في معظم الحالات، لا تتعرض المحركات الكهربائية للتلف بسبب الدوائر القصيرة. عادةً، تتوقف عن العمل بسبب ارتفاع درجة حرارتها نتيجة التشغيل المستمر عند 110% من التيار المقنن لمدة 40 دقيقة بسبب المحامل الجافة أو تدفق مقيد عبر المضخات أو أعطال مماثلة أخرى لم يتم اكتشافها من قبل الجميع حتى فشل عزل اللفائف. الجهاز الوحيد القادر على ملاحظة العطل هو مرحل الحمل الزائد، وهو أرخص جزء حماية في بادئ المحرك.
تشرح المعلومات الواردة أدناه ما يقدمه مرحل الحمل الزائد في دائرة التحكم بالمحرك، وكيف يعمل كل نوع من المرحلات، وأي فئات الرحلات يجب اختيارها، وما الذي يسبب الرحلة، وكيفية ضبط المرحل.
باختصار، مرحل الحمل الزائد للمحرك هو جهاز في بادئ المحرك يقيس التيار ويقطع دائرة التحكم إذا استهلك المحرك تيارًا زائدًا لفترة طويلة. لذلك، لا يوفر هذا الجهاز حماية من الدائرة القصيرة، والتي يحققها قاطع الدائرة. تستخدم الأنواع الحرارية شرائط ثنائية المعدن يتم تسخينها بواسطة التيار، بينما تعتمد الأنواع الإلكترونية على محولات التيار ونموذج المحرك. الإعداد هو التيار المقنن للمحرك، بينما يجب أن تأخذ فئة الرحلة المحددة عند 7.2 أضعاف هذا التيار في الاعتبار وقت بدء تشغيل المحرك.
ما يفعله مرحل الحمل الزائد في دائرة التحكم بالمحرك
لمرحل الحمل الزائد الكهربائي دور محدد في التحكم بالمحرك. الغرض من مرحل الحمل الزائد في النظام هو حماية المحرك من احتراق اللفائف أكثر من حماية الكابل أو القاطع. هذا يوضح الكثير في عملية ضبط هذه الآلة.
سيعمل الحامي في حالات مختلفة، لذا سيكون كل جهاز مسؤولًا عن نوع العطل الخاص به. الأول هو جهاز الدائرة القصيرة مثل الفيوز وقاطع الحالة المصبوب الذي يمكنه التعامل مع تيار الدائرة القصيرة حتى آلاف الأمبيرات حرفيًا في أجزاء من الثانية. النوع الثاني من الحامي هو القاطع الذي يستخدم العمل الكهربائي عند تشغيل الحمولة. يُستخدم مرحل الحمل الزائد بين الجهازين لتحديد متى يعمل المحرك في حالة تلف لفائف المحرك وارتفاع درجة حرارة المحرك.
لذلك يعمل وفقًا لوظيفته الأساسية ولا يسمح للمحرك بالارتفاع في درجة الحرارة أو التلف. عند اكتشاف عطل، يفتح المرحل تلامسًا صغيرًا يُستخدم في دائرة القاطع. بعد انقطاع تلامس القاطع، يتوقف المحرك عن العمل لكن المرحل يتطلب إعادة ضبط يدوية.
في الواقع، يحمي المرحل السعة الحرارية للمحرك حيث أن التيار هو مجرد مؤشر غير مباشر عليها. إذا كان المحرك يعمل بدرجة حرارة مرتفعة، سيكون من الصعب على المرحل إيقاف المحرك مقارنةً بتشغيل الجهاز في وضع بارد لأنه يجب أن يأخذ في الاعتبار الحرارة المتراكمة في المحرك قبل تشغيله.
