رله کنترل فاز (ساختمان و کاربردهای آن)

کنترل فاز چیست؟

در صنایع مختلف عدم کنترل و نظارت توان مصرف‌کننده می‌تواند منجر به گرم شدن بیش از حد تجهیزات و افزایش تلفات ناشی از آن شود. رله کنترل فاز یا رله حفاظت فاز یک تجهیز الکتریکی است که در مدارهای سه‌فاز، برای کنترل ولتاژ و فاز استفاده می‌شود. در سیستم‌های AC برای کنترل ولتاژِ اعمالی به بار، از کنترل فاز استفاده می‌شود.

در شرایطی که بار در نقطه‌ای دور از قسمت کنترلی مدار نصب شده‌ باشد. در این حالت، این تجهیز تغییر زاویه بین سه‌فاز یا بین فاز و نول را کنترل می‌کند. به‌علاوه، در مدار‌های تک‌فاز زمانی که دو ولتاژ متفاوت در مدار وجود داشته باشد، از کنترل فاز استفاده می‌کنیم. (بسیاری از مدار‌ها دو منبع ولتاژ مستقل دارند؛ به‌عنوان مثال، در مدار تقویت‌کننده‌های صوتی دو منبع مختلف +V و -V داریم.)

رله‌های کنترل فاز که با نام رله مانیتورینگ ِخط یا رله نظارت ِفاز هم شناخته می‌شوند، برای تنظیم توزیع برق در سیستم‌های الکتریکی تجاری و صنعتی کاربرد دارند. اگر این تجهیزات به درستی نصب و پیکربندی شوند، می‌توانند ایمنی بیشتری را فراهم کنند. در عین حال عملکرد بی‌وقفه سیستمی را که برای محافظت از آن طراحی شده‌اند،  تضمین کنند. به کمک کنترل فاز می‌توان خطر برق‌گرفتگی یا آتش‌سوزی را تا حد بسیار زیادی کاهش داد. 

شکل ۱ – رله‌ کنترل فاز

خطاهای فاز

خطاهایی که در فاز رخ می‌دهند عبارتند از: 

• قطعی فاز (Phase Loss): معمولاً در سیستم‌های تک‌فاز شاهد این خطا هستیم. افت فاز می‌تواند مانع از راه‌اندازی و توقف موتور شود. اگر در صورت بروز خطای افت فاز، موتور همچنان به کار خود ادامه دهد، عدم تعادل شدیدی در منبع به‌ وجود می‌آید و می‌تواند منجر به افزایش دما تا ۶۰۰٪ شود. این افزایش دمای بیش از حد، به موتور آسیب می‌رساند. اگر دمایی که موتور در آن کار می‌کند، ۱۰٪ بالاتر از حداکثر دمای نامی خود باشد، عمر کاری آن ۵۰٪ کاهش می‌یابد. دمای نامی موتور عبارت است از درجه حرارتی که بر روی پلاک موتور به صورت استاندارد ثبت شده است. این دما نشان می‌دهد که موتور در چه دمایی می‌تواند کار کند و حداکثرِ دمای قابل تحمل آن چقدر است.
• افت ولتاژ (Under Voltage): هنگامی‌ که ولتاژ یک یا چند فاز از حداقل میزان تعیین‌شده کمتر شود، خطای افت ولتاژ به وجود می‌آید. ولتاژِ پایین باعث می‌شود که موتور جریان‌کشیِ بیشتری داشته‌ باشد و در بلندمدت به موتور آسیب وارد می‌کند.
• اضافه ولتاژ (Over Voltage): هنگامی‌ که ولتاژ یک یا چند فاز از حداکثر میزان تعیین‌شده بیشتر شود، منجر به بروز خطای اضافه ولتاژ (over voltage) می‌شود. ولتاژِ بیش از حد نیز تا حد زیادی به موتور آسیب می‌رساند.
• عدم توالی فاز (Phase Sequence): زمانی که سه فاز به ترتیبِ صحیح متصل نشوند، خطای عدم توالی فاز رخ می‌دهد. اگر موتور با توالی فازِ نادرست راه‌اندازی شود، شفت موتور در جهت عکس شروع به حرکت می‌کند. این حرکت معکوس، علاوه بر آسیب به موتور، در مواردی منجر به حادثه و خطرات جدی خواهد‌ شد. به‌عنوان مثال پمپ‌های هیدرولیک باید تنها در یک جهت کار کنند.
• عدم تقارن فاز (Phase Asymmetry): زمانی که بار به صورت متعادل روی سه فاز نباشد، خطای عدم تقارن فاز رخ می‌دهد. اگر منبع توان بیش از ۵٪ از تعادل خارج شود،  تنش حرارتی ایجاد‌ شده به موتورهای AC و پمپ‌ها  به شدت آسیب می‌رسانند. این خطا تنها توسط رله کنترل فاز و از طریق نظارت مداوم فاز‌ها تشخیص داده می‌شود. 
• تلفات خنثی (Neutral Loss): خطای تلفاتِ خنثی معمولاً در اثر خرابی یا مخدوش شدن هادی نول رخ‌ می‌دهد و علاوه بر اتلاف انرژی در منبع، تعادل فازها را هم برهم‌ می‌زند. تلفات خنثی می‌تواند منجر به افزایش ولتاژ تا ۲ برابر ولتاژ نامی در دستگاه‌های تک‌فاز شود.

