رله کنترل بار چیست؟

همانطور که می‌دانید موتور الکتریکی یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مصرف‌کننده‌های الکتریکی است. کنترل جریان عبوری از این تجهیز بسیار ضروری است. در صورت عبور جریانی فراتر از مقدار نامی، عملکرد موتور تا حد زیادی تحت تاثیر قرار می‌گیرد و حتی منجر به سوختن آن می‌شود. با استفاده از رله‌ کنترل بار می‌توان از بروز چنین شرایطی جلوگیری کرد. در این مقاله با رله‌ کنترل بار به‌عنوان یک تجهیز حفاظتی و تفاوت‌های آن با بی‌متال آشنا خواهید شد.

مهم‌ترین تجهیزات حفاظتی صنعت برق را در دوره آموزش برق صنعتی ماهر بررسی کرده‌ایم. برای مشاهده بخشی از ویدئو های رایگان دوره برق صنعتی در انتهای مقاله شماره خود را وارد کنید تا لینک ویدئو برای شما پیامک گردد

اضافه بار چیست؟

یکی از خطاهایی که ممکن است برای یک مدار رخ دهد، خطای اضافه بار است. وقتی از یک عملگر بیش از ظرفیت و توانایی آن استفاده کنیم، خطای اضافه بار رخ می‌دهد. اگر خطای اضافه بار به موقع تشخیص داده نشود، خسارت‌های سنگینی در تجهیزات الکتریکی ایجاد خواهد کرد. یکی از راه‌های تشخیص خطای اضافه بار، استفاده از رله کنترل بار است.

رله کنترل بار چیست؟

برای پاسخ به این سوال که رله کنترل بار چیست باید بگوییم: رله کنترل بار تجهیزی است که به کمک آن می‌توانید از تجهیزات الکتریکی مانند موتور در برابر اضافه بار محافظت کنید. همانطور‌ که می‌دانید در اثر اضافه بار، افزایش جریان رخ می‌دهد. رله کنترل بار در شرایط اضافه‌ بار، جریان مدار را بلافاصله قطع‌ کرده و از مصرف‌کننده‌های الکتریکی محافظت می‌کند. از کنترل‌ بار می‌توان به صورت سه‌فاز، دوفاز و تک‌فاز برای حفاظت استفاده کرد.

رله‌ اضافه‌ بار (Overload relay)، رله‌ اضافه‌ جریان (Over-current Relay) یا رله‌ مانیتورینگ‌ِ جریان (Current monitoring relay) نام‌های دیگر این تجهیز هستند. رله‌های اضافه‌ بار الکترونیکی یا (EOL (Electronic Overload Relayها رقیب رله‌های حرارتی (TOL (Thermal Overload Relayها هستند.

رله‌های کنترل‌ بار به صورت غیرمستقیم در مدار قدرت نصب می‌شوند و جریان را با ترانس‌های جریانی (CT (Current Transformer ‌اندازه‌گیری می‌کنند. معمولاً این تجهیز به همراه CT و به صورت متناوب کار می‌کند. بنابراین برای حفاظت از موتور‌های DC کاربرد ندارند.

رله‌ اضافه بار یک رله‌ ثانویه است و به صورت غیرمستقیم، به همراه کنتاکتور و بریکر (Breaker) از مدار محافظت می‌کند. این تجهیز دارای تعدادی کنتاکت‌ فرمان است و فرمان تریپ را به کنتاکتور و بریکر ارسال می‌کند.

شکل ۱- رله کنترل بار

کاربرد رله کنترل بار

رله‌های کنترل بار در کاربردهای مختلف تجاری و صنعتی استفاده می‌شوند. معمولاً در کنار سایر تجهیزات حفاظت الکتریکی، برای حفاظت اضافه‌ بار جریانی و ولتاژی از کنترل بار استفاده‌ می‌شود. برخی از رایج‌ترین کاربردهای رله کنترل بار عبارتند از:

۱) حفاظت از موتورها در برابر اضافه بار

کنترل بار‌ اغلب برای محافظت از موتورها در برابر آسیب‌های ناشی از اضافه‌ بار استفاده می‌شود. موتور در شرایط اضافه‌ بار، جریان زیادی می‌کشد و بیش از حد گرم می‌شود. این افزایش دما در طولانی مدت، به عایق سیم‌پیچ‌ها آسیب می‌زند. این رله در شرایط اضافه بار، جریان مدار را قطع می‌کند و مانع آسیب‌ دیدن موتور خواهد‌ شد.