تُظهر الممارسة أنه إذا كان المحرك مزودًا بالحماية المناسبة، فلا يهم حجم المرحل. المشكلة الرئيسية مع المرحل هي ما إذا كان يعمل أم لا، فزيادة سعة المرحل لا تعني شيئًا ما لم يتم اكتشاف السبب الجذري الرئيسي للمشكلة. النسخة المتكاملة من التجميع الكامل، القاطع بالإضافة إلى المرحل والحاوية، هي ما يُسمى مُشغل المحرك من هذا النوع الحزم، وشراؤه كوحدة واحدة يزيل خطر عدم التوافق بين القاطع والمرحل الذي يسبب معظم أخطاء التركيب.
كيف يعمل مرحل الحمل الزائد للمحرك، نوعًا بنوع
يتميز السوق بآليتين سائدتين وآلية واحدة ظهرت حديثًا.
- الأولى هي ثنائي المعدن، الذي يستخدم التسخين غير المباشر. يمر كل طور عبر عنصر يتم تسخينه بواسطة مكون ثنائي المعدن، الذي يتكون من معدنين مختلفين يتوسّعان بمعدلات مختلفة بحيث ينحني مع الحرارة. عند الانحناء، يؤثر على شريط الجمع ورافعة، التي تطلق آلية النقر وتفتح التلامس 95-96. التسخين غير المباشر يعني أن السخان مسؤول عن تسخين ثنائي المعدن بدلاً من التيار الكهربائي الذي ينقل الحرارة عبر ثنائي المعدن. الميزة هي أنه من الممكن استخدام إطار واحد لمستويات تيار مختلفة عن طريق تغيير السخان. نتيجة هذا التصميم هو تحقيق تأثير الزمن العكسي. عند التيار المصنف المضاعف، ينحني ثنائي المعدن ببطء، وعند ستة أضعاف التيار يكون الانحناء سريعًا. هذا يتوافق مع السلوك الفيزيائي للمحرك، الذي لديه القدرة على تحمل تيار عالي لفترة قصيرة وتيار منخفض في وضع الخمول. هناك ثنائي معدن مختلف لأغراض التعويض يلغي تأثير درجة حرارة البيئة.
- النوع الثاني هو إلكتروني. تقوم محولات التيار بمراقبة قيمة التيار لكل طور، وبناءً على ذلك يتخذ دائرة إلكترونية قرارًا وفقًا للنموذج الحراري وتفعّل مرحلًا صغيرًا أو ترانزستورًا يقوم بتشغيل الدائرة. لا يوجد سخان في هذه العملية – وDVR قادر على تبديل تيارات مختلفة فقط عن طريق تغيير الإعداد. تُستخدم هذه الأجهزة الكهربائية لحماية المحرك، حيث تجمع في جهاز واحد وظائف أجهزة القصر المغناطيسي والحمل الزائد الحراري.
بغض النظر عن نوع الحماية المستخدمة، الاتصال الكهربائي هو نفسه: الأطراف 95-96 هي التلامسات المغلقة عادةً للتشغيل متصلة على التوالي مع ملف القاطع بينما الأطراف 97-98 مفتوحة عادةً وتستخدم إما كتلامسات إشارة أو لإرسال إشارة إلى PLC. المرحل المتصل عبر الأطراف 97-98 بدلاً من 95-96 لن يفصل أبدًا، ويحدث هذا الخطأ بشكل متكرر بما يكفي ليتم فحصه بواسطة المقياس في كل مرة يتم فيها استلام لوحة. جانب الملف من نفس الدائرة مغطى في هذه مواصفات قواطع التيار المتردد, ، التي تحدد جهد الملف الذي يجب أن يتطابق معه دائرة التحكم.
