محافظ حرارتی موتور چه کاری انجام می دهد و چگونه کار می کند؟

موتورهای الکتریکی در همه چیز از لوازم خانگی و سیستم‌های HVالفC گرفته تا کمپرسورهای صنعتی و ایستگاه‌های پمپ یافت می‌شوند. با وجود قابلیت اطمینان، موتورها در برابر یک شرایط مخرب آسیب پذیر هستند: گرمای بیش از حد. دمای بیش از حد عایق سیم پیچ را تخریب می کند، خرابی یاتاقان را تسریع می کند و در موارد شدید باعث فرسودگی دائمی موتور می شود. محافظ حرارتی موتور یک دستگاه ایمنی اختصاصی است که برای تشخیص افزایش دمای خطرناک در داخل موتور و قطع مدار قبل از آسیب غیرقابل برگشت طراحی شده است. درک نحوه عملکرد محافظ های حرارتی، نوع مناسب با کاربرد شما و نحوه نصب و آزمایش صحیح آنها برای مهندسان، تکنسین های تعمیر و نگهداری و طراحان تجهیزات ضروری است.

محافظ حرارتی موتور چیست؟

A محافظ حرارتی موتور یک دستگاه سوئیچینگ حساس به دما است که در سیم پیچ موتور تعبیه شده یا روی آن نصب شده است تا دمای کارکرد را کنترل کند و در صورت تجاوز از دمای از پیش تعیین شده، موتور را از منبع تغذیه آن جدا کند. برخلاف رله‌های اضافه بار خارجی که دما را از کشش جریان استنباط می‌کنند، یک محافظ حرارتی مستقیماً به دمای واقعی در سطح سیم‌پیچ موتور پاسخ می‌دهد و بدون توجه به علت آن، پاسخ حفاظتی دقیق‌تر و سریع‌تری به تنش حرارتی ارائه می‌کند.

محافظ های حرارتی در موتورهای تک فاز و سه فاز در طیف گسترده ای از رتبه بندی های قدرت، از موتورهای کسری اسب بخار در فن های خانگی و یخچال ها تا موتورهای چند کیلوواتی در ماشین آلات صنعتی استفاده می شود. آنها به عنوان تنظیم مجدد خودکار طبقه بندی می شوند - جایی که دستگاه پس از خنک شدن موتور به دمای ایمن مدار را دوباره وصل می کند - یا تنظیم مجدد دستی، که در آن مداخله اپراتور قبل از راه اندازی مجدد موتور لازم است. انتخاب بین این دو حالت تنظیم مجدد پیامدهای مهمی برای ایمنی و مناسب بودن برنامه دارد.

محافظ حرارتی موتور چگونه کار می کند

اصل کار اکثر محافظ های حرارتی موتور بر اساس مکانیزم دیسک دو فلزی است. دیسک دو فلزی یک عنصر ساخته شده با دقت است که از دو آلیاژ فلزی متصل با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت ساخته شده است. در دمای عملیاتی معمولی، دیسک شکل محدب را حفظ می کند و تماس های الکتریکی را در یک موقعیت بسته (رسانا) نگه می دارد. با افزایش دما به آستانه سفر - معمولاً بین 115 تا 150 درجه سانتیگراد بسته به کلاس عایق موتور - انبساط تفاضلی بین دو لایه فلزی باعث می شود که دیسک به شکل مقعر معکوس خود بچسبد و به طور فیزیکی کنتاکت های الکتریکی را جدا کرده و مدار را باز کند.

هنگامی که موتور به دمای تنظیم مجدد خنک می شود - که برای ایجاد شکاف هیسترزیس حرارتی همیشه از دمای سفر پایین تر است - دیسک دو فلزی به موقعیت اصلی خود باز می گردد و کنتاکت ها را می بندد و به موتور اجازه راه اندازی مجدد می دهد. این مکانیسم عمل سریع مهم است زیرا به جای جدا شدن تدریجی که باعث ایجاد قوس و فرسایش تماسی می شود، باز شدن تماس تمیز و سریع را تضمین می کند. برخی از محافظ‌های حرارتی پیشرفته، یک عنصر مقاومت بخاری را در کنار دیسک دو فلزی ترکیب می‌کنند، که گرمای تکمیلی متناسب با جریان موتور تولید می‌کند و مزایای سنجش مستقیم دما را با حفاظت پاسخ‌دهنده به جریان ترکیب می‌کند.

انواع محافظ حرارتی موتور

چندین نوع متمایز از محافظ های حرارتی موتور موجود است که هر کدام برای طراحی های مختلف موتور، الزامات نصب، و فلسفه های حفاظتی مناسب هستند.

