تعریف بیمتال و اصول عملکرد آن
بیمتال (Bimetal) یا رله حرارتی، یک نوع قطعه حفاظتی الکتریکی است که برای محافظت از موتورهای الکتریکی در برابر شرایط اضافهبار بهکار میرود. ساختار بیمتال از اتصال محکم دو فلز ناهمجنس تشکیل شده است؛ دو فلزی که ضریب انبساط حرارتی متفاوتی دارند و به صورت یک نوار دوفلزی به هم جوش داده شدهاند. هنگامی که جریان الکتریکی از بیمتال عبور میکند، این دو فلز گرم شده و طولشان افزایش مییابد. از آنجا که نرخ انبساط یکی از فلزها بیشتر از دیگری است، کل نوار دوفلزی به سمت فلزی که ضریب انبساط کمتری دارد خم میشود. این خمشدن نوار بیمتال موجب تغییر وضعیت کنتاکت داخلی رله و در نتیجه باز شدن مدار (قطع جریان) میگردد. بنابراین، اساس کار بیمتال استفاده از اختلاف ضریب انبساط دو فلز برای تشخیص گرمای ناشی از عبور جریان اضافی است. در حالت عادیِ جریان نامی، حرارت تولیدشده برای خم کردن نوار دو فلزی کافی نیست و رله عمل نمیکند؛ اما در شرایط اضافهبار که جریان بیش از حد مجاز برای مدتی ادامه یابد، گرمای حاصل باعث خم شدن تدریجی نوار دو فلزی و نهایتاً فعال شدن مکانیزم قطع رله خواهد شد. به این ترتیب، بیمتال با قطع مدار از داغشدن بیش از حد سیمپیچ موتور جلوگیری میکند و مانع آسیب دیدن موتور میشود.
ساختار فیزیکی بیمتال در رلههای حرارتی
یک رله حرارتی بیمتال معمولاً شامل اجزای مکانیکی و الکتریکی متعددی است که عملکرد صحیح آن را ممکن میسازد. جریان موتور سهفاز پس از خروجی کنتاکتور وارد بیمتال میشود؛ بیمتال دارای سه پل قدرت (تیغههای حامل جریان برای هر فاز) است که میتواند مستقیماً در مسیر سه فاز موتور قرار گیرد. هر پل متشکل از یک المنت حرارتی (هیتر) و نوار دو فلزی مرتبط با آن است. با عبور جریان از هر المنت، حرارت تولیدشده به نوار دو فلزی همان فاز منتقل میشود و در نتیجه نوار شروع به خمشدن میکند. این سه تیغه بیمتال به یک مکانیسم مشترک متصلاند تا در صورت خم شدن هر کدام بیش از حد مجاز، مکانیزم تریپ (قطع) فعال شود. معمولاً حرکت نوار دو فلزی به یک اهرم یا مکانیزم فنری منتقل میشود که مجموعهای از کنتاکتهای کمکی را تغییر وضعیت میدهد. این کنتاکتهای کمکی شامل یک تیغه NC (به طور معمول بسته، با ترمینالهای شماره 95-96) و یک تیغه NO (به طور معمول باز، شماره 97-98) هستند. تیغه NC در حالت عادی بسته بوده و در مدار فرمان موتور استفاده میشود، در حالی که تیغه NO میتواند برای مدارهای هشدار (سیگنالدهی) بهکار رود.
شکل بالا یک رله اضافهبار حرارتی بیمتال (مدل Telemecanique با بازه تنظیم 90–150 آمپر) و اجزای اصلی آن را نشان میدهد. روی این رله یک پیچ تنظیم جریان (برای تنظیم جریان نامی موتور) تعبیه شده است و همچنین دکمههایی برای تست عملکرد رله و ریست (Reset) دستی وجود دارد. در برخی مدلها یک کلید انتخاب وضعیت دستی/خودکار نیز دیده میشود که تعیین میکند پس از عمل کردن رله، بازگشت آن به حالت عادی بهصورت خودکار انجام شود یا نیاز به ریست دستی داشته باشد. علاوه بر این، ترمینالهای ورودی و خروجی جهت اتصال به کنتاکتور (پایانههای L1, L2, L3) و اتصال به کابلهای موتور (پایانههای T1, T2, T3) روی بدنه رله تعبیه شدهاند. به طور خلاصه، ساختار فیزیکی بیمتال شامل بخشهای قدرت (تیغههای حامل جریان و هیترها)، بخش حساس حرارتی (نوارهای دوفلزی)، مکانیزمهای انتقال حرکت و فنر تریپ، کنتاکتهای کمکی فرمان، و اجزای تنظیم و کنترل (پیچ تنظیم جریان، دکمه تست، دکمه ریست و موارد مشابه) است.