حراري أم إلكتروني: المقارنة الصادقة
كلاهما إجابات صحيحة لأعمال مختلفة، وفارق السعر أصغر من فرق الميزات.
| العامل | حراري (ثنائي المعدن) | إلكتروني |
|---|---|---|
| الدقة | ±10% إلى 20% حول الإعداد | عادة ±5% أو أفضل |
| تعويض المحيط | −20 إلى +60 درجة مئوية على معظم الإطارات | −25 إلى +60 درجة مئوية، أوسع في بعض الحالات |
| فئة الفصل | ثابتة عند الشراء، عادة الفئة 10 | قابلة للاختيار، غالبًا من 5E إلى 30E |
| الذاكرة الحرارية | عن طريق التبريد الفيزيائي، وهو أمر واقعي | حسب الطراز والحالة المخزنة |
| التشخيصات | فصل أو عدم فصل | التيار لكل طور، الحمل الحراري، سبب الفصل |
| السعر | الأدنى | من مرتين إلى خمس مرات الحمل الحراري، تناقصي |
| الأفضل لـ | المضخات القياسية، المراوح، البادئات البسيطة | المحركات الحرجة، الأحمال عالية القصور الذاتي، المنشآت الشبكية |
العيب في المرحل الحراري هو أنه يستخدم ثنائي المعدن الذي يعمل بنفس طريقة المحرك ولكن ليس بطريقة تلغي عيوبه. لا يشير المرحل الحراري إلى سبب الفصل ويتأثر بدرجة الحرارة في اللوحة. علاوة على ذلك، تتأثر دقة المرحل الحراري بعوامل أخرى، مثل تحمّلات السخان.
العيب في المرحل الإلكتروني هو اعتماده على الإعدادات الصحيحة ومصدر الطاقة. إذا كان هناك مشكلة في الإخراج، فلن يصدر أي إشارة. ومع ذلك، هناك فائدة بسبب إمكانية استخدام القراءات التي يتم الحصول عليها من المرحل الإلكتروني من قبل فريق الصيانة لتطبيقات أخرى. يتم توضيح سلوك جهة القاطع تحت نفس الحمل في هذه إرشادات اختيار القواطع الكهربائية وتوصيلها, ، لأن المرحل يحمي المحرك فقط إذا صمد القاطع لفترة كافية لقطعه.
فئة الفصل: الإعداد الذي يسبب معظم حالات الفصل غير المرغوب فيها
وفقًا لمعيار IEC 60947-4-1، تشير فئة الفصل إلى الوقت المستغرق للفصل عند 7.2 ضعف التيار المضبوط مسبقًا عندما يكون المحرك باردًا. تم تطويرها للسماح للمحركات بمرور عملية بدء التشغيل دون استشعار التيار حتى يتوقف المحرك تمامًا.
| الفئة | وقت الفصل عند 7.2 × الإعداد، من حالة باردة | الحمل النموذجي |
|---|---|---|
| 10A | من 2 إلى 10 ثوانٍ | بدء تشغيل سريع، قصور ذاتي منخفض، تبريد محكم |
| 10 | من 4 إلى 10 ثوانٍ | المضخات، المراوح، الناقلات الصغيرة، الخدمة العامة |
| 20 | 6 إلى 20 ثانية | الناقلات المحملة، الضواغط، المراوح الأكبر |
| 30 | 9 إلى 30 ثانية | الكسارات، المطاحن، الطاردات، الأحمال ذات العزم العالي |
الطلب على استخدام نطاق التحمل E في المرحلات الإلكترونية هو أن المعدلات الدنيا للفئات أقل من غيرها، 3 ثوانٍ لـ 5E، 5 ثوانٍ لـ 10E، 10 ثوانٍ لـ 20E، و20 ثانية لـ 30E مع كون المعدلات العليا مساوية لتلك الخاصة بالفئات الأخرى.
من أجل اتخاذ القرار بشأن فئة الفصل المناسبة، يمكن تبسيط المتطلبات الأولية: يجب أن تكون أطول من زمن بدء تشغيل المحرك. ومع ذلك، على الرغم من بساطة القاعدة الموضحة، هناك خطر في ارتكاب خطأ أثناء اختيار المرحل. عند استخدام مرحل فئة 10 مع محرك يستغرق 14 ثانية للوصول إلى سرعة العمل، سيفصل في كل محاولة، لذا سيكون الإغراء هو تعديل تيار الضبط بدلاً من تغيير فئة المرحل، مما سيؤدي إلى حل المشكلة لكنه يحرم المحرك من الحماية.