مطالعه مقاله «الکتروموتور و اجزای آن» به شما در مورد این تجهیز، دید جامعی خواهد داد.

کاربردهای کنترل فاز

استفاده از کنترل فاز در صنایعی مانند کارخانه‌های فولاد، سیمان و کارخانه‌های شیمیایی، که مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کنند،  یک امر ضروری است.

کنترل فاز می‌تواند خطاهای زیر را تشخیص دهد:

• قطعی فاز
• ولتاژ بیش از حد
• عدم توالی فاز‌ها
• عدم تقارن فاز‌ها
• تلفات خنثی

برای تشخیص عدم تعادل فاز، این رله هر یک از فازها را نظارت می‌کند. در‌ صورتی که مقدار ولتاژ در هر فاز، کمتر از میانگین سه‌فاز باشد، خطای عدم تعادل فاز را تشخیص می‌دهد و مدار را قطع می‌کند. به طور مشابه، اگر رله از دست دادن کامل یک فاز را تشخیص دهد، موتور را بی‌برق می‌کند.

توجه به این نکته ضروری است که رله کنترل فاز حفاظت مستقیم را تضمین نمی‌کند. این تجهیز فقط خطاهایی مانند ولتاژ بیش از حد، ولتاژ پایین، معکوس‌شدن فازها یا قطعی فاز را تشخیص می‌دهد. سپس به کلیدهای مدار، فرمان قطع‌ می‌دهد و به این‌ صورت به عملکرد سالم موتور و افزایش راندمان سیستم کمک می‌کند.

ساختمان رله کنترل فاز

ساختمان رله کنترل فاز شامل تعدادی ترمینال، سلکتور و چراغ LED است. ممکن است شرکت‌های سازنده طراحی‌های متفاوتی ارائه‌ دهند، اما به طور کلی، کنترل فاز دارای چند بخش اصلی است که در ادامه توضیح داده‌ می‌شود. 

شکل ۲- ساختمان کنترل فاز

a. ورودی برق شامل سه‌فاز و نول (در این شکل کنترل‌ فاز چهارسیمه نشان داده‌‌ شده‌ است)

b. خروجی رله

c. نمایش‌گر LED برای نمایش قطع و وصل بودن ولتاژ شبکه

d. نمایش‌گر LED برای نمایش قطع و وصل بودن خروجی رله

e. نمایش‌گر LED برای نمایش خطای عدم توالی فاز‌ها

f. نمایش‌گر LED برای نمایش خطای عدم تقارن فاز‌ها

g. پیچ تنظیم تاخیر زمانی (Time delay)

h. پیچ تنظیم میزان حساسیت تقارن فاز‌ها

عملکرد کنترل فاز

سازندگان مختلف کنترل فاز، از اصول کارکرد متفاوتی (مدار باز Normally Open) NO) یا مدار بسته Normally Close) NC)) برای روشن یا خاموش کردن رله، در صورت تجاوز از مقدار تنظیم‌شده (set point) استفاده می‌کنند. در این قسمت با یک مثال ساده عملکرد کنترل فاز با کنتاکت NC در شرایط اضافه ولتاژ را توضیح می‌دهیم.

