار، تعادل جریان، نشتی جریان و غیره
• یکسره کرده المان حفاظتی هنگام در دسترس نبود فیوز جدید
• خطر برقگرفتگی هنگام تعویض فیوزها

برای رفع مشکلات فوق و حفاظت موتور در برابر دوفاز شدن و غیره  می توان از انواع بریکر استفاده کرد. بریکر نیز همانند فیوز باید در بالاترین سطح مدار قرار بگیرد.  بریکرها از نظر ساختار مدل های مختلفی مانند حفاظت فیدر، حفاطت در برابر اتصال کوتاه، حفاظت موتور و غیره دارند. در نظر داشته باشید که استفاده از هر بریکری در مدار موتور سه فاز به معنی کامل بودن حفاظت آن نیست. به عبارت دیگر تنها بریکرهای MPCB توانایی حفاظت از موتور در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار را دارند. برای آشنا شدن با بریکرها و انتخاب سایز مناسب در مدار راه اندازی موتور می توانید مقاله ی بریکر چیست را مطالعه کنید.

در اولین بخش فیدر الکتروموتور باید از حفاظت جریانی استفاده کنیم. این حفاظت می تواند توسط انواع فیوز یا بریکر انجام شود. در موتورهای با توان پائین تا متوسط می توان از بریکرهای مینیاتوری و کامپکت استفاده کرد. در این ویدئو که برگرفته از دوره جامع حفاظت و راه اندازی موتورهای سه فاز است سه مدل بریکر را بررسی می کنیم.

نشتی جریان یا خطای زمین

به منظور تشخیص خطای زمین یا نشتی جریان روش های مختلفی وجود دارد. یکی از اصلی ترین حفاظت ها در این بخش عملکرد فیوزها و بریکرهای معمولی است. برای دست یابی به این حالت حفاظتی باید جریان اتصال زمین بسیار زیاد باشد. به عبارت ساده تر خطاهای زمین با جریان کم در این روش به سرعت شناسایی نمی شوند. از طرفی وجود جریان نشتی در سیستم های حساس می تواند باعث برقگرفتگی و یا آتش سوزی شود. برای رفع مشکلات فوق می توان از تجهیزات تکمیلی استفاده کرد. تجهیزات تکمیلی در تشخیص نشتی جریان با عنوان RCD ها شناخته می شوند. سیستم تشخیص نشتی جریان می تواند به صورت تک منظوره و یا ترکیب شده با بریکرها تهیه شود.

در تیپ مینیاتوری یا بریکرهای با جریان پائین مدل های مختلفی برای تشخیص نشتی جریان وجود دارند. این بریکرها اغلب به صورت RCCB و RCBO در مدار راه اندازی موتور نصب می شوند. عبارت RCCB به معنی residual-current circuit breaker بوده و تنها می تواند نشتی جریان را تشخیص دهد. در این حالت به منظور حفاظت مدار در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار نیاز به تجهیزات دیگر می باشد.

عبارت RCBO به معنی residual current circuit breaker with overcurrent protection بوده و نشان دهنده ی یک بریکر ترکیبی است. بریکر RCBO می تواند اتصال کوتاه، اضافه بار و نشتی جریان را تشخیص داده و از مدار در برابر آن ها محافظت کند. با افزایش جریان مدار دیگر نمی توان از مدل های مینیاتوری به منظور تشخیص نشتی جریان استفاده کرد. در این حالت دو راه حل اساسی وجود دارد.

راه اول استفاده از بریکرهای کامپکت یا هوا مجهز به رله ی تشخیص نشتی جریان است. این بریکرها می توانند تمام حفاظت های جریانی مانند اتصال کوتاه، اضافه بار و نشتی جریان را در اندازه های بسیار بزرگ داشته باشند. این بریکرها بسیار قابل اطمینان بوده و نیاز به ادوات اضافی ندارند. در بریکرهای مجهز به رله ی ارت فالت یا نشتی جریان معمولا دو تنظیم اضافه وجود دارد. این تنظیمات مربوط به میزان جریان نشتی و زمان مجاز عبور آن از مدار هستند. در تصویر زیر بخش تنظیمی یک رله ی مایکرولاجیک اشنایدر مجهز به حفاظت زمین یا Ground Fault را مشاهده می کنید.

