بی متال

بی متال چیست؟

بیمتال قطعه ای از تجهیزات برق است که به صورت سری، جهت حفاظت از موتورها در برابر اضافه بار در مدار قرار می گیرد و به همین علت یک نوع رله حفاظتی به شمار می رود. بیمتال را با نام های دیگری همچون رله اضافه بار، رله حرارتی و یا رله اضافه بار حرارتی نیز می شناسند.

فیلم معرفی بیمتال

نحوه عملکرد بی متال

اساس کار بی متال بر پایه اختلاف ضریب انبساط طولی دو فلز است، به طوری که در اثر عبور جریان اضافه بار، دو فلز گرم می شوند و طول آنها زیاد می شود. در این حالت دو فلز به سمت فلزی با ضریب انبساط طولی کمتر خم می شوند. حرکت هر یک از بیمتال ها به یک اهرم فشار می آورد و در نتیجه این خم شدن، با جابجایی هریک از اهرم ها، یک میکروسوئیچ که دارای کنتاکت تبدیل باز و بسته است، تغییر وضعیت می دهد و مسیر عبور جریان قطع شده و مدار باز می شود. گاهی مواقع این قطعه آهسته عمل کرده و یا ایجاد جرقه می کند و باعث ایجاد سوختگی ادر محل های اتصال می شود. برای رفع چنین مشکلاتی، دو آهن ربا در پایین و بالای تیغه دو فلزی قرار داده می شود که موقع وارد کردن نیروی مغناطیسی به آنها، باعث بسته شدن سریع اتصال شده و در نتیجه از ایجاد سوختگی جلوگیری می کند.

جنس این دو فلز معمولا از فولاد و مس و یا در بعضی موارد فولاد و برنج است که معمولا با پرچ، جوشکاری و یا لحیم کاری به هم متصل می شوند. بی متال از اتصال این دو فلز ناهمجنس با ضرایب انبساطی متفاوت ساخته می شود که فلز با ضریب سرعت انبساط بالاتر در ضلع خارجی انحنای دما قرار می گیرد و این دو فلز به نوعی در حرارت به هم پرس می شوند که به صورت یک تکه دیده شوند. روال کار بیمتال ها هم به این صورت است که در اثر عبور جریان اضافه بار، حرارت زیاد شده و قطعه هادی بیمتال (که در حالت نرمال صاف است) به سمت فلز با ضریب انبساط کمتر خم شده و با سرد شدن مجددا به حالت اول خود بر می گردد. در نهایت بی متال در صورت احساس بار اضافه، فرمان قطع به کنتاکتور یا کلید بالا دست خود می دهد. توجه داشته باشید که شرایط عملکردی بی متال ها در دماهای 20- تا 60+ درجه سانتیگراد متغیر است.

بر روی بی متال های سه فاز معمولا سه تیغه کنتاکت قدرت جهت عبور جریان سه فاز و اتصال به کنتاکتور وجود دارد که به صورت سری در مسیر مصرف کننده سه فاز قرار می گیرند. همچنین بر روی آنها، چند عدد کنتاکت فرمان جهت استفاده در مدار فرمان قرار دارد که معمولا شامل دو عدد کنتاکت کمکی بسته (NC) (جهت قطع کردن تغذیه کنتاکتور در حالت اضافه بار) و دو عدد کنتاکت کمکی باز (NO) (جهت ارسال آلارم سیگنال یا نویز جهت اطلاع اپراتور) می باشد. همچنین بر روی اکثر بیمتال ها یک دکمه تغییر وضعیت دستی و اتوماتیک نیز وجود دارد که در حالت دستی پس از اضافه بار و قطع شدن مدار توسط بیمتال، اپراتور باید به صورت دستی بیمتال را RESET نماید، اما در حالت اتوماتیک پس از عمل کردن بیمتال، پس از گذشت زمان معینی به صورت اتوماتیک ریست شده و مجددا وارد مدار می شود. بیمتال عمدتا برای حفاظت موتور در حالت سه فاز به کار برده شده و به پایین کنتاکتور، قبل از موتور وصل می شود. لازم به ذکر است که بیمتال ها رنج وسیعی از جریان شامل بازه ی 0.12 تا 800 آمپر را پوشش می دهند.