هنگامی که ولتاژ کاری کمتر از حداکثر مقدار تنظیم‌شده (set point) باشد، رله غیرفعال است و کنتاکت در حالت پیش‌فرض، بسته (NC) باقی می‌ماند. اگر ولتاژ از حداکثر مقدار تنظیم‌شده تجاوز کند، رله روشن ، کنتاکت باز و بار بی‌برق می‌شود.

علاوه بر محدودیت‌های ولتاژِ مجاز، بسیاری از رله‌های مانیتورینگِ ولتاژ، قابلیت تنظیم تأخیر‌زمانی ثابت یا قابل برنامه‌ریزی دارند که به آن تاخیر خاموشی (tripping delay)  گفته می‌شود. با تنظیم تاخیر، در هنگام بروز خطا، کنترل فاز پس از اعمال تاخیر‌ زمانی تنظیم‌شده قطع می‌شود. هدف از ایجاد تأخیر‌ زمانی، جلوگیری از عملکرد رله در هنگام افت ولتاژ ِلحظه‌ای ناشی از نویز است. در برخی رله‌ها، پس از اصلاح خطا، تاخیر زمانی نیز قبل از تنظیم مجدد رله به طور خودکار اعمال می‌شود.

شکل ۳ – عملکرد رله کنترل فاز چهار‌سیمه با یک تاخیر زمانی معین

شکل ۴ – عملکرد رله کنترل فاز سه‌سیمه با یک تاخیر زمانی معین

در سیستم‌های سه‌فاز، شرایط اضافه ولتاژ و افت ولتاژ زمانی رخ می‌دهد که ولتاژ در هر سه فاز به طور هم‌زمان افزایش یا کاهش یابد. برای کنترل سطح ولتاژ، رله، میانگین ولتاژِ‌ خط در هر سه فاز را اندازه گیری کرده و آن را با ولتاژ تنظیم‌شده مقایسه می‌کند.

توجه به این نکته ضروری است که عدم تعادل فاز، برخی از سیم‌پیچ‌های موتور را مجبور می‌کند تا بار بیشتری را نسبت به بقیه تحمل کنند. به‌علاوه، اگر موتور دچار قطعی فاز شود، می‌تواند با کشیدن جریان مورد نیاز از فازهای دیگر به کار خود ادامه دهد. در نهایت هر دو حالت (عدم تعادل فاز و قطعی فاز) منجر به گرم شدن بیش از حد موتور خواهد‌ شد.

تغییر توالی دو فاز از سه فاز، معکوس شدن فاز نامیده‌ می‌شود. معکوس شدن فاز بسیار خطرناک است، زیرا معکوس شدن فاز در تجهیزاتی مانند فن، موتور و پمپ جهت چرخش را تغییر می‌دهد. رله‌ کنترل فاز توالی فازها را به سادگی نظارت کرده و کنترل می‌کند. این رله در صورت تشخیص انحراف از توالی، به سرعت تریپ می‌دهد.

شکل ۵ – رله‌ کنترل فاز در مدار

تنظیمات رله کنترل فاز

• در هر کنترل فاز بسته به مدل و طراحی شرکت سازنده، تعدادی سلکتور (Selector) یا پیچ‌ تنظیم (بین ۱ تا ۳ عدد) وجود دارد. وظیفه این سلکتورها را در ادامه شرح می‌دهیم.
• سلکتور تاخیر در وصل (on-delay): با تنظیم این قسمت، تعیین می‌کنیم که تیغه‌های رله‌ چند ثانیه پس از فرمان روشن شدن تغییر وضعیت دهند.
• سلکتور تاخیر در قطع (off-delay): با تنظیم این قسمت، تعیین می‌کنیم که تیغه‌های رله‌ چند ثانیه پس از فرمان خاموش شدن (در هنگام بروز خطا) تغییر وضعیت دهند.
• سلکتور %asym: با تنظیم این قسمت، میزان حساسیت عدم تقارن فاز‌ها تعیین و در صورت تجاوز از این مقدار، فرمان قطع صادر می‌شود. اصولا این عدد روی ۱۵٪ تنظیم می‌شود مگر در حالتی‌که مصرف کننده حساسیت بالایی داشته باشد که در این حالت درصد پایین‌تری انتخاب خواهد‌ شد.