۲) حفاظت اضافه بار در ترانسفورماتور‌ها

رله‌ مانیتورینگ جریان برای محافظت از ترانسفورماتورها در برابر آسیب‌های ناشی از اضافه بار هم کاربرد دارد. در این حالت، رله‌ها روی مقدار جریان کمتری، که برای قطع شدن مدار لازم است، تنظیم می‌شوند. بنابراین هنگام اضافه بار ابتدا رله قطع می‌شود و مانع از آسیب دیدن ترانسفورماتور جلوگیری می‌کند.

۳) حفاظت اضافه بار در خطوط توزیع برق

استفاده از رله‌های اضافه بار یک راه‌حل ارزان‌قیمت برای محافظت از مدارهای توزیع در برابر آسیب‌های ناشی از جریان زیاد است. در بسیاری از موارد رله اضافه بار تنها وسیله حفاظتی است که در مدار نصب می‌شود. با استفاده از کنترل‌بار مدار در برابر خطاهای زمین (Ground faults)، خطاهای فاز به فاز (Phase to phase) و فاز به زمین (Phase to ground) حافظت می‌شود.

ساختمان کنترل بار

ساختمان رله کنترل بار شامل تعدادی ترمینال، سلکتور (Selector) و چراغ LED است. شرکت‌های سازنده‌ انواع کنترل‌ بار را در طراحی‌های متفاوتی ارائه‌ می‌دهند؛ در این بخش ساختمان یک نمونه کنترل بار را خواهید دید.

شکل ۲- ساختمان کنترل بار

a. محل عبور کابل‌های حامل جریان

b. ورودی تغذیه تجهیز

c. نمایشگر LED حالت NO تجهیز (قبل از بروز خطا)

d. نمایشگر LED عبور جریان غیر مجاز (تغییر وضعیت کنتاکت‌های تجهیز)

e. محدوده جریان کاری تجهیز

f. پیچ تنظیم جریان (set point)

g. پیچ تنظیم زمان (زمان عبور اضافه بار)

h. کنتاکت‌های خروجی (با بوبین کنتاکتور سری می‌شوند.)

عملکرد کنترل بار

رله کنترل بار، سه ترانس جریان داخلی دارد. به کمک این ترانس‌ها، جریان هر فاز مانند آمپرمترهای انبری (Clamp Ampere meter) اندازه‌گیری می‌شود. سپس جریان اندازه‌گیری شده، با جریانی که کاربر تنظیم کرده است، مقایسه می‌شود. در صورتی که جریان هر خط بیشتر از مقدار تنظیم‌ شده باشد، اثر مغناطیسی افزایش می‌یابد و رله کنترل بار مدار را قطع می‌کند.

در صورتی که از رله کنترل بار برای حفاظت موتور استفاده شود، برای افزایش دقت عملکرد، یک سلکتور تنظیم زمان تاخیری به مدار اضافه می‌شود. این سلکتور از قطع مدار هنگام استارت موتور جلوگیری می‌کند.

یادآوری: جریان راه‌اندازی موتور ۵ تا ۸ برابر جریان نامی موتور است.

عبور جریان بیش از حد، باعث گرم شدن و ذوب شدن سیم‌ها می‌شود و در مواردی به قطعات حساس الکترونیکی آسیب می‌رساند. در برخی موارد، اضافه بار حتی می‌تواند منجر به آتش‌سوزی الکتریکی شود. کنترل‌ بار با قطع مدار در شرایط اضافه بار، از بروز این آسیب‌ها جلوگیری می‌کند.

دسته‌بندی رله کنترل بار

قابلیت‌های کنترل بار به مدل و برند آن وابسته است. دسته‌بندی رله‌ اضافه بار از نظر عملکرد حفاظتی، تنظیمات و کنترل کمیت‌ها عبارت است از:

• کنترل‌بار آنالوگ ساده
• کنترل‌بار آنالوگ پیشرفته
• کنترل‌بار دیجیتال
• رله‌اضافه بار پیشرفته

در ادامه با توجه به دسته‌بندی بالا، با انواع کنترل بار آشنا خواهید‌ شد.