عملکرد بی متال در جریان بالا

وقتی بی متال در رنج های جریان بالا استفاده شود، ترانسفورماتور جریان (CT) جهت اندازه گیری جریان به کار برده می شود. در ساختار این محصول، هادی قدرت (هادی با جریان اصلی) از داخل CT عبور داده شده و توسط CT جریان ایجاد شده از حول هادی به سیم پیچ ثانویه منتقل می شود و توسط قسمت فرمان بی متال امنیت مصرف کننده تامین می گردد. در این شرایط اگر از حد تنظیم شده بیشتر شد، قسمت فرمان بی متال عمل کرده و در نهایت مدار فرمان را قطع می کند که باعث قطع کل مدار خواهد شد.

ترانسفورماتور جریان (Current Transformator)

در مدارات فشار متوسط و قوی به صورت سری و با دو هدف به کار می رود:

1. برای مقاصد اندازه گیری: خروجی CT به دستگاه های اندازه گیری آمپرمتر، مگاواتمتر، کنتور راکتیو و اکتیو متصل بوده و هسته این CT ها در اتصال کوتاه به اشباع می رود و مانع از ازدیاد جریان در ثانویه شده و در نتیجه مانع سوختن در سمت ثانویه می شود.
2. برای مقاصد حفاظت شبکه: خروجی CT به رله های حفاظتی که کمیت جریان نیاز دارند، متصل می شود؛ مانند رله اضافه جریان و یا رله اتصال زمین.

ساختمان داخلی بیمتال

اجزای تشکیل دهنده (ساختمان داخلی) بی متال یا رله حرارتی عبارتند از:

• تیغه های مسی جهت اتصال به کنتاکتور (شاخک های بالای بی متال)
• ترمینال های خروجی جهت ارتباط با کابل های مصرف کننده (T1، T2 و T3)
• کنتاکت های باز و بسته مدار فرمان (باز یا همان NO با شماره های 97 و 98 / بسته یا همان NC با شماره های 95 و 96)
• زبانه یا پیچ جهت تنظیم جریان یا حساسیت بیمتال (این جریان را با توجه به شدت جریان نامی موتور که روی پلاک آن نوشته شده است، تنظیم می کنیم. تنظیم یک بی متال بستگی به مشخصه های موتوری دارد که قرار است محافظت شود.)
• پیچ تغییر وضعیت به دو حالت دستی و اتومات (حالت A، اتوماتیک و حالت H، دستی)
• دکمه ریست یا برگشت به حالت اولیه (جهت برگرداندن مجدد بیمتال به مدار)

مشخصات و علائم ظاهری روی بی متال

• شماره های 1، 3 و 5: ترمینال های ورودی بی متال یا همان شاخک های بی متال، جهت اتصال موتور به سمت تغذیه
• شماره های 2، 4 و 6 یا علائم T1، T2 و T3: ترمینال های خروجی بی متال جهت ارتباط به ورودی مصرف کننده
• ورودی های NC: کنتاکت های Normally Close یا همان کنتاکت های معمولا بسته، با شماره های 95 و 96، جهت قطع مدار تغذیه بوبین کنتاکتور به کار می رود.
• ورودی های NO: کنتاکت های Normally Open یا همان کنتاکت های معمولا باز، با شماره های 97 و 98، جهت اطلاع یا وصل کردن مدارهای اضطراری به کار می رود.

* شماره های تک رقمی، پایه های مدار قدرت و شماره های دو رقمی، پایه های مدار فرمان بی متال را تشکیل می دهند.

• دکمه Reset: برای برگشت کنتاکت های داخل بی متال به حالت اولیه به کار می رود. به عبارت ساده تر بی متال را مجددا وارد مدار می کند.