در شکل ۶ سلکتور‌های تنظیم رله‌کنترل فاز را با رنگ قرمز مشاهده می‌کنید.

شکل ۶- کنترل‌فاز با سه سلکتور یا پیچ تنظیم

انواع رله کنترل فاز

رله کنترل فاز انواع مختلفی دارد و هر نوع عملکرد‌های حفاظتی خاصی را تامین می‌کند. در ادامه انواع رله مانیتورینگ فاز را معرفی می‌کنیم.

۱) رله عدم تقارن فاز

در اثر بروز خطای عدم تعادل فاز، قسمتی از انرژی به توان راکتیو تبدیل می‌شود و این انرژی بدون بهره‌برداری از بین می‌رود. عدم تعادل فاز باعث افزایش تنش‌های حرارتی و تخریب شدید موتورهای AC خواهد‌شد. توصیه می‌شود هنگام بروز خطای عدم تقارن بیش از ۵٪ موتور را خاموش کنید. این نوع کنترل فاز با نظارت مطمئن برای مقابله با عدم تعادل فاز، عمر موتور را افزایش می‌دهد و از آسیب‌های هزینه‌بر جلوگیری می‌کند. 

یاد‌آوری: در مدارهای‌ AC، مولفه‌ای از توان وجود دارد که ناشی از اختلاف فاز ولتاژ و جریان در مدار است. این توان، «توان راکتیو» (Reactive Power) و گاهی «توان موهومی» نامیده می‌شود. توان راکتیو برحسب ولت-آمپر راکتیو یا VAr و با نماد Q نشان داده می‌شود. فرمول محاسبه توان راکتیو به‌صورت Q = V Isin است.

شکل ۷ – رله‌ عدم تقارن فاز 

۲) رله توالی فاز

همانطور که اشاره شد، عدم توالی فاز می‌تواند منجر به کار کردن موتور در جهت معکوس شود. عملکرد معکوس به برخی موتورها یا بارهایی مانند پمپ‌ها، کمپرسورهای اسکرو (Screw) یا پیچی و فن‌ها آسیب می‌رساند؛ رله کنترل فاز با نظارت دائمی بر توالی فازها، دستگاه را خاموش کرده و از خطرات ناشی از عدم توالی فاز جلوگیری می‌کند.

شکل ۸- رله‌ توالی فاز 

۳) رله قطعی فاز

قطعی فاز می‌تواند در اثر سوختن فیوز، خطا در برق ورودی، نقص مکانیکی تجهیزات، نقص در سیم‌پیچ ترانسفورماتور یا صاعقه رخ دهد. به محض از بین رفتن یک فاز، موتور سه‌فاز نمی‌تواند شروع به کار کند و احتمالا به دلیل اضافه بار متوقف می‌شود. البته در مواقعی هم موتور به طور نامتقارن به چرخش ادامه می‌دهد.

اگر موتور متوقف شود، مقاومت الکتریکی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد و جریان تا ۶۰۰٪ جریان نامی افزایش خواهد داشت. این جریان، سیم‌پیچ موتور را در عرض چند ثانیه از بین می‌برد. رله قطعی فاز برای جلوگیری از حادثه و خسارت‌های ناشی از این خطا، از روشن شدن موتور در این شرایط جلوگیری می‌کند.

شکل ۹- رله‌ قطعی فاز 

۴) رله پایش ولتاژ

سطوح ولتاژ نادرست می‌توانند تجهیزات برقی و حتی عایق آن‌ها را در معرض آسیب جدی قرار دهد. از طرفی ولتاژ پایین منجر به عمل نکردن کنتاکتور و روشن نشدن تجهیزاتی مانند موتور می‌شود.