روش دوم استفاده از رله های ارت فالت است. این رله مسئول تشخیص نشتی جریان و صدور سیگنال خطا یا تریپ است. رله ی ارت فالت به تنهایی قادر به قطع مدار نبوده و معمولا با یک بریکر ترکیب می شود. رله ی ارت فالت دارای دو جزء اندازه گیری و کنترلی است. در بخش اندازه گیری یک ترانس جریان بزرگ با عنوان کوربالانس وجود داشته که تمام هادی های فاز و نول از داخل آن عبور می کنند. این ترانس به رله ی کنترلی متصل شده و دائما مدار را از نظر نشتی جریان کنترل می کند.

رله ی کنترلی در تابلو برق نصب شده و دارای تغذیه و تعدادی کنتاکت فرمان است. در این رله می توان مقدار جریان نشتی و زمان مجاز برای عبور آن را تنظیم کرد. سیستم زمان سنجی رله با عبور جریان نشتی بالا فعال شده و فرمان تریپ را صادر می کند. فرمان خروجی رله ی ارت فالت معمولا به بوبین های شنت یا آندر ولتاژ بریکر بالادست ارسال شده و کل مدار را قطع می کند. کنتاکت استفاده شده در مدار شنت به صورت N.O و کنتاکت استفاده شده در مدار آندر ولتاژ به صورت N.C است.

بی متال

یکی از قدیمی ترین روش های حفاظت موتور در برابر اضافه بار استفاده از بی متال است. بی متال یک عنصر حرارتی بوده که در مسیر اصلی جریان قرار می گیرد. با توجه به محل نصب رله، تمام یا بخشی از جریان موتور از بی متال عبور کرده و مقدار آن سنجیده می شود. روش سنجش جریان در بی متال بر اساس آثار حرارتی است. منحنی عملکرد بی متال به گونه ای است که می تواند از موتور در برابر اضافه حرارت محافظت کند. در نظر داشته باشید که بی متال در مدار قدرت قرار می گیرد ولی توانایی قطع آن را به صورت مستقیم ندارد. این قطعه دارای یک یا چند کنتاکت فرمان بوده که برای قطع تجهیزات دیگر مانند کنتاکتور استفاده می شود.

سرعت عملکرد بی متال با توجه به جریان عبوری و دمای محیط تعیین شده و شما نمی توانید آن را تغییر دهید. در بی متال معمولا یک ولوم کوچک قرار دارد که توسط آن می توان جریان موتور را تنظیم کرد. برخی از منابع آستانه ی عملکرد بی متال را 25 درصد بیشتر از مقدار تنظیمی اعلام کرده اند. از دیگر بخش های تنظیمی در بی متال می توان به ریست خودکار یا دستی اشاره کرد. در صورتی که بی متال در حالت ریست دستی باشد بعد از عملکرد باید یک دکمه روی آن فشرده شود. این کار نیاز به حضور اپراتور داشته و مدار فرمان تا پس از ریست فعال نخواهد شد. به منظور راه اندازی مجدد مدار فرمان می توان از ریست خودکار استفاده کرد. در این حالت کنتاکت های فرمان بی متال پس از سرد شدن بخش دو فلزی به حالت اول خود باز می گردند.

کنترل بار

از رله کنترل بار نیز به منظور حفاظت موتور در برابر اضافه بار استفاده می شود. این تجهیز به صورت الکترونیک بوده و جریان دریافتی موتور را از طریق دو یا سه CT اندازه گیری می کند. به عبارت دیگر رله ی اضافه بار از نوع حفاظت ثانویه بوده و به صورت غیر مستقیم عمل حفاظت را انجام می دهد. رله اضافه بار نیاز به تغذیه داشته و دارای تعدادی کنتاکت فرمان است. در واقع این رله نیز در مدار فرمان قرار گرفته و توانایی قطع مدار قدرت را ندارد. رله کنترل بار دقت بالاتری نسبت به بی متال داشته و بخش های تنظیمی بیشتری دارد. به عنوان مثال با توجه به مدل کنترل بار می توان میزان جریان، زمان عملکرد، تعادل جریان، کلاس حرارتی و غیره را در آن تنظیم کرد.