* دکمه Reset در بعضی بی متال ها به صورت جداگانه قرار دارد و در بعضی بی متال ها همراه با پیچ H/A و در بعضی دیگر با دکمه TEST قرار دارد.

• پیچ تغییر وضعیت A/H و یا M/A: حرف A حالت اتوماتیک و حرف H یا M حالت دستی را مشخص می کند و این پیچ بیانگر این است که بی متال باید یا به طور دستی و و یا به طور اتوماتیک Reset شود.
• پیچ تغییر رنج جریان: می توان توسط آن جریان بی متال را مطابق با جریان نامی موتور که روی پلاک آن نوشته شده است، تنظیم کرد.
• دکمه تست (TEST): این دکمه جهت تست سالم یا خراب بودن بی متال بر روی آن تعبیه شده است و کارکرد آن به این صورت است که اگر این دکمه را فشار دهیم، مدار باید قطع شود و این نشانه سالم بودن بی متال است.

* دکمه STOP: برای تست قطع مدار فرمان بر روی بی متال ها این دکمه تعبیه شده است تا اپراتور بتواند از اتصال صحیح مدار فرمان اطمینان حاصل کند.

برخی از نکات قابل توجه در بیمتال ها عبارتند از:

• در حالتی که خطا در یکی از فازها رخ دهد دو فاز دیگر نیز قطع می گردند. به همین علت یکی از دلایلی که در مدارات سه فاز در قسمت بالای موتور بی متال قرار می دهند این است که بتواند خطای دو فاز را تشخیص داده و از آسیب رسیدن به موتور جلوگیری کند.
• در صورتی که جریان عبوری به 10 برابر جریان نامی برسد بیمتال پس از 2 ثانیه مدار قدرت و فرمان را قطع می کند.
• بیمتال ها نسبت به درجه حرارت محیط حساس هستند و همچنین با افزایش شدت جریان نیز، حساسیت بی متال بیشتر می شود.
• اگر به صورت دائم جریانی معادل 10 درصد اضافه بار از بیمتال عبور کند، بیمتال پس از 2 ساعت به صورت اتوماتیک مدار را قطع می نماید.

انواع بی متال

بی متال ها معمولا بر حسب نوع ریست شدن در مدارات (برگشت به حالت اولیه) به سه دسته تقسیم می شوند:

بی متال دستی

در بی متال دستی (H به معنای Hand) و یا همان بی متال های Manual، بعد از این که بی متال در مدار عمل کرده و مدار قطع می شود، سپس فلز بی متال سرد شده و به حالت اولیه خود باز می گردد، اما کنتاکت های داخل بی متال که برای قطع کردن مدار تغییر حالت داده اند، در همان حالت باقی می مانند و برای برگرداندن آنها به حالت اولیه باید دکمه Reset که روی بی متال است را به طور دستی فشار داد تا کنتاکت ها آماده قطع مجدد مدار باشند. شایان ذکر است که از این نوع بی متال هم در سیستم های با مدار فرمان اتوماتیک و هم در سیستم های با مدار فرمان غیر اتوماتیک استفاده می شود. مداراتی که معمولا تنظیم دستی دارند عبارتند از: منبع تغذیه، تجهیزات پزشکی، بخاری آب، تجهیزات تهویه مطبوع و برخی دیگر از لوازم خانگی و تجهیزات صنعتی.

بی متال اتوماتیک

به بی متال هایی که کنتاکت ها در آنها بعد از گذشت مدت زمان معین و در یک دمای معین به طور خودکار به حالت اولیه باز می گردند، بی متال های اتوماتیک می گویند. در اصل اگر بخواهیم پس از هربار عملکرد بی متال، کنتاکت های آن به صورت خودکار به حالت اولیه بازگردند، باید بی متال را روی حالت A (به معنای Automatic) قرار دهیم. توجه کنید که از این نوع بی متال در سیستم هایی که مدار فرمان آنها به صورت دستی کنترل می شود، استفاده می شود. برای تغییر از وضعیت Automatic به وضعیت Hand، نیازی به فشردن دکمه قرمز یا همان Stop نداریم. ولی برای تغییر وضعیت از حالت Hand به Automatic، لازم است هنگام چرخش این دکمه، دکمه قرمز کمی فشار داده شود.