ما در مقاله ای با عنوان «کنتاکتور چیست؟» به بررسی این تجهیز پرداخته ایم . با مراجعه به این مقاله شما با عملکرد، ساختار و کاربردهای کنتاکتور بیشتر آشنا خواهید شد.

به کمک رله پایش یا مانیتورینگ ولتاژ می‌توان به طور منظم، سطوح ولتاژ را نظارت و کنترل کرد و بنابراین مانع بروز چنین شرایطی شد.

شکل ۱۰- رله‌ پایش ولتاژ

 پارامترهای انتخاب رله کنترل فاز

قبل از هر چیز باید بدانید چه منابع ولتاژی در مدار دارید. منابع می‌توانند به‌صورت سه‌فازِ سه‌سیمه یا سه‌فازِ چهارسیمه باشند. کنترل‌ فاز سه‌فازِ سه‌سیمه قابلیت تشخیص خطاهای فاز به فاز و بنابراین رنج ولتاژی بالاتری دارد (400VAC-415VAC). کنترل‌ فاز سه‌فاز چهارسیمه قابلیت تشخیص خطاهای فاز به نول را هم دارد و بنابراین رنج ولتاژ آن حدود استاندارد ولتاژ تک‌فاز است (220VAC- 230VAC). در مرحله بعد باید بدانید که به چه تعداد رله خروجی نیاز دارید.

در‌ صورتی که به خروجی‌های بیشتری نیاز داشتید، می‌توانید از کنتاکت‌ کمکی استفاده‌ کنید. سپس باید بدانید که به چه عملکردهای نظارتی و حفاظتی نیاز دارید. به‌طور استاندارد شما به نظارت قطعی فاز نیاز‌ خواهید‌ داشت؛ اما سایر عملکرد‌های حفاظتی را می‌توانید بر‌ اساس کاربرد تجهیزات خود انتخاب کنید.

هنگام انتخاب رله کنترل فاز، توجه به پارامترهای زیر ضروری است:

• مقادیر فنی مانند: مقادیر نامی ولتاژ و فرکانس، رنج توان و ولتاژ کاری، رنج دمای استاندارد
• تعداد و نوع کنتاکت‌های خروجی
• رنج تنظیم تاخیر زمانی مناسب (on delay – tripping time -off delay)
• رنج تنظیم مقادیر حداقل و حداکثر آستانه (set point)

سیم‌بندی کنترل‌‌‌‌فاز

در شکل ۱۱نمونه‌ای از سیم‌بندی کنترل فاز برای محافظت از موتور در برابر‌ خطاهای فاز نشان داده‌ شده است.

شکل ۱۱- سیم‌بندی کنترل فاز

همانطور که گفته شد کنترل فاز در برخی موارد برای کنترل جریان استفاده می‌شود. در شکل ۱۲یک نمونه دیاگرام سیم‌کشی کنترل فاز برای حفاظت از جریان را مشاهده می‌کنید.

شکل ۱۲- سیم‌بندی کنترل فاز

مزایای استفاده از کنترل‌فاز

مهم‌ترین مزایای رله کنترل فاز عبارتند از:

• افزایش عمر موتور
• کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری 
• کم کردن وقفه‌های ناشی از خرابی موتور 
• جلوگیری از خطرات برق‌گرفتگی و آتش‌سوزی ناشی از اتصال‌کوتاه ِسیم‌پیچ موتور 
• افزایش ایمنی مدار و کاربران 
• تنظیم زمان وصل شدن مدار پس از برطرف‌ کردن خطا
• قطع سریع جریان برق در صورت بروز خطا
• صرفه‌جویی در فضای تابلو برق 

جمع‌بندی

پس از مطالعه این مقاله:

۱.  با تجهیز کنترل‌فاز و انواع خطاهایی که حفاظت می‌کند، آشنا شدید؛

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

۳. به کاربرد‌های کنترل‌فاز به طور کامل مسلط شدید؛

۴. با نحوه انتخاب و سیم‌بندی رله کنترل فاز مناسب در یک پروژه صنعتی به طور کامل آشنا شدید.