تنظیم مجدد خودکار محافظ های حرارتی

محافظ های تنظیم مجدد خودکار پس از خنک شدن کافی موتور بدون دخالت اپراتور برق را به موتور باز می گرداند. آنها به طور گسترده در لوازم خانگی مانند یخچال، تهویه مطبوع و ماشین لباسشویی استفاده می شوند که در آن انتظار می رود عملکرد مداوم با حداقل نظارت وجود داشته باشد. خطر اصلی دستگاه های تنظیم مجدد خودکار این است که موتور ممکن است به طور غیرمنتظره ای پس از یک سفر راه اندازی مجدد شود، که در برنامه هایی که راه اندازی مجدد خود به خودی می تواند به پرسنل آسیب برساند یا به تجهیزات آسیب برساند غیرقابل قبول است. در چنین مواردی، محافظ تنظیم مجدد خودکار باید در ترکیب با یک قفل خارجی یا مدار کنترل کنتاکتور استفاده شود.

بازنشانی دستی محافظ های حرارتی

محافظ‌های بازنشانی دستی از اپراتور می‌خواهند تا قبل از شروع مجدد موتور پس از یک حرکت حرارتی، دکمه تنظیم مجدد را فشار دهد. این نوع توسط مقررات ایمنی برای موتورهای مورد استفاده در تجهیزاتی که راه اندازی مجدد غیرمنتظره خطرناک است، مانند ابزارهای برقی، پمپ ها و ماشین آلات صنعتی، الزامی است. نیاز به تنظیم مجدد دستی اپراتور را مجبور می کند تا به طور فیزیکی به موتور توجه کند و فرصتی را برای بررسی علت گرمای بیش از حد قبل از بازگرداندن تجهیزات به سرویس فراهم می کند - گام مهمی در جلوگیری از تکرار رویدادهای حرارتی.

محافظ دیسک به سبک Klixon

محافظ به سبک کلیکسون (نام برند اصلی اما اکنون به طور عمومی استفاده می شود) یک دستگاه دیسک دو فلزی فشرده و مهر و موم شده است که برای جاسازی مستقیم در سیم پیچ موتور طراحی شده است. ضریب فرم کوچک آن به آن اجازه می دهد تا در حین ساخت موتور در داغ ترین نقطه سیم پیچ قرار گیرد و از مستقیم ترین و پاسخگوترین نظارت بر دما اطمینان حاصل شود. دستگاه‌های سبک کلیکسون در موتورهای کمپرسور هرمتیک استاندارد هستند که در سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع استفاده می‌شوند.

محافظ های مبتنی بر ترمیستور PTC

ترمیستورهای ضریب دمای مثبت (PTC) حسگرهای نیمه هادی هستند که مقاومت الکتریکی آنها در آستانه دمایی خاص به شدت افزایش می یابد. ترمیستور PTC هنگامی که در سیم‌پیچ‌های موتور تعبیه شده و به یک رله یا ماژول کنترل خارجی متصل می‌شود، به جای قطعی مدار مستقیم، یک خروجی در سطح سیگنال ارائه می‌کند. ماژول کنترل مقاومت را کنترل می کند و هنگامی که مقاومت از مقدار آستانه فراتر رفت، کنتاکتور را خاموش می کند. حفاظت ترمیستور PTC در موتورهای صنعتی سه فاز ترجیح داده می شود زیرا امکان نظارت از راه دور، ادغام با مراکز کنترل موتور و پاسخ به رانش حرارتی تدریجی را فراهم می کند که محافظ های دو فلزی ممکن است تشخیص ندهند.

مشخصات کلیدی که قبل از انتخاب محافظ حرارتی باید بدانید

انتخاب محافظ حرارتی صحیح مستلزم تطبیق مشخصات آن با مشخصات الکتریکی موتور و محیطی است که در آن کار خواهد کرد. استفاده از محافظی با درجه بندی نادرست منجر به خاموش شدن مزاحم در شرایط عملیاتی معمولی می شود یا بدتر از آن، هنگامی که گرمای بیش از حد واقعی اتفاق می افتد، خاموش نمی شود.

دمای سفر باید متناسب با کلاس عایق موتور انتخاب شود. عایق‌های کلاس B (در درجه‌بندی 130 درجه سانتی‌گراد) معمولاً با دمای سفر 120 تا 130 درجه سانتی‌گراد جفت می‌شوند، در حالی که عایق‌های کلاس F (تا 155 درجه سانتی‌گراد) می‌توانند دمای سفر تا 145 تا 155 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. انتخاب دمای سفر خیلی نزدیک به حد مجاز کلاس عایق، حاشیه حفاظتی را کاهش می دهد. انتخاب یکی از موارد خیلی کم باعث سفرهای مزاحم تحت عملکرد معمولی با بار سنگین می شود.

