تماس شبانه روزی
02133949878 - 02133112556
موبایل - 24/7
09125882981
بیمتال حفاظت در برابر اضافه بار (Overload Protection) یکی از حیاتی‌ترین جنبه‌های مهندسی برق قدرت و اتوماسیون صنعتی است. موتورهای الکتریکی، سیم‌پیچ‌ها و سایر تجهیزات مصرف‌کننده جریان، در صورت عبور جریانی فراتر از حد نامی برای مدت زمان مشخص، دچار افزایش دمای بیش از حد شده و آسیب‌های جبران‌ناپذیری متحمل می‌شوند. در میان روش‌های مختلف حفاظتی، رله‌های حرارتی دو فلزی (Bimetal Overload Relays) به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا و هزینه مقرون‌به‌صرفه، همچنان به عنوان استاندارد صنعتی در بسیاری از کاربردها باقی مانده‌اند. این مقاله به تشریح عمیق مکانیسم کاری، ساختار، مزایا و محدودیت‌های این رله‌های کلاسیک می‌پردازد.
قلب تپنده هر رله حرارتی دو فلزی، نوار یا سیم دو فلزی (Bimetal Strip) است. این المنت بر اساس خاصیت انبساط حرارتی متفاوت دو فلز متفاوت ساخته می‌شود.
یک نوار دو فلزی از اتصال محکم و دائمی دو لایه یا دو نوار از فلزات مختلف که دارای ضرایب انبساط حرارتی (Coefficient of Thermal Expansion – CTE) متفاوتی هستند، تشکیل شده است. این اتصال معمولاً از طریق لحیم‌کاری سخت، جوشکاری یا پرچ کردن مکانیکی با دقت بالا صورت می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که هیچ لغزشی بین لایه‌ها در هنگام تغییر دما وجود ندارد.
انتخاب مواد تعیین‌کننده میزان حساسیت و دامنه دمایی کاری رله است. مواد مورد استفاده باید دارای خواص زیر باشند:
ضریب انبساط حرارتی متفاوت: اختلاف زیاد در CTE باعث تغییر شکل قابل توجه با تغییرات دمایی کوچک می‌شود.
مقاومت الکتریکی مشخص: المنت باید جریان بار اضافی را هدایت کند تا خود گرم شود (گرمایش اهمی).
پایداری مکانیکی و شیمیایی: مقاومت در برابر خوردگی و حفظ خواص در طول عمر طولانی.
آلیاژهای نیکل-فولاد: مانند اینوار (Invar) که ضریب انبساط بسیار پایینی دارد، در ترکیب با فلزاتی مانند مس یا برنج که ضریب انبساط بالایی دارند.
فلزات پایه: مس، برنج، آهن یا استیل ضد زنگ.
جریان بار اضافی از طریق این نوار عبور کرده و از طریق اثر ژول ($P = I^2R$) باعث تولید حرارت می‌شود. این حرارت به طور یکنواخت در دو لایه توزیع نمی‌شود، بلکه لایه‌ای که دارای CTE بالاتری است، بیشتر منبسط شده و تلاش می‌کند طول بیشتری پیدا کند، در حالی که لایه دیگر مانع می‌شود.
هنگامی که جریان اضافه بار (مثلاً ۱.۵ برابر جریان نامی) از رله عبور می‌کند، گرمای تولیدی در المنت دو فلزی افزایش می‌یابد. فرآیند تغییر شکل به صورت زیر است:
تولید گرما: توان حرارتی تولید شده متناسب با مجذور جریان است .
اختلاف دمای موضعی: اگرچه هر دو لایه گرم می‌شوند، اما لایه با ضریب انبساط بالاتر سریع‌تر و بیشتر منبسط می‌شود نسبت به لایه با ضریب انبساط پایین‌تر
خم شدن (Bending): این اختلاف طولی اجباری باعث می‌شود که نوار دو فلزی به سمت فلزی که ضریب انبساط کمتری دارد، خم شود. میزان خمش تقریباً متناسب با طول نوار ، ضخامت آن و اختلاف ضرایب انبساطو تغییر دما است.
فرمول تقریبی برای خمش در یک نوار دو فلزی (در شرایط باریک بودن نوار) به صورت زیر است:
این تغییر شکل مکانیکی، به یک سیستم اهرمی و ماشه (Trip Mechanism) متصل است. پس از رسیدن خمش به حد مشخصی، نیروی کافی برای فعال‌سازی یک سوئیچ داخلی (معمولاً از نوع لحظه‌ای یا مکانیزمی با تأخیر زمانی) ایجاد شده و مدار فرمان قطع می‌شود و در نهایت کنتاکتور اصلی را از حالت وصل خارج می‌کند.
روش‌های مدرن‌تری مانند استفاده از سنسورهای نیمه‌هادی (مانند ترمیستورها یا سنسورهای مجتمع دما) برای حفاظت حرارتی وجود دارند. مقایسه بیمتال با این روش‌ها نکات مهمی را روشن می‌سازد:
نتیجه مقایسه: بیمتال‌ها به دلیل سادگی فیزیکی و هزینه پایین، برای حفاظت استاندارد اضافه بار (که معمولاً منحنی حفاظتی مشخصی دارد) ایده‌آل هستند. سنسورهای نیمه‌هادی در کاربردهایی که نیاز به دقت بسیار بالا، حفاظت از راه دور یا پروفایل‌های حرارتی بسیار پیچیده وجود دارد، برتری دارند.