نحوه استفاده از بیمتال در مدارهای قدرت و حفاظت موتور
بیمتال به طور گسترده در مدارهای قدرت موتورهای الکتریکی بهعنوان رله اضافهبار بهکار میرود. معمولاً بیمتال را در تابلوهای برق صنعتی، در زیر کنتاکتور و به صورت کوپل (چفتشونده) با آن نصب میکنند تا یک مدار راهانداز موتور کامل تشکیل شود. در این ترکیب، بیمتال در مسیر جریان موتور (بعد از کنتاکتور) قرار گرفته و تیغه NC آن در مدار فرمان کنتاکتور به صورت سری قرار میگیرد. بدینترتیب تا زمانی که شرایط عادی برقرار است، تیغه NC بسته بوده و بوبین کنتاکتور را فعال نگه میدارد؛ اما به محض وقوع اضافهبار و عمل کردن بیمتال، تیغه NC باز شده و مدار فرمان کنتاکتور قطع میشود و در نتیجه کنتاکتور آزاد شده و برق سهفاز موتور نیز قطع میگردد. توجه داشته باشید که خود بیمتال توان قطع مستقیم مدار قدرت را ندارد و صرفاً با باز کردن مدار فرمان، فرمان قطع را به کنتاکتور صادر میکند.
برای مثال، در صورت گیر کردن مکانیکی یک پمپ صنعتی و بالا رفتن غیرعادی جریان موتور، بیمتال پس از تأخیر لازم مدار را قطع میکند تا از آسیبدیدن موتور جلوگیری شود. پس از رفع مشکل و خنک شدن رله، میتوان بیمتال را ریست کرده و موتور را دوباره راهاندازی نمود. بسیاری از بیمتالها دارای دو حالت عملکرد دستی و خودکار برای ریست هستند؛ در حالت دستی پس از تریپ باید دکمه ریست فشار داده شود، اما در حالت خودکار رله پس از خنک شدن تیغه دوفلزی به طور خودکار به وضعیت وصل بازمیگردد. انتخاب حالت ریست بسته به حساسیت مدار صورت میگیرد (برای ایمنی معمولاً حالت دستی ترجیح داده میشود تا اپراتور حتماً از وقوع خطا آگاه شود). همچنین اپراتور میتواند با استفاده از دکمه Test تعبیهشده روی بیمتال، صحت عملکرد مدار فرمان را بهصورت دورهای آزمایش کند.
عملکرد بیمتال در برابر اضافهبار و تفاوت با حفاظت مغناطیسی و فیوز
ویژگی مهم بیمتال در مواجهه با جریانهای اضافهبار، داشتن تاخیر زمانی وابسته به شدت جریان است. رله بیمتالیک یک نوع رله زمان-جریان معکوس محسوب میشود؛ هرچه مقدار اضافهجریان بیشتر باشد بیمتال سریعتر گرم شده و زودتر عمل میکند، اما اضافهجریانهای کوچکتر را میتواند مدت بیشتری تحمل کند. این خاصیت باعث میشود بیمتال به جریانهای هجومی یا لحظهای (مثلاً جریان بالای لحظهی راهاندازی موتور) بلافاصله واکنش نشان ندهد و تنها در صورت تداوم جریان زیاد مدار را قطع کند. بنابراین بیمتال برای حفاظت در برابر اضافهبارهای طولانیمدت که موجب گرم شدن تدریجی موتور میشوند ایدهآل است، اما برای خطاهای ناگهانی و شدید (مانند اتصال کوتاه) مناسب نیست.
در مقابل، حفاظتهای مغناطیسی (نظیر بخش مغناطیسی کلیدهای محافظ موتور یا رلههای اضافهجریان آنی) عملکردی تقریباً آنی در برابر جریانهای بسیار بزرگ دارند. سازوکار این حفاظتها بر اساس نیروی مغناطیسی ناشی از جریان زیاد است؛ به محض عبور جریان فوقالعاده بالا (چند برابر جریان نامی)، نیروی مغناطیسی ایجادشده در سیمپیچ یا شنت، مکانیزم قطع را فوراً آزاد میکند. این نوع حفاظت برای واکنش سریع به اتصال کوتاه یا خطاهای سنگین ضروری است، زیرا بیمتال به دلیل ماهیت حرارتی خود نمیتواند با سرعت کافی در برابر این جریانهای ناگهانی عکسالعمل نشان دهد. به همین دلیل در مدار موتور معمولاً از ترکیب فیوز یا کلید حرارتی-مغناطیسی در کنار بیمتال استفاده میشود تا هر دو نوع حفاظت تأمین گردد: حفاظت لحظهای در برابر اتصال کوتاه و حفاظت تأخیری در برابر اضافهبار.