دلایل رایج داغ شدن بیش از حد موتور که محافظ های حرارتی از آن محافظت می کنند

محافظ حرارتی موتور آخرین خط دفاعی در برابر طیفی از ناهنجاری‌های عملیاتی است که همگی در نتیجه یکسانی همگرا هستند: دمای سیم پیچ به‌طور خطرناکی افزایش می‌یابد. درک این دلایل به تیم های تعمیر و نگهداری کمک می کند تا به جای تکیه مکرر به محافظ حرارتی برای پوشاندن مشکلات اساسی، به علل ریشه ای رسیدگی کنند.

• اضافه بار: کارکردن یک موتور بالاتر از جریان بار کامل نامی آن باعث می شود که تلفات I²R در سیم پیچ ها متناسب با مجذور جریان اضافی افزایش یابد. حتی 10 درصد اضافه بار جریان برای مدت طولانی به طور قابل توجهی تنش حرارتی روی عایق سیم پیچ را تسریع می کند.
• وضعیت روتور قفل شده: هنگامی که روتور به طور مکانیکی گیر می کند و نمی تواند بچرخد، موتور جریان روتور قفل شده - معمولاً پنج تا هفت برابر جریان بار کامل - را به طور مداوم می کشد. بدون محافظ حرارتی، این شرایط بسته به اندازه موتور در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه موتور را از بین می برد.
• عدم تعادل ولتاژ یا تک فاز: در موتورهای سه فاز، عدم تعادل ولتاژ کمتر از 3.5٪ باعث عدم تعادل جریان تا 25٪ می شود، به طور چشمگیری گرما را در سیم پیچ های فاز آسیب دیده افزایش می دهد. تک فاز - از دست دادن یک فاز تغذیه - باعث می شود موتور تلاش کند تا بار را در دو فاز حفظ کند و جریان شدید و تنش حرارتی ایجاد کند.
• شروع و توقف مکرر: هر شروع موتور جریان هجومی بالایی می کشد که پالس گرما را در سیم پیچ ها ایجاد می کند. موتورهایی که در معرض چرخه‌های استارت و توقف غیرمعمول مکرر قرار می‌گیرند، تنش حرارتی را سریع‌تر از آنچه رتبه‌بندی‌های حالت پایدار نشان می‌دهند جمع می‌کنند، که حفاظت حرارتی داخلی را از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌کند.
• تهویه ناکافی: مسدود شدن راه های هوایی خنک کننده، گرفتگی فیلترهای هوا یا دمای بیش از حد محیط، توانایی موتور را در دفع گرما کاهش می دهد. موتوری که در محیطی با دمای 50 درجه سانتیگراد کار می کند، فضای سر حرارتی بسیار کمتری نسبت به موتوری که در دمای محیطی استاندارد 40 درجه سانتیگراد بر اساس رتبه بندی پلاک آن کار می کند، دارد.
• خرابی بلبرینگ: یاتاقان های گیر کرده یا به شدت فرسوده شده، بار اصطکاک مکانیکی را افزایش می دهند و موتور را مجبور می کنند تا جریان بیشتری برای حفظ سرعت بکشد. تلفات اضافی I²R مستقیماً در سیم پیچ گرما ایجاد می کند و خود اصطکاک در محل یاتاقان گرما ایجاد می کند که هر دو به افزایش حرارت کلی کمک می کنند.

سیم کشی و نصب محافظ حرارتی موتور

سیم کشی صحیح برای عملکرد یک محافظ حرارتی ضروری است. یک محافظ سیمی نادرست ممکن است مدار را در یک سفر قطع نکند یا به دلیل تماس حرارتی ضعیف با سیم پیچ باعث خاموش شدن مزاحم غیرضروری شود.

سیم کشی سری در مدار اصلی

در موتورهای تک فاز کسری اسب بخار، محافظ حرارتی مستقیماً به صورت سری با مدار سیم پیچ اصلی سیم کشی می شود. هنگامی که دیسک دو فلزی خاموش می شود، مستقیماً جریان جریان به موتور را قطع می کند. این ساده ترین و مستقیم ترین روش حفاظتی است که نیازی به رله یا مدار کنترل خارجی ندارد. محافظ باید برای جریان کامل موتور و ولتاژ تغذیه درجه بندی شود تا از قطع تماس ایمن در تمام شرایط خطا از جمله روتور قفل شده اطمینان حاصل شود.

سیم کشی مدار کنترل برای موتورهای بزرگتر

برای موتورهای بزرگتر که درجه تماس محافظ برای حمل جریان کامل موتور کافی نیست، محافظ حرارتی در مدار کنترل کنتاکتور موتور یا استارت سیم کشی می شود. کنتاکت های محافظ فقط جریان مدار کنترل پایینی (معمولاً 5 آمپر یا کمتر) را حمل می کنند و در صورت خاموش شدن، سیم پیچ کنتاکتور را خاموش می کنند، که سپس کنتاکت های اصلی برق را باز می کند و موتور را از منبع تغذیه جدا می کند. این آرایش با استفاده از یک عنصر محافظ حرارتی فشرده و ارزان، حفاظت کاملی را برای موتورهای با جریان بالا فراهم می کند. در کاربردهای سه فاز، ترمیستورهای PTC متصل به یک ماژول رله اختصاصی، از همان اصل قطع مدار کنترل پیروی می کنند.

