وجود قطعات الکتریکی مختلف سبب شده است که بشر بتواند کارهای خود را راحت تر انجام دهد و زندگی بهتری داشته باشد. رله ها یکی از پرکاربرد ترین قطعات الکتریکی یا برقی می باشند که مزایای بسیاری دارند و وجود آن ها در صنعت برق به عنوان یک نیاز اساسی محسوب می شود. باید بیان شود که در این مقاله از وب سایت آژند برق به بررسی رله ها و رله زمانی می پردازیم. بنابراین برای کسب اطلاعات بیشتر درباره این قطعات بسیار مهم، تا انتهای این مقاله با وب سایت آژند برق همراه باشید.
رله زمانی چیست ؟
باید بیان شود که رله زمانی یکی از قطعات مهم در ساخت و طراحی انواع تابلوهای برق می باشد که امکان کنترل خودکار تابلو را فراهم می کند. هر کس که با مدارهای قدرت سر و کار دارد باید با تجهیزات مورد استفاده در این صنعت نیز آشنایی داشته باشد. به همین دلیل بخش مهم و اعظمی از این مقاله را به رله های زمانی اختصاص داده ایم.
هر رله زمانی یا همان تایمر شامل موارد زیر می باشد :
- دو پایه تغذیه
- چند پایه متصل به کنتاکت های باز و بسته
تایمر یا رله زمانی نیز مثل سایر رله ها تعدادی کنتاکت باز و بسته دارد که وقتی عمل کند کنتاکت ها تغییر وضعیت خواهند داد. در تایمرها این عمل تغییر وضعیت کنتاکت ها به طور اتوماتیک و بر اساس زمان تنظیم شده انجام می شوند.
به طور کلی یک رله زمانی از چند جزء اصلی زیر تشکیل شده است که در زیر به آن ها اشاره کرده ایم :
1_ کنتاکت های باز و بسته و کنتاکت های تغذیه
2_ سیستم محاسبه کننده زمان
3_ بخش تغییر دهنده وضعیت کنتاکت ها
کاربرد رله زمانی در کجا می باشد ؟
باید بیان شود که رله های زمانی کاربردهای بسیاری دارند و از کاربردهای بسیار مهم آن می توان به موارد زیر اشاره داشت :
- حفاظت در برابر خطا های احتمالی که ممکن است به وقوع بپیوندد.
- کنترل قسمت هایی از سیستم قدرت با استفاده از رله زمانی امکان پذیر می باشد
- سنجیدن برخی مؤلفه ها نیز با استفاده از رله زمانی یا تایمر امکان پذیر است.
نکته بسیار مهم :
تایمرها عموماً وظیفه کنترلی دارند و همچنین نکته جالب توجه در خصوص رله های زمانی قابلیت تنظیم زمان و عملکرد خودکار رله است. بنابراین با تنظیم زمان مناسب، کنترل مدار به طور خودکار و مطابق با تنظیمات انجام خواهد شد. به عنوان مثال: در طراحی و پیاده سازی مدار فرمان آبیاری شیفتی، مدار فرمان یکی به جای دیگری و یکی پس از دیگری اتوماتیک از تایمر استفاده می شود.
انواع رله زمانی و نوع عملکرد آن ها :
رله های زمانی را می توان از نظر واکنش به تغذیه و ساختمان داخلی آن ها تقسیم بندی کرد و لازم به ذکر می باشد که از نظر واکنش به تغذیه رله های زمانی به دو نوع تقسیم بندی می شوند که در زیر به آن ها اشاره می کنیم :
1_ تایمر تأخیر در وصل ( ON-DELAY)
شایان به ذکر می باشد زمانی که به پایه های تغذیه ولتاژی اعمال شود شروع به محاسبه زمان می کند و پس از زمان تنظیم شده عمل می نماید. تا مادامی که رله زمانی در وضعیت فعال قرار دارد که تغذیه برقرار باشد. این موضوع به این معنا می باشد که به محض قطع شدن برق تغذیه تایمر، کنتاکت ها به حالت عادی خود باز می گردند و اگر دوباره تغذیه متصل شد دوباره باید مدت زمان تنظیم شده طی شود تا رله زمانی فعال گردد.
2_ تایمر تأخیر در قطع (OFF-DELAY)
باید بیان شود که برخلاف رله های زمانی تأخیر در وصل، این نوع تایمرها با قطع تغذیه شروع به کار کرده و سپس بعد از مدت زمان تنظیم شده عمل خواهند کرد.
رله های زمانی از نظر ساختمان داخلی و عملکرد
- رله زمانی الکترونیکی
- رله زمانی نیوماتیکی
- رله زمانی الکترومکانیکی (موتوری)
- رله زمانی حرارتی
- رله زمانی هیدرولیکی
حال در زیر به بررسی هر کدام از رله های زمانی نام برده شده می پردازیم، بنابراین با ما همراه باشید.