بی متال های دستی و اتوماتیک

نوع دیگری از بی متال ها نیز هستند که هر دو حالت دستی و اتوماتیک را در یک مجموعه دارند و برای تغییر حالت بی متال از یک کلید که روی بی متال قرار دارد، استفاده می شود. که توسط همان یک کلید می توان بی متال را در وضعیت قطع دستی یا اتوماتیک قرار داد.

بی متال الکترونیکی

بی متال های الکترونیکی نیز از نظر ساختار و کارکرد، مشابه بی متال های حرارتی هستند و قابلیت تنظیم جریان هم دارند. با این حال اما دلیل تمایز بی متال الکترونیکی با بیمتال های معمولی این است که آنها قابلیت تنظیم زمان راه اندازی موتور را دارند. همچنین بر خلاف بی متال های حرارتی که اساس کار آنها بر مبنای حرارت تولید شده می باشد، در بی متال های الکترونیکی تاخیر زمانی قطع مدار به وسیله مدار الکترونیکی و شارژ و دشارژ شدن خازن صورت می پذیرد. مدار الکترونیکی این متال های شامل خازن، دیود، ترانزیستور و یک مقاومت می باشد. این بی متال ها مناسب الکتروموتور هایی هستند که زمان زیادی طول می کشد به دور نامی خود برسند و موتور های پر قدرت که جریانی بیشتر از حد معمول مصرف می کنند. درواقع بی متال های معمولی نمی توانند پاسخگوی این مساله باشند و هنگام راه اندازی الکتروموتور تریپ می دهند.

تست بی متال

1. تست سرد (Cold Test): در روش تست سرد به میزان دو برابر جریان نامی بی متال به آن جریان تزریق می گردد و زمان عملکرد بیمتال ثبت می گردد.
2. تست گرم (Hot Test): در این تست، جریانی معادل شش برابر جریان نامی از بی متال عبور داده می شود و زمان عملکرد بیمتال ثبت می گردد. به دلیل آن که این تست بعد از تست سرد و عمل کردن رله انجام می شود به آن تست گرم می گویند.
3. تست دو فاز: در این روش یکی از فازها را قطع کرده و مدار با دو فاز بسته می شود و در نهایت زمان عمل کردن رله را با روش های ثبت شده از تست های قبل مقایسه می کنند.

بی متال ها بر حسب HOT یا COLD بودن، محدوده ای از تریپ یا قطع را در بر می گیرند. کلیه مقادیر به دست آمده در تست های بالا را با نمودار بی متال مقایسه می کنیم.

عملکرد استاندارد بی متال

یک بی متال استاندارد باید عملکردی مطابق با موارد زیر داشته باشد:

1. هرگز در بار نامی مدار را قطع نکند.
2. اگر جریان عبوری از مدار در مدت زمان بیشتر از 2 ساعت به مقدار 5 درصد بیشتر از جریان تنظیم شده روی بی متال باشد، مدار را قطع کند.
3. اگر جریان عبوری از مدار به مقدار 1.5 برابر جریان تنظیم شده روی بی متال باشد، در کمتر از دو ساعت مدار را قطع کند.
4. اگر جریان عبوری از مدار به اندازه 20% بیشتر از جریان تنظیم شده روی بی متال باشد، در کمتر از دو ساعت مدار را قطع کند.
5. اگر جریان عبوری از مدار به 6 برابر جریان تنظیم شده روی بی متال برسد، در راه اندازی معمولی باید در زمان بیشتر از 2 ثانیه و در راه اندازی های سخت باید در زمان بیشتر از 5 ثانیه مدار را قطع کند.
6. تمام بی متال ها باید برخی از انواع تاخیر زمانی را داشته باشند. چون موتور در لحظه استارت چند برابر جریان نامی خود جریان می کشد، اگر یک بی متال تاخیر زمانی نداشته باشد، هیچ گاه یک موتور نمی تواند روشن شود.