۱) کنترل‌ بار آنالوگ ساده

رله‌ اضافه بار آنالوگ ساده می‌تواند خطاهای اضافه‌ بار را تشخیص دهد. این تجهیز معمولاً دو سلکتور دارد که میزان آستانه‌ جریان و زمان عبور آن را تنظیم می‌کند. این رله‌ها عملکرد‌های حفاظتی زیادی را پوشش نمی‌دهند و از جمله تجهیزات ساده و ارزان‌قیمت هستند. رله‌های آنالوگ ساده از نوع زمان مشخص (definite time) هستند، یعنی بعد از یک زمان مشخص رله عمل می کند و افزایش جریان عبوری در آن‌ها منجر به کوتاه‌تر شدن زمان تریپ نمی‌شود.

شکل ۳- کنترل بار آنالوگ ساده

۲) کنترل‌ بار آنالوگ پیشرفته

رله‌ کنترل بار آنالوگ پیشرفته عملکرد‌های حفاظتی زیادی دارد. در این رله‌ می‌توان کلاس‌های حفاظتی را روی اعداد بالاتری تنظیم کرد. کلاس حفاظتی تعیین‌کننده‌ی زمان بین رخ دادن اضافه بار و صدور فرمان تریپ است. در کلاس‌های حفاظتی بالاتر، فرمان قطع دیرتر صادر می‌شود. کنترل‌ بار آنالوگ پیشرفته معمولاً می‌توانند به صورت زمان معکوس (Inverse Time)، خطای عدم تعادل جریان، قطع فاز و خطای زمین را تشخیص دهند.

منظور از عملکرد زمان معکوس یعنی هرچه جریان عبوری بیشتر باشد سرعت عملکرد رله بالاتر خواهد بود.

شکل ۴- کنترل بار آنالوگ پیشرفته

۳) کنترل‌ بار الکترونیک پیشرفته

این رله‌ها قابلیت اطمینان بیشتری دارند و معمولاً توانایی تشخیص و کنترل خطاهای اضافه‌بار، قطع فاز، رتور قفل شده و خطاهای مکانیکی را دارند. کنترل بار الکترونیکی پیشرفته معمولاً سه سلکتور برای تنظیم جریان کامل، عدم تشخیص خطا در زمان راه‌اندازی و مدت زمان تاخیر در قطع دارد.

شکل ۵- کنترل بار الکترونیک پیشرفته

۴) کنترل‌بار دیجیتال

رله‌های کنترل بار الکترونیکی به‌صورت دیجیتال هم ساخته می‌شوند. کنترل‌بار دیجیتال چند سون‌سگمنت (Seven-segment) برای نمایش مقادیر دارد. توسط این تجهیز می‌توان مقادیر را با دقت بالاتری تنظیم کرد و جریان برگشتی از موتور هم نمایش داده می‌شود.

شکل ۶- کنترل بار دیجیتال

۵) رله‌ اضافه‌ بار پیشرفته

این رله رابط گرافیکی قدرتمندی دارد. برخی از رله‌های اضافه بار پیشرفته یک صفحه نمایش مجزا برای تنظیم پارامترها دارند که می‌تواند روی تابلو‌برق هم نصب شود. این تجهیز معمولاً دارای رابطی (Interface) قدرتمند است و امکان اتصال به شبکه‌های صنعتی مانند پروفی‌باس (Profibus) را دارد.

شکل ۷- رله‌ اضافه‌ جریان پیشرفته

مقایسه کنترل بار و بی‌متال

بیمتال و کنترل بار هر دو برای کنترل جریان و حفاظت اضافه بار مورد استفاده‌ قرار‌ می‌گیرند. در مقایسه کنترل بار و بی متال می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کنترل‌ بار به‌ همراه ترانس‌های جریان (CT) بر روی هر خط قرار می‌گیرد و به صورت الکترونیکی کار می‌کند. اما عملکرد بیمتال به طور مستقیم وابسته به  حرارت و به‌صورت مکانیکی است.
• عملکرد بیمتال تحت تاثیر دمای محیط قرار است، در‌حالی که عملکرد کنترل‌ بار به دمای محیط وابسته نیست.
• در مدار قدرت، بیمتال‌ها به‌طور مستقیم به سه‌فاز متصل می‌شوند، اما کنترل بار، به‌صورت غیر‌مستقیم و با اتصالات سیمی به مدار وصل می‌شود.
• بیمتال به‌دلیل داشتن عنصر حرارتی تلفات زیادی تولید می‌کند در‌حالی که کنترل ‌بار بدون تلفات است و غیرمستقیم عمل می‌کند.
• برخلاف بیمتال، رله اضافه بار قابلیت تشخیص خطای عدم‌توالی فاز هم دارد.