غالبًا ما يرتكب الأشخاص أخطاء عند حساب التيار المحتمل في حالة استخدام بادئ نجمة-دلتا. التيار المار عبر مرحل الحمل الزائد المثبت على القاطع الرئيسي يساوي 0.58 من التيار الاسمي للمحرك. إذا كان هناك مرحل حمل زائد إضافي يحمي المحرك خلال مرحلة النجمة، فسيتم ضبطه للعمل عند ثلث قيمة التيار.
ما الذي يسبب فصل مرحل الحمل الزائد، وما الذي لا يسببه
قائمة الأسباب الحقيقية صغيرة مقارنة بالقائمة الطويلة للأسباب المزعومة المرتبطة بالأحمال الزائدة.
يحدث حمل زائد على المحرك عندما يتجاوز التيار الفعلي التصنيف لفترة كافية لتجاوز الحد الحراري. هناك أربعة أسباب رئيسية للأحمال الزائدة: مشاكل ميكانيكية، مثل محمل عالق، أو انسداد أو انحراف المروحة؛ مشاكل في الإمداد، مثل انخفاض الجهد، حيث يزداد التيار؛ تغييرات في الاستخدام، مثل زيادة وزن قطعة العمل، أو إغلاق المخمد؛ وفشل في بدء التشغيل، حيث لا يغير المحرك سرعته ويبقى في وضع التيار المحظور.
ومع ذلك، يجب ملاحظة بعض الأخطاء التي يرتكبها الأشخاص في تفسير الأحمال الزائدة. بعضها: قصر الدائرة المرتبط بالقاطع؛ خطأ أرضي يتطلب الحماية بواسطة RCD؛ احتراق جهات الاتصال الرئيسية للقاطع مما يؤدي إلى دائرة مفتوحة؛ وخلل في دائرة التحكم يظهر في فشل القفل. الأخير هو أكثر التفسيرات الخاطئة شيوعًا لأنه ينتج نفس العرض: توقف كامل للمحرك، الذي يجب إعادة تشغيله. القاطع الذي فقد مرحلة بسبب تآكل جهة الاتصال سيستهلك تيارًا أكبر في المراحل المتبقية وسيبدو تمامًا كحمل زائد حتى يقوم شخص ما بفحصه، وأعراض هذا الفشل موضحة في هذا العرض. أعراض فشل الكونتاكتور.
التكرار في فصل التيار على محرك مستخدم لسنوات هو مشكلة ميكانيكية، وليس إشارة. التكرار في فصل التيار على تركيب جديد هو على الأرجح خطأ في الإعداد أو الفئة. أي فصل يحدث فقط خلال الصيف من المحتمل أن يكون مرتبطًا بدرجة الحرارة. أي فصل عند بدء التشغيل من المحتمل أن يكون خطأ في الفئة أو خطأ في إعداد النجمة-المثلث. أسرع طريقة لتصنيف الفصل هي حسب توقيته.
ضبط المقياس: التيار المقنن، وليس تيار الفصل
يتم معايرة المقياس وفقًا لتصنيف التيار الكامل للمحرك المكتوب على لوحة الاسم وليس لقيمة تمنع الفصل. يحدد المعيار IEC 60947-4-1 أن المرحل يجب ألا يفصل تحت ظروف يتجاوز فيها التيار هذه القيمة بمعامل 1.05، ويجب أن يفصل خلال ساعتين عندما يتجاوز التيار هذه القيمة بمعامل 1.2. تصبح القيمة على المقياس نقطة البداية لرسم خصائص الزمن العكسي للمرحل.