انتخاب رله بیمتال نیازمند درک دقیق نقاط قوت و ضعف آن در محیط عملیاتی است.
محافظت ذاتی $I^2t$ (تأخیر زمانی): مکانیزم بیمتال به طور طبیعی یک منحنی زمان-جریان (Time-Current Characteristic) ارائه می‌دهد که شبیه به تأثیر حرارتی واقعی بر روی موتور است. جریان‌های کمی بالاتر، زمان بیشتری برای رسیدن به نقطه قطع نیاز دارند، دقیقاً همان چیزی که برای راه‌اندازی موتورهای دارای اینرسی بالا مورد نیاز است.
عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی: رله‌های بیمتال کاملاً با جریان محافظت شونده تغذیه می‌شوند و نیازی به ولتاژ کمکی ندارند.
ایمنی و پایداری محیطی: به دلیل ماهیت کاملاً مکانیکی، در برابر نوسانات ولتاژ و نویزهای الکترومغناطیسی (EMI) بسیار مقاوم هستند.
قابلیت اطمینان بالا: تعداد قطعات متحرک محدود است و عملکرد آن بر پایه اصول فیزیکی ثابت استوار است.
عدم جبران دمای محیط (Ambient Temperature Compensation): این بزرگترین نقطه ضعف است. اگر دمای محیط کارکرد رله بالا باشد (مثلاً در تابستان گرم یا داخل تابلوهای فاقد تهویه)، المنت از قبل مقداری گرم شده است. در نتیجه، برای رسیدن به نقطه تریپ، جریان کمتری نسبت به جریان نامی مورد نیاز است و رله زودتر عمل می‌کند (حفاظت بیش از حد). رله‌های با کیفیت بالا از مکانیزم‌های پیچیده‌تر برای جبران این اثر استفاده می‌کنند.
سرعت واکنش کم در جریان‌های بسیار بالا: در مدارهای حفاظت از اتصال کوتاه (که بسیار سریع‌تر از اضافه بار هستند)، رله‌های بیمتال کند هستند و باید توسط فیوز یا مدارشکن مغناطیسی مکمل شوند.
دقت کمتر نسبت به روش‌های الکترونیکی: دقت رله‌های بیمتال معمولاً در محدوده جریان نامی است.
تنظیم صحیح رله برای اطمینان از محافظت بهینه موتور و جلوگیری از تریپ‌های کاذب حیاتی است.
رله‌های بیمتال دارای یک پیچ تنظیم (Dial) هستند که امکان تغییر موقعیت مکانیکی المنت یا اهرم محرک را فراهم می‌کند.
تعیین جریان نامی موتور ($I_{Motor}$): این جریان از پلاک موتور استخراج می‌شود.
انتخاب جریان رله: رله باید طوری تنظیم شود که جریان تنظیم شده آن برابر یا کمی بالاتر از جریان نامی موتور باشد. استانداردها معمولاً اجازه تنظیم بین $100%$ تا $125%$ جریان نامی موتور را می‌دهند.
تنظیم: با چرخاندن پیچ تنظیم، نوار دو فلزی به صورت پیش‌بارگذاری شده (Pre-loaded) تنظیم می‌شود. چرخش به سمت “OFF” یا “MIN” باعث می‌شود که خمش کمتری برای رسیدن به نقطه تریپ لازم باشد (حساسیت بیشتر).
تست عملکرد بیمتال معمولاً به دو روش انجام می‌شود:
الف) تست تزریق جریان (Primary Injection Test):
این روش دقیق‌ترین تست است و مستلزم تزریق جریان متناوب (AC) بسیار بالاتر از جریان نامی به طور مستقیم از طریق کنتاکت‌های اصلی رله (از طریق سنسور جریان یا CT) است.
رله روی جریان تنظیم شده (مثلاً $10A$) تنظیم می‌شود.
جریان تست (مثلاً $3$ برابر جریان نامی یا $30A$) تزریق می‌شود.
زمان اندازه‌گیری می‌شود تا رله کنتاکت کمکی خود را باز کند. زمان تریپ باید در محدوده منحنی مشخص شده توسط سازنده برای آن جریان خاص باشد (مثلاً برای 3 برابر جریان نامی، زمان تریپ باید بین 2 تا 10 ثانیه باشد).
ب) تست جریان ثانویه (Secondary Injection Test):
این روش ساده‌تر است و شامل تزریق جریان به سیم‌پیچ‌های تحریک خارجی رله (در صورت وجود سنسورهای جریان خارجی) یا استفاده از تجهیزات تست قابل حمل برای شبیه‌سازی گرمایش است. این تست معمولاً برای تأیید عملکرد مکانیسم تریپ و باز شدن کنتاکت‌های کمکی استفاده می‌شود، نه برای تأیید دقیق منحنی $I^2t$.
رله‌های حرارتی دو فلزی همچنان ستون فقرات حفاظت اضافه بار در کاربردهای عمومی صنعتی هستند. درک دقیق از نحوه انبساط حرارتی، انتخاب مواد و محدودیت‌های محیطی آن‌ها، مهندسان را قادر می‌سازد تا انتخابی بهینه بین سادگی، هزینه و قابلیت اطمینان داشته باشند. در حالی که فناوری‌های جدید دقت‌های بالاتری ارائه می‌دهند، سادگی ذاتی و هزینه پایین بیمتال، موقعیت آن را در تابلوهای برق سراسر جهان تثبیت کرده است.
