کلید حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟

کلید حرارتی، که در صنعت برق با نام Motor Protection Circuit Breaker یا به اختصار MPCB شناخته می شود، یکی از حیاتی ترین تجهیزات الکترومکانیکی برای تضمین ایمنی و پایداری موتورهای الکتریکی است. این دستگاه به طور اختصاصی طراحی شده تا موتورها را در برابر دو نوع خطای رایج و مخرب یعنی اضافه بار (Overload) و اتصال کوتاه (Short Circuit) محافظت کند. ترکیب این دو قابلیت حفاظتی در یک واحد، کلید حرارتی را به ابزاری ایده آل و قابل اعتماد برای مدارات موتوری تبدیل کرده است. در واقع، در پاسخ به این سوال که کلید حرارتی چیست و چه کاربردی دارد؟، باید گفت که این کلید، یک بریکر ترکیبی است که هم وظیفه قطع و وصل مدار را به صورت دستی بر عهده دارد و هم مکانیزم های خودکار تشخیص خطا (حرارتی و مغناطیسی) را برای جلوگیری از آسیب دیدن سیم پیچ های موتور در خود جای داده است.

در ادامه این مقاله از سه ستاره سمنان (تولید کننده لوله برق upvc) به بررسی انواع کلید های حرارتی و کاربرد هر کدام میپردازیم.

کلید حرارتی چیست؟

کلید حرارتی، اساساً یک راه انداز موتور دستی (Manual Motor Starter یا MMS) است که قابلیت حفاظت دوگانه را ارائه می دهد. این کلیدها در مدارهای تک فاز و سه فاز به کار می روند و جریان مجاز آن ها قابل تنظیم است. محدوده تنظیم جریان، معمولاً بین ۱ تا ۱۰ برابر جریان نامی موتور در نظر گرفته می شود.

وظایف اصلی کلید حرارتی عبارتند از:

1. سوئیچینگ دستی: امکان قطع و وصل کردن مدار موتور (مانند یک کلید ساده) با استفاده از شستی های ۰ و ۱ (خاموش و روشن).
2. حفاظت حرارتی در برابر اضافه بار: جلوگیری از آسیب دیدن موتور در برابر جریان های بیش از حد مجاز که در بازه زمانی طولانی تری رخ می دهند و منجر به افزایش دمای سیم پیچ ها می شوند.
3. حفاظت مغناطیسی در برابر اتصال کوتاه: قطع فوری مدار در برابر جریان های بسیار شدید و ناگهانی که در اثر اتصال کوتاه ایجاد می شوند.

این تجهیزات به گونه ای طراحی شده اند که هنگام راه اندازی موتور، که معمولاً جریان لحظه ای بسیار بالایی دارد، به سرعت عمل نکنند و به موتور اجازه دهند تا فرآیند راه اندازی را کامل کند؛ اما در صورت پایدار ماندن جریان بالا (اضافه بار)، پس از یک تأخیر زمانی مشخص، مدار را قطع کنند.

اجزای کلید حرارتی

برای درک بهتر عملکرد، لازم است با اجزای اصلی این کلید آشنا شویم. کلید حرارتی یک سیستم الکترومکانیکی پیچیده است که از ترکیب مکانیزم های حرارتی و مغناطیسی برای عمل قطع استفاده می کند. در ادامه اجزا مختلف آن را بررسی میکنیم :

 شستی قطع و وصل (اهرم یا دکمه)

کلیدهای حرارتی دارای یک مکانیزم دستی برای روشن و خاموش کردن موتور هستند. این اهرم معمولاً با حالت های “I” برای وصل (ON) و “O” برای قطع (OFF) مشخص می شود و به اپراتور اجازه می دهد تا موتور را بدون نیاز به تجهیزات جانبی مانند کنتاکتور راه اندازی یا متوقف کند.