حفاظت در برابر اضافه ولتاژ

موتورهای الکتریکی حساسیت زیادی نسبت به ولتاژ داشته و به حفاظت دقیق در این بخش نیاز دارند. به عنوان مثال تغییرات ولتاژ می تواند باعث تغییر گشتاور، راندمان، ضریب توان، جریان و غیره در یک موتور القایی شود. از طرفی برخی از خطاها مانند قطع و جابجایی فاز آثار بسیار مخربی در موتور و ماشین آلات دارند. به منظور پوشش خطاهای فوق و حفاظت موتورهای الکتریکی می توان از رله ی کنترل فاز استفاده کرد. در نظر داشته باشید که رله های کنترل فاز از نظر تعداد خطاهای قابل شناسایی و تنظیم دامنه های ولتاژ در مدل های بسیار مختلفی ساخته می شوند. از جمله مدل های پرکاربرد کنترل فاز می توان به این موارد اشاره کرد:

• رله تشخیص توالی و قطع فاز
• رله کنترل فاز یا مانیتورینگ ولتاژ
• رله سوپر کنترل فاز یا مانیتورینگ ولتاژ پیشرفته

رله کنترل فاز از نظر نمونه گیری ولتاژ در دو مدل چهار و سه سیمه ساخته می شود. حفاظت در برابر اضافه ولتاژ در مدل چهار سیمه روی نول و هر سه فاز انجام می شود. این رله می تواند مدار را در برابر قطع نول نیز حفاظت کند. مدل های سه سیمه نیازی به نول نداشته و اغلب در مدارهای متعادل و بدون مصرف کننده ی تکفاز استفاده می شوند. رله کنترل فاز دارای چند کنتاکت فرمان بوده که در مدار کنتاکتور یا بریکرها قرار می گیرد. این رله می تواند در صورت رخ دادن خطاهای ولتاژ مدار فرمان را قطع کرده و از تجهیزات حفاظت کند. در نظر داشته باشید که کنترل فاز به صورت ریست خودکار بوده و پس از نرمال شدن ولتاژ به حالت عادی بر خواهد گشت. به عبارت دیگر روی کنترل فاز دکمه ای برای ریست وجود ندارد.

حفاظت حرارتی موتور

برخی از موتورها دارای سنسورهای حرارتی داخلی هستند. این سنسورها در محل های مختلفی از موتور مانند بین سیم پیچ ها، روی بلبرینگ ها و غیره وجود دارند. سنسورهای داخلی میزان حرارت هر بخش را به صورت مستقیم اندازه گیری کرده و مستقل از جریان موتور هستند. اندازه گیری مستقیم حرارت قابلیت اطمینان و حفاظت موتور را بسیار بالا می برد. در این حالت تاثیر دمای محیط، جریان های راه اندازی، توقف و غیره به خوبی در بخش حفاظتی موتور لحاظ می شود.

سنسورهای حرارتی داخلی دارای چند ترمینال بوده و باید به سیستم حفاظتی مناسب متصل شوند. از روش های حفاظت حرارتی موتور می توان اتصال سنسورها به رله ترمیستور، رله محافظ موتور و انواع سافت استارتر و درایو را نام برد. این تجهیزات حرارت موتور را اندازه گیری کرده و در صورت افزایش بیش از حد آن به سرعت مدار را خاموش می کنند. در مدارهای ستاره مثلث و تک ضرب نیز می توان از رله های ترمیستور مطابق با تصویر زیر استفاده کرد. این رله دارای یک یا چند کنتاکت فرمان بوده و می تواند با بخش کنترلی بی متال و کنتاکتور مرتبط شود. در بخش a از تصویر زیر تنها از بی متال به عنوان عنصر تشخیص دهنده ی اضافه بار استفاده شده است. در بخش b ترمیستور این نقش را داشته و حرارت را به صورت مستقیم اندازه گیری می کند. در بخش c بی متال و ترمیستور به یکدیگر ترکیب شده و یک مدار مطمئن را ایجاد کرده اند. در نظر داشته باشید که  ترمیستورها از نظر تعداد سنسور، روش ریست، تعداد کنتاکت ها و غیره در مدل های بسیار مختلفی ساخته می شوند.