فیوزها نیز نوعی حفاظت سریع در برابر اضافهجریان هستند که با ذوب شدن عنصر داخلیشان مدار را قطع میکنند. فیوز برای حفاظت مدار (سیمها و تجهیزات در برابر جریانهای زیاد) به کار میرود، در حالی که بیمتال بیشتر معطوف به حفاظت خود موتور در برابر گرمای ناشی از اضافهبار است. فیوزها برخلاف بیمتال قابل تنظیم مجدد یا تغییر آستانه جریان نیستند و پس از عمل کردن باید تعویض شوند. همچنین سرعت عملکرد فیوز معمولاً از بیمتال بیشتر است، اما در مجموع ترکیب این دو وسیله حفاظتی مکمل یکدیگر بوده و ایمنی کاملتری را فراهم میکند. به بیان دیگر، یک رله حرارتی بیمتال میتواند بدون قطع کردن بریکر اصلی، فرمان خاموش کردن موتور را صادر کرده و از صدمه دیدن آن جلوگیری کند؛ در حالی که در صورت وقوع اتصال کوتاه شدید، این فیوز یا مدارشکن است که بلافاصله جریان را قطع خواهد کرد.
انواع بیمتال از نظر بازه جریان و نحوه تنظیم
بیمتالهای حرارتی در گسترهی وسیعی از جریانهای نامی ساخته میشوند تا حفاظت موتورهای گوناگون را پوشش دهند. هر بیمتال یک بازهی تنظیم جریان مشخص دارد که به صورت دو عدد (حداقل و حداکثر جریان قابل تنظیم) بیان میشود. برای مثال، یک بیمتال با بازهی 6–10 آمپر را میتوان برای موتورهایی با جریان نامی بین 6 تا 10 آمپر بهکار برد. توصیه میشود بیمتالی انتخاب کنید که محدوده جریان نامی آن اندکی بزرگتر و کوچکتر از جریان موتور را در بر بگیرد (به عبارتی جریان موتور در میانه بازه تنظیم قرار گیرد). معمولاً روی بدنه رله یک پیچ یا ولوم درجهبندیشده وجود دارد که به کمک آن میتوان مقدار جریان مورد نظر را بر اساس جریان نامی موتور تنظیم کرد. در بهرهبرداری عادی، رله اجازه میدهد جریان تا مقدار تنظیمشده عبور کند و اگر جریان موتور از این مقدار فراتر رود (مثلاً بیش از 1.2 برابر جریان تنظیمشده برای مدتی مشخص)، رله عمل میکند. به همین دلیل، انتخاب و تنظیم صحیح بیمتال (متناسب با مشخصات موتور) بسیار حائز اهمیت است.
بیمتالهای با جریان پایین (تا دهها آمپر) مستقیماً در مسیر فازها قرار میگیرند، اما در جریانهای بسیار بالا معمولاً از طراحیهای غیرمستقیم یا رلههای اضافهبار الکترونیکی (مجهز به CT) استفاده میشود. این نوع رلهها توسط حسگرهای جریان، عبور جریان را تشخیص داده و امکان حفاظت موتورهای بزرگتر را نیز فراهم میکنند.
نکات مهم در انتخاب و نصب بیمتال
در هنگام انتخاب و نصب بیمتال مناسب برای یک موتور، رعایت نکات زیر توصیه میشود:
- تطابق جریان بیمتال با موتور: بیمتالی را برگزینید که محدوده جریان نامی آن، جریان کاری موتور را پوشش دهد. به عبارت دیگر، جریان نامی موتور باید در میانه بازه تنظیم بیمتال قرار گیرد. سپس بیمتال را روی جریان نامی موتور تنظیم نمایید (در صورت بالا بودن جریان راهاندازی موتور، میتوان مقدار تنظیم را کمی بیش از جریان نامی انتخاب کرد).
- سازگاری با کنتاکتور: بیمتال از نظر مکانیکی (ابعاد فیزیکی و محل ترمینالها) باید با کنتاکتور مربوطه همخوانی داشته باشد. اغلب رلههای حرارتی طوری طراحی شدهاند که بهصورت مستقیم زیر کنتاکتورهای همان سری متصل شوند. در صورتی که نیاز به ترکیب بیمتال و کنتاکتور از برندهای متفاوت باشد، ممکن است به آداپتور نصب یا کیت اتصال ویژه نیاز پیدا کنید.
- تنظیم حالت ریست: بسته به حساسیت مدار، حالت ریست رله (دستی یا خودکار) را بهدرستی انتخاب کنید. در بسیاری از کاربردها ریست دستی ترجیح داده میشود تا اپراتور پس از بروز خطا، علت را بررسی کرده و سپس سیستم را مجدداً راهاندازی کند. حالت خودکار زمانی مفید است که نظارت مداوم وجود داشته باشد و توقف موقت سیستم بدون دخالت اپراتور قابل قبول باشد.