 مکانیزم حرارتی (نوار بیمتال)

قلب بخش حفاظتی کلید در برابر اضافه بار، نوار دوفلزی یا بیمتال است. این نوار از دو لایه فلز با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت ساخته شده است. هنگامی که جریان بیش از حد مجاز از مدار عبور می کند، نوار داغ شده و به دلیل تفاوت در انبساط طولی فلزها، خم می شود. خم شدن نوار دوفلزی، به مکانیزم تریپ مکانیکی فشار آورده و کنتاکت ها را باز می کند. زمان مورد نیاز برای خم شدن و قطع مدار، با شدت جریان نسبت عکس دارد)؛ یعنی هرچه جریان اضافه بار بیشتر باشد، زمان قطع کوتاه تر خواهد بود.

 مکانیزم مغناطیسی (بوبین یا سیم پیچ)

این بخش مسئول حفاظت فوری در برابر خطای اتصال کوتاه است. مکانیزم مغناطیسی شامل یک سیم پیچ (بوبین) با تعداد دور کم و سطح مقطع بزرگ است که در مسیر جریان قرار دارد. هنگام بروز اتصال کوتاه، جریان به طور ناگهانی و بسیار زیاد افزایش می یابد. این جریان شدید، یک میدان مغناطیسی بسیار قوی در بوبین ایجاد می کند که باعث جذب یک آرمیچر یا پیستون فلزی می شود. حرکت سریع آرمیچر مستقیماً به مکانیزم تریپ فرمان داده و مدار را در کسری از ثانیه (تقریباً آنی) قطع می کند.

 کنتاکت ها و محفظه خاموش کننده جرقه (Arc Chute)

کنتاکت ها وظیفه برقراری و قطع جریان را بر عهده دارند. در هنگام قطع شدن مدار (به خصوص تحت جریان های بالا)، یک قوس الکتریکی (جرقه) بین کنتاکت ها ایجاد می شود. محفظه خاموش کننده جرقه شامل صفحات فلزی متعددی است که وظیفه دارند این قوس بزرگ را به چندین قوس کوچک تر تقسیم کرده و حرارت و انرژی آن را جذب و دفع کنند تا از آسیب به کلید و تجهیزات جلوگیری شود.

 پیچ تنظیم جریان

یکی از ویژگی های متمایز کلید حرارتی، امکان تنظیم رنج جریان حفاظتی است. یک پیچ یا دکمه تنظیم بر روی کلید وجود دارد که به کاربر اجازه می دهد تا جریان نامی موتور را بر روی آن تنظیم کند. این تنظیم معمولاً در محدوده ای خاص انجام می شود و باعث می شود حساسیت عملکرد بخش حرارتی متناسب با نیاز موتور تغییر کند.

نحوه کار کلید حرارتی

عملکرد کلید حرارتی بر اساس دو اصل فیزیکی مجزا اما مکمل استوار است که حفاظت کامل از موتور را در هر دو حالت اضافه بار و اتصال کوتاه تضمین می کند.

عملکرد حفاظتی در برابر اضافه بار (عملکرد حرارتی)

اضافه بار زمانی رخ می دهد که جریانی کمی بیشتر از جریان نامی، به صورت پیوسته از موتور عبور کند. این وضعیت می تواند ناشی از گیر کردن مکانیکی موتور، کاهش ولتاژ یا افزایش بار مکانیکی باشد.

1. عبور جریان: جریان از طریق نوار دو فلزی عبور می کند.
2. تولید گرما: جریان بیش از حد مجاز، طبق قانون ژول، گرمای زیادی تولید می کند.
3. خم شدن بیمتال: نوار دوفلزی گرم شده و به سمت فلزی که ضریب انبساط کمتری دارد، خم می شود.
4. تریپ با تاخیر: پس از مدت زمان مشخصی که به شدت جریان بستگی دارد، خم شدن نوار باعث تحریک اهرم تریپ شده و مدار قطع می شود. این تاخیر زمانی، به موتور اجازه می دهد تا جریان هجومی را در زمان راه اندازی تحمل کند.