کاربرد مدار الکتریکی رله زمانی
از کاربردهای بسیار مهم آن می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:
- حفاظت در برابر خطا‌های احتمالی که ممکن است به وقوع بپیوندد.
- کنترل قسمت‌هایی از سیستم قدرت با استفاده از رله زمانی امکان‌پذیر می‌باشد.
- سنجیدن برخی مؤلفه‌ها نیز با استفاده از رله زمانی یا تایمر امکان‌پذیر است.
- رله‌های زمانی از نظر ساختمان داخلی و عملکرد:
- الکترونیکی
- نیوماتیکی
- الکترومکانیکی (موتوری)
- حرارتی
- هیدرولیکی
رله چیست ؟
لازم به ذکر می باشد که رله نوعی کلید الکتریکی سریع یا بی درنگ می باشد که با هدایت یک مدار الکتریکی دیگر باز و بسته می شود. از مهم ترین روش های کنترل باز و بسته شدن این کلید الکتریکی به صورت های مختلف زیر می باشد :
- مکانیکی
- حرارتی
- مغناطیسی
- الکترو استاتیک و...
اگر بخواهیم از تاریخچه و مخترع رله مطلبی را عنوان کنیم، می توان اذعان داشت که رله را جوزف هنری در سال ۱۸۳۵ میلادی اختراع کرد و یک تحولی در سیستم ها به وجود آورد. در گذشته رله ها معمولاً با سیم پیچ طراحی و ساخته می شدند و از جریان برق برای تولید میدان مغناطیسی و باز و بسته کردن مدار سود می بردند. امروزه بسیاری از رله ها به صورت حالت جامد ساخته می شوند و اجزای متحرک ندارند.از آنجا که رله می تواند جریانی قوی تر از جریان ورودی را هدایت کند، به معنی وسیع تر می توان آن را نوعی تقویت کننده نیز دانست.
رله معمولاً به قطعه ای گفته می شود که در پاسخ به اعمال یک ولتاژ، اتصال الکتریکی بین دو یا چند نقطه را برقرار می کند. متداول ترین و همچنین پر کاربردترین نوع رله الکتریکی رله الکترومکانیکی یا EMR می باشد.
پایه ای ترین عمل کنترلی برای هر تجهیز مشخص، روشن (ON) و خاموش (OFF) کردن آن می باشد. باید بیان شود که ساده ترین راه برای انجام این کار، استفاده از سوئیچ ها یا کلیدها برای ایجاد وقفه در رسیدن انرژی منبع الکتریکی به مدار است. هر چند سوئیچ‌ها یا همان کلیدها برای عمل کنترل مورد استفاده قرار می گیرند، اما معایب خاصی نیز دارند. بزرگ ترین عیب آن ها را می توان به صورت زیر اشاره داشت :
- قطع یا وصل به صورت فیزیکی است.
- می توان گفت که اندازه کلیدها نسبتاً بزرگ است
- کُند عمل می کنند
- تنها قابلیت سوئیچ جریان های الکتریکی کم را دارند.
رله های الکتریکی اساساً سوئیچ هایی هستند که عملکرد آن ها الکتریکی می باشد و در شکل ها، اندازه ها و توان های متنوع برای کاربرد های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. رله ها همچنین می توانند یک یا چند کنتاکت در یک بسته با توان بالاتر باشند که برای ولتاژ های بالا یا کاربردهای سوئیچینگ جریان به کار می روند و در این حالت کنتاکتور (Contactor) نامیده می شوند.
نحوه عملکرد رله :
اگر بخواهیم به صورت کلی نحوه عملکرد رله را توضیح دهیم، می توان با یک مدار SPDT یعنی یک مدار تک قطب دو پرتابی آن را شرح داد به این صورت که :
اگر یک مدارSPDT را در نظر داشته باشید که شامل سه ترمینال NC و NO و COM باشد، همان گونه که مشخص است، زمانی که هیچ منبع جریانی وجود نداشته باشد، رله غیر فعال است و آن گاه موقعیت قطب آن در یک ترمینال باقی می ماند، نتیجه‌ی امر، یک مسیر کوتاه الکتریکی بین دو ترمینال می باشد که بدین ترتیب، امکان عبور جریان از مدار متصل به دو ترمینال فراهم می گردد.
شایان به ذکر می باشد که وقتی رله با استفاده از یک منبع ولتاژ پایین، روشن می شود، قطب رله به سمت ترمینال مورد نظر حرکت می کند. بدین ترتیب یک ترمینال روشن شده و دیگری خاموش می گردد یا به صورت الکتریکی به ترمینال روشن شده متصل می گردد. در نتیجه، امکان عبور جریان از مدار متصل شده به دو ترمینال خاص را فراهم می آورد.