- نصب صحیح در مدار: بیمتال همواره در خروجی کنتاکتور و در مسیر هر سه فاز موتور نصب میشود. ترمینالهای ورودی بیمتال (L1, L2, L3) را به خروجی کنتاکتور وصل کنید و ترمینالهای خروجی (T1, T2, T3) را به سیمپیچهای موتور متصل نمایید. همچنین کنتاکت NC بیمتال (ترمینالهای 95-96) باید به صورت سری در مدار فرمان کنتاکتور قرار گیرد تا در صورت تریپ، فرمان قطع به بوبین کنتاکتور اعمال شود.
با رعایت موارد فوق، بیمتال انتخابشده بهترین حفاظت را برای موتور فراهم کرده و از خاموشیهای ناخواسته یا صدمات به تجهیزات جلوگیری خواهد کرد.
مزایا و محدودیتهای استفاده از بیمتال
مزایای بیمتال: رلههای حرارتی بیمتال به دلیل سادگی و قابلاعتماد بودن، همچنان به طور گسترده در حفاظت موتورهای الکتریکی به کار میروند. مهمترین مزایای بیمتال عبارتند از:
- محافظت مؤثر از موتور در برابر اضافهبار: بیمتال از گرمشدن بیشازحد موتور جلوگیری کرده و با قطع بهموقع، مانع سوختن سیمپیچها میشود.
- قابلیت تنظیمپذیری: بیمتال دارای درجه تنظیم جریان است و میتوان آن را دقیقاً متناسب با جریان نامی موتور تنظیم کرد. این ویژگی نسبت به حفاظتهای غیرقابلتنظیم (مانند فیوز) انعطاف بیشتری فراهم میکند. همچنین عملکرد قطع آن در محدوده جریان تنظیمشده قابل اطمینان و تکرارپذیر است.
- ساختار ساده و هزینه پایین: بیمتال از نظر مکانیکی-حرارتی ساختار سادهای دارد و نسبت به رلههای حفاظتی پیشرفتهتر (مانند انواع الکترونیکی) ارزانتر است. علاوه بر این، نصب و بهرهبرداری آن آسان بوده و معمولاً امکان نصب مستقیم روی کنتاکتور را دارد.
محدودیتها و معایب بیمتال: در کنار مزایا، بیمتال محدودیتها و نقاط ضعفی نیز دارد:
- قطع نکردن مدار قدرت بهصورت مستقیم: بیمتال خودش نمیتواند مستقیماً مدار اصلی را قطع کند و تنها با باز کردن مدار فرمان، وسیله دیگری (مانند کنتاکتور یا بریکر) را وادار به قطع مدار میکند. بنابراین همیشه نیاز به یک قطعکننده کمکی در مسیر قدرت خواهد بود.
- وابستگی به گرما و دمای محیط: المنت حرارتی بیمتال در مسیر جریان علاوه بر ایجاد مقداری تلفات انرژی، منحنی عملکرد رله را نسبت به تغییرات دمای محیط حساس میکند. در نتیجه تغییرات شدید دما میتواند زمانبندی عملکرد بیمتال را دستخوش اختلال کرده یا موجب تریپ زودتر/دیرتر از حد تنظیمشده شود.
- عدم تشخیص کاهش جریان یا بیباری: بیمتال تنها به اضافهجریان حساس است و افت جریان یا بیباری موتور را تشخیص نمیدهد. بنابراین برای حفاظت در برابر این وضعیتها باید از رلههای مکمل نظیر رله کنترل فاز یا حسگرهای حرارتی استفاده کرد.
- پاسخدهی کند در برابر اتصال کوتاه: همانطور که اشاره شد، بیمتال در برابر جریانهای بسیار زیاد و ناگهانی (اتصال کوتاه) واکنش سریعی ندارد و نمیتواند بهتنهایی جلوی آسیب را بگیرد. به همین دلیل باید همراه با تجهیزات قطع سریع مانند فیوز یا حفاظت مغناطیسی در مدار به کار رود.
با توجه به موارد فوق، بیمتال یک راهحل مؤثر و مقرونبهصرفه برای حفاظت اغلب موتورهای الکتریکی در برابر اضافهبار محسوب میشود. البته برای دستیابی به حفاظت کاملتر، توصیه میشود بیمتال با دیگر ادوات حفاظتی (مانند فیوزها، کلیدهای حرارتی-مغناطیسی یا رلههای الکترونیکی) به صورت مکمل در مدار استفاده شود.