قرارگیری فیزیکی در سیم پیچ

برای محافظ‌های حرارتی تعبیه‌شده که در طول ساخت موتور نصب می‌شوند، دستگاه باید مستقیماً در مقابل پیچ‌های انتهایی سیم‌پیچ در داغ‌ترین نقطه استاتور، معمولاً در نقطه میانی پیش‌آمدگی سیم‌پیچ قرار گیرد. تماس حرارتی خوب بین بدنه محافظ و سیم پیچ بسیار مهم است. محافظ ها باید با لاک یا اپوکسی مقاوم در برابر حرارت محکم شوند و با همان مواد عایق سیم پیچ اطراف پوشانده شوند. شکاف های هوا بین محافظ و سطح سیم پیچ اتصال حرارتی را کاهش می دهد و باعث می شود دستگاه دیرتر از آنچه در نظر گرفته شده است از بین برود - کارایی حفاظت را کاهش می دهد.

تست و عیب یابی محافظ های حرارتی موتور

یک محافظ حرارتی که خاموش شده و تنظیم مجدد نشده است، یا محافظی که به طور مکرر بدون علت ظاهری کار می کند، قبل از بازگشت موتور به کار نیاز به تشخیص سیستماتیک دارد. تنظیم مجدد و راه اندازی مجدد کورکورانه بدون بررسی خطر آسیب موتور و حوادث ایمنی را به همراه دارد.

• تست تداوم در دمای محیط: از یک مولتی متر در حالت تداوم یا مقاومت برای بررسی کنتاکت های محافظ حرارتی در زمانی که موتور سرد است استفاده کنید. یک محافظ تنظیم مجدد خودکار با عملکرد مناسب باید مقاومت نزدیک به صفر (مخاطبین بسته) را در دمای محیط نشان دهد. خواندن باز در دمای سرد نشان دهنده خرابی دستگاه یا محافظ تنظیم مجدد دستی است که بازنشانی نشده است.
• بررسی دمای سفر با گرمایش کنترل شده: برای محافظ های برداشته شده، یک اجاق گاز یا تفنگ حرارتی با یک ترموکوپل مدرج می تواند تأیید کند که دستگاه در محدوده دمایی مشخص شده خود کار می کند. این آزمایش هنگام تأیید اعتبار قطعات جایگزین یا بررسی دستگاه های مشکوک خارج از مشخصات مفید است.
• بررسی علل ایجاد مزاحمت: اگر محافظ در حین کارکرد عادی به طور مکرر خاموش می شود، جریان واقعی موتور را در برابر درجه آمپر بار کامل (FLA) در پلاک نام اندازه گیری کنید. مقدار جریان بالای FLA نشان‌دهنده اضافه بار مکانیکی، ولتاژ پایین منبع تغذیه یا یک خطای موتور است - همه این موارد باید قبل از اینکه محافظ بتواند محافظت پایداری ارائه دهد، اصلاح شود.
• بازرسی از نظر تماس حرارتی ضعیف: در موتورهایی که محافظ در دسترس است، بررسی کنید که در برابر سیم پیچ محکم و بدون شکاف هوایی قابل مشاهده باشد. لرزش در طول زمان می‌تواند محافظ‌ها را شل کند، جفت حرارتی آن‌ها را کاهش دهد و باعث تاخیر یا از دست رفتن پاسخ‌های سفر شود.

نتیجه گیری

محافظ حرارتی موتور وسیله ای فشرده اما بسیار مهم است که در برابر یکی از رایج ترین و پرهزینه ترین علل خرابی موتور محافظت می کند. با انتخاب نوع صحیح - تنظیم مجدد خودکار یا دستی، دیسک دو فلزی یا ترمیستور PTC - و تطبیق دمای سفر، درجه جریان و درجه ولتاژ آن دقیقاً با مشخصات موتور و الزامات کاربردی، مهندسین و متخصصان تعمیر و نگهداری می‌توانند اطمینان حاصل کنند که موتورها در طول عمر مفید خود محافظت حرارتی قابل اعتماد و پاسخگو دریافت می‌کنند. همراه با شیوه های نگهداری خوب که به دلایل اصلی گرم شدن بیش از حد موتور می پردازد، یک محافظ حرارتی که به درستی مشخص و نصب شده است، زمان توقف برنامه ریزی نشده را کاهش می دهد، عمر موتور را افزایش می دهد و ایمنی تجهیزات را در هر صنعتی که به سیستم های موتور الکتریکی وابسته است، بهبود می بخشد.