کاربرد بی متال

تشخیص اضافه بار از طریق بی متال در خیلی از مدارات و تجهیزات به کار می رود. به همین علت دامنه کاربردهای بی متال طیف بسیار وسیعی را شامل می شود که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ترموستات ها
• ساعت ها
• دماسنج ها
• کرنومترها
• تنظیم درجه حرارت کنترلی برخی دستگاه ها مانند ماشین لباس شویی، سرخ کن ها، پلوپز، گریل و غیره.
• دستگاه های تهویه هوا
• روشن و خاموش کردن فن خودرو
• در تمام تجهیزات الکترونیکی که عملکرد بی متالی در داخل خود دارند، مانند کلید مینیاتوری و غیره.
• محافظت از الکترو موتورها
• صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
• پشتیبانی از مدارات الکتریکی هواپیما
• تشخیص خطای دو فاز و غیره.

طریقه تشخیص خطای دو فاز توسط بی متال

در مدت عملکرد نرمال و عادی مدار، جریانی که از هر قطب یک بی متال به سمت موتور می رود، در یک بازه زمانی، ثابت است، ولی اگر بنا به هر دلیلی در عملکرد هریک از فازها اختلالی رخ دهد و یا یکی از فازها قطع شود، جریان از طریق دو فاز دیگر به مقداری بالاتر از مقدار نرمال کارکرد همزمان سه فاز، می رسد و از جریان اسمی قابل قبول سیم پیچ ها بیشتر می شود. از این رو بیمتال گرم شده و در نهایت تریپ می دهد که این نوع خطا را خطای دو فاز می نامند که معمولا به علت سوختن فیوز در یک یا دو فاز رخ می دهد.

تفاوت بی متال با برخی دیگر از تجهیزات الکترونیکی

• تفاوت بی متال با فیوز:
  • فیوز، جریان های بالای حالت اتصال کوتاه را احساس و قطع می کند.
  • توجه داشته باشید که جریان های به وجود آمده از اضافه بار زیاد، در محدوده عملکرد فیوز نیست.
  • از بیمتال در مدارات سه فاز استفاه می شود، پس هنگامی که یکی از فازها دچار اختلال شود، مسیر دوفاز دیگر را نیز قطع می کند.
• تفاوت بیمتال با کلید حرارتی:
  • بیمتال تنها مدار فرمان را قطع می کند اما کلید حرارتی می تواند مستقیما سه فاز مدار قدرت را قطع کند و باعث قطع شدن تغذیه موتور شود.
  • بیمتال فقط از جریان حرارتی محافظت می کند، در صورتی که کلید حرارتی، علاوه بر جریان (در اصل کلید حرارتی قابلیت تشخیص اتصال کوتاه را نیز دارد) از هر دو جریان حرارتی و مغناطیسی حفاظت می نماید.
  • در اصل بی متال فقط نقش حفاظت موتور را دارد، ولی کلید حرارتی، وظایف بیشتری را بر عهده می گیرد.