رله ی کنترل موتور

رله های کنترل موتور ترکیبی از سیستم های حفاظتی و کنترلی هستند. این رله ها با توجه به برند و مدل می توانند حفاظت های اضافه بار، حرارت، تعادل جریان، کاهش جریان و غیره را داشته باشند. رله کنترل موتور یا مرکز کنترل موتور می تواند دارای ورودی های جریانی، ولتاژی، سنسورهای دما و غیره باشد. سیستم کنترل موتور از نظر عملکرد در مدار فرمان قرار گرفته و می تواند به بخش های اندازه گیری و مانیتورینگ نیز مجهز باشد.

در این رله جریان توسط دو یا سه CT اندازه گیری شده و به رله منتقل می شود. در توان های پائین CT ها روی رله بوده و سیم ها مستقیم از داخل آن عبور می کنند. در توان های بالا معمولا ترانس های جریان به صورت مستقل بوده و با سیم های جداگانه به رله متصل می شوند. در توان های پائین این رله به یک کنتاکتور داخلی مجهز شده و با عنوان موتور استارتر نیز شناخته می شود. این استارتر تمام وظایف مربوط به راه اندازی و کنترل را برعهده داشته و می تواند به ماژول چپ گرد و راست گرد نیز مجهز باشد.

طراحی سیستم حفاظتی موتور سه فاز

طراحی سیستم حفاظتی بر اساس توان و اهمیت موتور انجام می شود. در مدل های کوچک معمولا حفاظت اصلی موتور سه فاز به صورت جریانی بوده و در مدل های بزرگ تر از حفاظت ولتاژ، حرارت، تعداد استارت و غیره نیز استفاده می شود. در نظر داشته باشید که در صورت استفاده از رله های جداگانه باید از کنتاکت های فرمان آن ها به صورت سری استفاده کنید. این روش باعث خاموش شدن موتور در صورت رخ دادن هر یک از خطاها می شود.

مدار هر موتور حفاظت جریانی نیاز دارد. این حفاظت می تواند توسط یک تجهیز و یا ترکیبی از چند تجهیز انجام شود. در نظر داشته باشید که منظور از حفاظت جریانی در اغلب موارد حفاظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار است. سیستم های دیگر مانند تشخیص نشتی جریان، کاهش جریان و عدم تعادل به رله های جداگانه نیاز دارد. برخی از ترکیب های ممکن جهت حفاظت جریانی فیدر موتور در ادامه آورده شده است. این موارد بر اساس کیفیت و کارایی لیست شده و ممکن است به ادوات سوئیچ مانند کنتاکتور جداگانه نیاز داشته باشند.

در ویدئوی زیر ترکیب مختلف تجهیزات در راه اندازی موتور را معرفی میکنیم. این ویدئو برگرفته از دوره جامع راه اندازی و حفاظت موتور است.

ترکیب های پینشهادی در مدارهای راه انداز کنتاکتور عبارتند از:

• موتور استارتر در توان های کوچک به منظور حفاظت اتصال کوتاه و اضافه بار و سوئیچ موتور
• بریکر محافظ موتور یا کلید حرارتی یا MPCB با هردو بخش حرارتی و مغناطیسی در توان های کوچک و متوسط
• بریکر های مغناطیسی به همراه مرکز مدیریت موتور یا رله های ترکیبی
• بریکرهای مینیاتوری یا کامپکت به همراه مرکز مدیریت موتور یا رله های ترکیبی
• بریکرهای مینیاتوری یا کامپکت به همراه رله اضافه بار مانند کنترل بار یا بی متال
• فیوز ذوب شونده به همراه سیستم اضافه بار جداگانه مانند کنترل بار یا بی متال
• در سیستم های غیر الکترونیک با دقت پائین توصیه می شود از انواع رله های ولتاژی نیز استفاده کنید.