النطاق النموذجي للإعدادات هو 1.5:1، على سبيل المثال 7.5-11 أمبير، ويجب أن يضمن عمل المحرك ضمن النطاق المحدد بدلاً من القيم القصوى للسماح بإعادة ضبط صغيرة لاحقًا. في الحالات التي يتجاوز فيها عامل الخدمة للمحرك 1.0، سيكون من المعقول ضبطه أعلى قليلاً من المحدد في معلومات لوحة الاسم. إذا كان عامل الخدمة يساوي 1.0، فيجب ضبطه وفقًا لبيانات لوحة الاسم أو أقل قليلاً من هذا الرقم.
بمجرد الانتهاء من التشغيل، يجب الالتزام بالخطوات الثلاث التالية. يجب قياس التيار الجاري للإعداد المكتمل ومقارنته مع التيار الموجود على لوحة الاسم. يجب تسجيل الإعداد نفسه في جدول اللوحة. الخطوة الأخيرة هي اختيار وضع التغيير، يدوي أو تلقائي، اعتمادًا على ما إذا كان شخص ما سيراقب المعدات أم لا.
حيث يغير فقدان الطور كل شيء
قد يخلق فقدان الطور حالة التحميل الزائد الأكثر خطورة التي قد يواجهها محرك ثلاثي الطور. عندما يفشل أحد الأطوار ويستمر المحرك في العمل على طورين، يرتفع التيار المار عبر اللفات المتبقية بشكل حاد ويتحمل جزءًا من حمل التيار على المرحل ثنائي المعدن. قد يكون المرحل ثنائي المعدن العادي بطيئًا بما يكفي للسماح بحدوث أول تلف في اللفات.
البناء الحساس لفقدان الطور، الذي يُشار إليه أحيانًا بالفرق، سيشمل قضيب جمع ثانٍ يستشعر الفرق في الانحراف بين الأطوار. الطور المفقود أو غير المتوازن سيؤدي إلى فصل المرحل أسرع من التحميل الزائد المتماثل بنفس الحجم. الأرقام المنشورة توضح التأثير بوضوح. في عائلة مرحلات شائعة، التيار النهائي للفصل هو 120% من الحمل الكامل، ومع فقدان الطور يكون 115%. المرحلات الحديثة وفقًا لمعيار IEC حساسة لفقدان الطور بشكل افتراضي؛ المخزون القديم والواردات الرخيصة غالبًا ما تكون كذلك، ولا توضح ورقة البيانات ذلك دائمًا بوضوح.
اختيار المرحل حسب التطبيق
خمس حالات شائعة وما يجب تحديده لكل منها.
| التطبيق | المواصفات المهمة | النوع المقترح |
|---|---|---|
| مضخة أو مروحة، مباشرة على الخط | الفئة 10، حساسية فقدان الطور، إعادة تعيين يدوية | مرحل حراري، مركب على القاطع |
| ناقل محمل أو ضاغط | الفئة 20، ذاكرة حرارية، إعادة تعيين عن بُعد | مرحل إلكتروني مع فئة قابلة للاختيار |
| كسارة، مطحنة، طرد مركزي | الفئة 30، كشف توقف الدوار، التيار لكل طور | مرحل إلكتروني مع اتصالات |
| بادئ نجمة-دلتا | ضبط عند 0.58 ضعف التيار المقنن، المرحل الثاني في النجمة | حراري، بحجم القاطع الرئيسي |
| محرك واحد، تصنيف صغير | مدمج مغناطيسي وحراري، جهاز واحد | قاطع حماية دائرة المحرك |
في الحالات التي تصنع فيها المنشأة بادئاتها الخاصة بدلاً من شرائها، يشكل المرحل جزءًا من ثلاثي العناصر اللازمة لاتخاذ القرار. يجب أن يتم التنسيق بين المرحل والقاطع بحيث لا يتضرر البادئ نتيجة لإزالة العطل؛ وهذا هو جوهر معنى التنسيق من النوع 2، ودرجة النجاح في تحقيق ذلك تعتمد بالكامل على اختيار الجهاز الأعلى. قاطع دائرة صغير بإطار 63 أمبير هو الخيار الأعلى المعتاد على البادئات الصغيرة، ويجب أن تتطابق منحنياته مع تيار بدء المحرك أو أن يبدأ القاطع في إزالة العطل بدلاً من المرحل.