نصب (اتصال یا قرار گیری) بی متال

به چند روش می توان موتور را به منبع تغذیه وصل کرد. نکته قابل توجه برای اتصال بی متال این است که بیمتال جهت عمل کردن و قطع مدار نیاز به گرم شدن تیغه ها دارد، یعنی باید حتما زمان کوتاهی جهت گرم شدن تیغه ها و عمل کردن بیمتال صرف شود. به همین جهت در صورت وجود خطای اتصال کوتاه در یک مدت زمان کوتاه، میزان بسیار بالایی جریان از بیمتال می گذرد و قبل از آن که بیمتال بتواند عمل کند، تیغه های آن در اثر حرارت بالا از بین می روند. برای جلوگیری از این مشکل جهت حفاظت خطای اتصال کوتاه در مدار، کلید بریکر اتوماتیک یا مینیاتوری استفاده می شود تا در صورت بروز این خطا به سرعت کلید اتوماتیک مدار را قطع کند تا بیمتال خراب نشود. برای قرار گیری بی متال قبل از موتور و اتصال آن به منبع تغذیه، روش مرسوم آن روش مستقیم است و آن این است که مینیاتوری در بالا دست آن قرار می دهیم. در اصل چون بی متال فقط تشخیص خطای حرارتی دارد، لذا برای تشخیص خطای مغناطیسی لازم است مینیاتوری قبل از بی متال وجود داشته باشد.

نصب بی متال در زیر کنتاکتور

نحوه نصب بی متال زیر کنتاکتور بسیار ساده است. به این صورت که بالای بی متال ها ورودی سه فاز آنها وجود دارد که با نام شاخک بی متال نیز شناخته می شوند. شاخک ها را دقیقا به پایه های خروجی کنتاکتور وصل می کنیم (T1 و T2 و T3 یا U، V و W). باید دقت داشته باشید که هنگام نصب بی متال، پیچ تنظیم جریان را دقیقا برابر با جریان نامی موتور قرار دهیم، سپس خروجی های بی متال را به سر موتور وصل می کنیم به این صورت می توانیم این مدار را قبل از موتور ببندیم. معمولا در بالا سر کنتاکتور، یک فیوز قرار می دهند. در نصب این فیوزها طبق بند 3-3-2-6-13 از مبحث 13 کتاب نظام مهندسی مقررات ملی ساختمان، باید مراتب زیر مراعات شود:

1. بین کلید و فیوز از نظر رنج جریانی هماهنگی لازم وجود داشته باشد.
2. چنانچه فیوز و کلید در یک نقطه از مدار و به صورت سری با هم نصب شده باشند، فیوز در طرف ورودی کلید اتوماتیک (بالا سر کلید اتوماتیک) قرار بگیرد.

نقشه شماتیک مدار بی متال

شماتیک اتصال بی متال زیر کنتاکتور در موتور AC سه فاز، AC تکفاز و موتور DC

در عمل می توان به جای فیوز و بی متال، یک کلید حفاظتی به تنهایی استفاده کرد. این کلیدهای حفاظتی شامل کلید مینیاتوری (MCB)، کلید اتوماتیک کمپکت (MCCB)، کلید محافظ موتوری (MPCB) و غیره می شوند. ولی روش مرسوم تر آن همان فیوز به همراه کنتاکتور است. نقشه استفاده از برخی از تجهیزات در مدارات، معمولا روی پلاک آنها کشیده می شود.

* بی متال های تکفاز، خصوصیاتی همانند بی متال های سه فاز دارند. از آنها جهت حفاظت موتورهای تکفاز AC استفاده می کنند.

علت قطع فرمان بی متال (تریپ)

1. اضافه بار روی موتور
2. قطع یکی از فازهای ورودی (خطای دو فاز)
3. عدم تعادل فازها (فازهای نامتعادل) ← باعث افزایش حرارت روتور و سیم پیچ ها می شود.

روش اتصال بار تک فاز به بی متال سه فاز

در صورتی که نیاز بود بی متال سه فاز برای موتور تکفاز استفاده گردد، تنها کافی است دو فاز ورودی بیمتال را با هم سری نماییم و سیم فاز را از آن دو فاز عبور دهیم و سیم نول را از محل کنتاکت سوم عبور دهیم، در این حالت در صورت به وجود آمدن اضافه بار و عبور جریان اضافی، بیمتال عمل می کند و مدار قطع می گردد (در شکل شماتیک اتصال بی متال در زیر کنتاکتور، شماتیک اتصال بی متال سه فاز به موتور تکفاز قابل مشاهده است).