 عملکرد حفاظتی در برابر اتصال کوتاه (عملکرد مغناطیسی)

اتصال کوتاه یک خطای جدی است که در آن جریان به طور ناگهانی و چند ده برابر جریان نامی افزایش می یابد.

1. افزایش شدید جریان: جریان بسیار زیاد اتصال کوتاه از بوبین عبور می کند.
2. ایجاد میدان قوی: این افزایش جریان، یک میدان مغناطیسی بسیار قدرتمند در اطراف بوبین ایجاد می کند.
3. جذب آرمیچر: میدان مغناطیسی، آرمیچر فلزی را به سرعت جذب می کند.
4. قطع فوری: حرکت آرمیچر مستقیماً مکانیزم تریپ را فعال کرده و مدار را تقریباً آنی قطع می کند. این سرعت عمل برای جلوگیری از سوختن لحظه ای سیم پیچ ها و آسیب های جدی به مدار، ضروری است.

انواع کلید حرارتی

انواع کلید حرارتی را می توان بر اساس مکانیزم عملکرد یا فازهای تحت پوشش دسته بندی کرد:

 انواع کلید حرارتی بر اساس عملکرد حفاظتی

1. کلید حرارتی مغناطیسی (Thermal-Magnetic MPCB): این رایج ترین نوع کلید است که ترکیبی از حفاظت حرارتی (برای اضافه بار) و حفاظت مغناطیسی (برای اتصال کوتاه) را در یک پکیج ارائه می دهد.
2. کلید حرارتی الکترونیکی (MPCB Electronic): در این نوع کلیدها، به جای استفاده از مکانیزم بی متال، از ریزپردازنده ها (میکروپروسسورها) و سنسورهای الکترونیکی برای نظارت دقیق بر پارامترهای موتور (جریان، دما، عدم تعادل فاز و …) استفاده می شود. این کلیدها دقت و انعطاف پذیری بسیار بالاتری در تنظیمات حفاظتی دارند و قابلیت تشخیص خطاهای پیچیده تر مانند افت فاز را فراهم می کنند.
3. کلید حرارتی بی متالی (Bimetal Thermal Switch): اگرچه کلید حرارتی به طور کلی شامل هر دو مکانیزم است، اما در برخی دسته بندی ها، کلیدهایی که صرفاً بر مکانیزم حرارتی بیمتال تکیه دارند (مانند رله های اضافه بار حرارتی ساده)، نیز ذکر می شوند. این تجهیزات اغلب به کنتاکتور نیاز دارند تا بتوانند مدار قدرت را قطع کنند.

 انواع کلید حرارتی بر اساس نوع مدار

1. کلید حرارتی تک فاز: برای محافظت از موتورهای کوچک تک فاز و تجهیزاتی مانند پمپ های تک فاز به کار می روند.
2. کلید حرارتی سه فاز: پرکاربردترین نوع هستند و برای حفاظت از موتورهای القایی سه فاز در محیط های صنعتی استفاده می شوند. این کلیدها دارای سه پل قدرت ورودی و خروجی هستند.

مزایای استفاده از کلید حرارتی

استفاده از کلید حرارتی نسبت به روش های سنتی حفاظتی مانند بیمتال و فیوز مجزا مزایای متعددی دارد که آن را به گزینه ترجیحی در تابلو برق های صنعتی تبدیل کرده است:

1. حفاظت دوگانه در یک واحد: کلید حرارتی به طور همزمان موتور را در برابر دو خطر اصلی (اضافه بار و اتصال کوتاه) محافظت می کند و نیاز به نصب دو قطعه جداگانه را از بین می برد.
2. امکان تنظیم دقیق جریان: رنج جریانی کلید قابل تنظیم است و می توان آن را دقیقاً بر اساس جریان نامی موتور تنظیم کرد، که این امر حفاظت بهینه تری را فراهم می آورد.
3. قابلیت قطع مستقیم مدار قدرت: کلید حرارتی مستقیماً کنتاکت های اصلی مدار قدرت را باز می کند، در حالی که رله بیمتال تنها مدار فرمان کنتاکتور را قطع می کند و عملکرد آن وابسته به سلامت کنتاکتور است.
4. قطع زیر بار : این کلیدها قابلیت قطع و وصل دستی مدار را در حین کار موتور دارند.
5. کاهش فضای تابلو برق: تجمیع دو حفاظت در یک قطعه، باعث صرفه جویی در فضای نصب در تابلو برق می شود.
6. قابلیت استفاده مجدد: پس از رفع خطا، کلید حرارتی به راحتی قابل ریست و راه اندازی مجدد است، در حالی که فیوزها نیاز به تعویض دارند.

مشکلات کلید حرارتی

با وجود مزایای فراوان، کلیدهای حرارتی محدودیت ها و مشکلاتی نیز دارند که باید در نظر گرفته شوند:

1. حساسیت به دمای محیط: از آنجا که مکانیزم حرارتی بر پایه دما کار می کند، اگر کلید در محیطی با دمای بسیار بالا یا پایین تر از حد استاندارد نصب شود، ممکن است در جریان هایی کمتر یا بیشتر از حد تنظیم شده عمل کند (عملکرد زود هنگام یا تأخیر در قطع). برای حل این مشکل در محیط های خاص، باید از کلیدهای دارای جبران ساز دمایی استفاده کرد.
2. عدم تشخیص دقیق افت فاز: در موتورهای سه فاز، اگر یکی از فازها قطع شود (تک فاز شدن)، جریان دو فاز باقیمانده به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. کلید حرارتی این افزایش را به عنوان اضافه بار تشخیص داده و عمل می کند، اما در برخی موارد با افت فازهای خفیف تر یا بارهای سبک، ممکن است مکانیزم حرارتی با تاخیر عمل کند. البته کلیدهای الکترونیکی این مشکل را برطرف کرده اند.
3. نیاز به هماهنگی با کنتاکتور: در صورت استفاده از کلید حرارتی برای راه اندازی موتور از راه دور یا در مدارهای پیچیده، همچنان به یک کنتاکتور برای کنترل از طریق مدار فرمان نیاز است.

کاربرد کلید حرارتی

کلیدهای حرارتی در هر جایی که موتور الکتریکی به عنوان مصرف کننده وجود دارد و نیاز به حفاظت مطمئن دارد، استفاده می شوند. این تجهیزات به دلیل دقت و قابلیت اطمینان بالا، جزء جدایی ناپذیر سیستم های کنترل صنعتی هستند.

بیشترین و مهمترین کاربرد کلید حرارتی در تابلو برق صنعتی است. در تابلو برق، کلیدهای حرارتی به عنوان بریکر اصلی محافظت از فیدرهای موتوری (مدارهایی که مستقیماً به موتور متصل می شوند) عمل می کنند.

نتیجه گیری

کلید حرارتی یا MPCB، یک راه حل حفاظتی مدرن و کارآمد است که حفاظت دوگانه حرارتی و مغناطیسی را برای موتورهای الکتریکی فراهم می کند. توانایی این کلید در قطع مستقیم مدار قدرت، امکان تنظیم دقیق جریان و قابلیت استفاده مجدد پس از رفع خطا، آن را به انتخابی برتر نسبت به ترکیب سنتی بیمتال و فیوز تبدیل کرده است.

در محیط های صنعتی، به ویژه در تابلو برق های کنترل موتور، استفاده از کلید حرارتی نه تنها ایمنی تجهیزات گران قیمت مانند الکتروموتورها را تضمین می کند، بلکه با جلوگیری از توقف های ناگهانی، به حفظ بهره وری و استمرار فرآیندهای تولید نیز کمک شایانی می نماید. شناخت دقیق اجزا و نحوه عملکرد این کلید، برای هر مهندس برق و تکنسین صنعتی ضروری است.

سوالات متداول