الأسئلة الشائعة
ما وظيفة مرحل الحمل الزائد في دائرة المحرك؟
لحماية لف المحرك من التيار الزائد المطول، تتكون الطريقة من فتح دائرة التحكم بمجرد أن يكون زمن التيار كافياً لتجاوز القدرة الحرارية للمحرك. لا يقضي على الدوائر القصيرة ولا يمكن أن يحل محل القاطع أو الفيوز قبل دائرة التحكم.
ما الغرض من مرحل الحمل الزائد الحراري في بادئ المحرك؟
يعمل هذا الحماية باستخدام شرائط ثنائية المعدن يتم تسخينها بواسطة تيار المحرك. ميزته في مفتاح البدء أنه لا يتطلب أي مصدر طاقة إضافي ويتصرف مثل المحرك في خصائص الحرارة والتيار. لذلك، يظل هذا النوع من الحماية هو المعيار للبادئات البسيطة المباشرة على الخط.
كيف يعمل مرحل الحمل الزائد للمحرك؟
يتم مقارنة الحرارة الناتجة عن التيار في شريط ثنائي المعدن أو محول التيار مع نموذج حراري. ومع ذلك، إذا تجاوز الإشارة الناتجة الحد وفقًا لفئة الفصل، يفتح تلامس مغلق عادةً ويسقط القاطع. يبقى القاطع مقفلًا حتى يتم إعادة التعيين.
ما أنواع مرحلات الحمل الزائد المستخدمة في بادئ المحرك؟
تُستخدم أربعة أنواع من المرحلات عادة في التطبيقات العملية. وهي المرحل الحراري ثنائي المعدن، المرحل الإلكتروني للحمل الزائد، قاطع دائرة حماية المحرك الذي يجمع خصائص المرحلات الحرارية والمغناطيسية، وكتلة الحمل الزائد الحالة الصلبة التي تستخدم طرقًا إلكترونية لقياس الحمل الزائد ولكن لها نفس أبعاد المرحلات التي تعمل حراريًا.
ما الذي يسبب فصل مرحل الحمل الزائد؟
The occurrence of mechanical overload, low voltage supply, changes in the operational load, or a motor that fully fails to attain speed. In an older installation, a potential mechanical problem will show signs of multiple trips; however, a new installation could simply indicate the need for a different trip class or the wrong trip setting.
Does an overload relay protect against short circuit?
No, it is purposely made slow so that it can be able to pass through the starting of motors. Hence, it does not work for fault current. Hence, separate protection has to be provided against short circuit failures. These two devices have to be chosen together, so that starter survives the failure without being damaged.
Can I set the overload relay above the motor’s rated current?
The service factor can only be set higher if there is a valid reason for that. Putting the service factor higher to avoid nuisance trips defeats the purpose of having the motor in the first place, and instead of a trip, the next failure will be a winding.
المراجع
- Siemens — SIRIUS Overload Relay Technical Documentation
- ABB — Thermal and Electronic Overload Relays
- Newark — Overload Relay and Motor Protection Components
- Grainger — Motor Controls and Overload Relays
- NEMA — Motor Control Equipment Standards
الخلاصة
An overload relay is slow at its work, guarding the appliance energetically. The essence of its task is to detect slight prolonged overcurrent, which implies setting its dial at motor rated current, the trip class just over the start time, and understanding that a trip is information only.
The only defects to watch for are a relay set too high and a relay 95-96 contact not connected to the coil circuit. In both cases, a motor is still unprotected even with a seemingly fully assembled panel, and checking for both cases doesn’t take more than a minute.