سیم‌بندی رله کنترل بار

سیم‌بندی رله کنترل‌ بار با توجه به عملکرد حفاظتی آن در مدار‌های مختلف، متفاوت است. در این بخش چند نمونه دیاگرام سیم‌بندی این تجهیز را می‌بینید.

شکل ۸- کنترل بار در مدار

شکل ۹- کنترل بار (O/C) و رله خطا (Fault) زمین (E/F) در حفاظت از ترانسفورماتور با سیم‌پیچ ستاره

شکل ۱۰- کنترل بار (O/C) و رله خطا (Fault) زمین (E/F) در حفاظت از ترانسفورماتور با سیم‌پیچ مثلث

شکل ۱۱- کنترل بار (O/C) و رله خطا(Fault) زمین (E/F) در حفاظت از ترانسفورماتور با سیم‌پیچ مثلث و زمین خنثی

تنظیمات کنترل بار

تنظیمات کنترل‌ بار به مدل و قابلیت‌های آن بستگی دارد. در کنترل‌ بار آنالوگ، تنظیمات مقدار جریان و زمان خطا توسط ولوم‌ها یا سلکتور‌های پیچی انجام می‌شود.

میزان تنظیم جریان به محل نصب موتور وابسته است. به عنوان مثال، در مدار تک‌ضرب تمام جریان موتور از رله عبور می‌کند. در این حالت، باید جریان رله برابر با جریان کامل موتور تنظیم‌ شود. در مدار ستاره-مثلث تنظیمات رله به‌ این‌ صورت است:

• اگر کنترل‌ بار قبل از کنتاکتور نصب شده‌ باشد، باید جریان را برابر با جریان کامل موتور تنظیم‌ کنیم.
• اگر کنترل بار بعد از کنتاکتور اصلی یا مثلث قرار گرفته‌ باشد، مقدار جریان ۵۷٪ تنظیم‌ می‌شود.

مزایای و معایب کنترل بار

رله‌های مانیتورینگ جریان هم مانند سایر تجهیزات الکتریکی مزایا و معایبی دارند. هنگام تصمیم‌گیری در مورد استفاده یا عدم استفاده از رله اضافه بار، لازم است که مزایا و معایب آن را در کنار هم در نظر بگیرید.

مزایای استفاده از کنترل بار

• افزایش عمر مدار الکتریکی
• کاهش استهلاک مکانیکی
• کاهش خطر آتش‌سوزی
• عدم وابستگی به دمای محیط
• قیمت‌ پایین و سهولت در استفاده
• عملکرد سریع و دقیق
• قابلیت عملکرد اتوماتیک
• جایگزین مناسب بیمتال

معایب استفاده از کنترل بار

• رله‌های اضافه بار گاهی اوقات می‌توانند دچار تریپ‌های کاذب شوند. این امر می‌تواند به خرابی تجهیزات الکتریکی منجر شود.
• رله‌های اضافه بار هنگام بروز خطاهای الکتریکی، حفاظت مدار را به تنهایی تامین نمی‌کنند؛ بنابراین معمولاً لازم است که در کنار سایر تجهیزات حفاظتی به‌ کار گرفته شوند.

جمع‌بندی

پس از مطالعه این مقاله:

۱.  با تجهیزی به نام کنترل‌ بار و انواع حفاظت‌هایی که تامین می‌کند، آشنا شدید.

۲. اجزا، مکانیزم و عملکرد این تجهیز را شناختید.

۳. به کاربرد‌های کنترل‌ بار و تنظیمات آن در مدار به طور کامل مسلط شدید.

۴. با مزایا و معایب کنترل‌ بار و تفاوت‌های آن با بیمتال آشنا شدید.