انواع رله :
رله انواع و اقسام مختلفی دارد که هرکدام از آن ها برای یک کار معین استفاده می شود. از انواع رله های پر کاربرد می توان به موارد زیر اشاره داشت :
- رله سنجشی
- رله زمانی
- رله جهت یاب
- رله حالت جامد SSR
انواع دیگر رله :
- رله حرارتی (Thermal Relay)
- رله الکترومغناطیسی (Electromagnetic Relays)
- رله کنترل فاز (Phase Control Relay)
- رله کنترل بار (Load Control Relay)
- رله ارت فالت (Earth Fault Relay)
انواع رله زمانی
رله های زمانی در هر شرایطی که نیاز به تغذیه قطعات برای مدت زمان مشخصی دارد یا زمانی که قطعه باید پس از تأخیر خاصی روشن یا خاموش شود مفید هستند. این رله ها دارای قابلیت تاخیر زمانی هستند که آنها را برای طیف وسیعی از کاربردهای مبتنی بر زمان مطلوب می کند. این دسته شامل چندین نوع رله تاخیر زمانی است که هر کدام کاربردهای خاص خود را دارند. اکثر رله های تاخیر زمانی را می توان به یکی از دو دسته کلی طبقه بندی کرد:
رله زمانی با تاخیر
این رله ها زمانی که ورودی اعمال می شود، شروع به زمانبندی می کنند و مدار دوم را پس از مدت زمان انتظار تنظیم شده تغذیه می کنند. این نوع از رله زمانی می تواند برای تلنبار کردن برق چندین مؤلفه، جلوگیری از نوسانات برق، یا برای برنامه هایی مانند آلارم و سیستم های هشدار استفاده شود.
رله زمانی بدون تاخیر
رله های زمانی بدون تاخیر،پس از روشن شدن ورودی منتظر یک ماشه هستند. هنگامی که ماشه حذف شد، خروجی روشن می شود و پس از تاخیر زمانی خاموش می شود. اعمال مجدد ماشه تاخیر را بازنشانی می کند. این رله ها می‌توانند برای تامین انرژی دستگاه ها در فواصل زمانی مشخص، مانند چرخه های ماشین لباس شویی و خشک کن یا در وسایل بازی شهربازی استفاده شوند.
رله زمانی نیوماتیکی چیست ؟
در این نوع رله زمانی، وقتی تغذیه رله متصل می شود بوبین اهرمی را حرکت می دهد که منجر به خروج هوای موجود در یک محفظه (دیافراگم) خواهد شد. پس از قطع تغذیه بوبین، محفظه شروع به کشیدن هوا به داخل می کند و منبسط می شود. پس از کامل شدن فرآیند انبساط کنتاکت ها عمل می کنند و از آنجا که پس از قطع تغذیه بوبین، رله شروع به کار می کند پس از نوع تایمر تأخیر در قطع است.
رله زمانی الکترومکانیکی (موتوری) چیست ؟
این نوع رله زمانی از تعدادی چرخ دنده و یک موتور تشکیل شده است که با تغذیه، رله شروع به چرخش می نماید و پس از برخورد با یک زائده متوقف خواهد شد و با فعال کردن یک سوئیچ داخلی موجب تغییر وضعیت کنتاکت ها می شود.
رله زمانی حرارتی چیست ؟
همان گونه که از اسم این رله زمانی مشخص است اساس کار آن دما می باشد. به این صورت که با عبور جریان، بی متال گرم می شود و پس از مدت زمانی تغییر شکل داده و باعث عمل کردن کنتاکت ها می شود. در برخی موارد از یک محفظه کوچک گاز استفاده می شود که با افزایش دما و انبساط گاز درون محفظه، اهرم تغییر دهنده وضعیت کنتاکت ها فعال خواهد شد. مشخص است که شرایط آب و هوایی بر این رله های زمانی مؤثر است و بنابراین کارکرد دقیقی ندارند.
رله زمانی هیدرولیکی چیست ؟
لازم به ذکر می باشد که با اعمال ولتاژ به تغذیه این نوع تایمر، مقداری روغن به یک محفظه پمپاژ می شود و همچنین برای بازگشت روغن به محل اولیه لازم است مدت زمانی طی شود که همان زمان تنظیم شده رله است. این فرآیند شبیه به عملکرد رله زمانی نیوماتیکی می باشد.
کنتاکت های رله :
لازم به ذکر می باشد که کنتاکت های رله رساناهایی الکتریکی از جنس فلز هستند که، دقیقاً مانند یک کلید یا سوئیچ خاص، با یک دیگر تماس برقرار کرده و مدار را کامل می نمایند و همچنین اجازه عبور جریان از آن را می دهند. وقتی کنتاکت ها باز هستند، مقاومت بین آن ها بسیار بزرگ و در محدوده مگا اهم می باشد. در این حالت، یک وضعیت مدار باز ایجاد شده و جریانی از مدار نمی گذرد.
باید بیان شود که وقتی کنتاکت ها بسته باشند، آن گاه مقاومت تماس صفر بوده و شرایط اتصال کوتاه برقرار می شود. البته همیشه این شرایط برقرار نمی باشد. وقتی همه کنتاکت های رله ها بسته شوند، مشابه ترانزیستورهای اثر میدانی مقدار کمی مقاومت تماس دارند که مقاومت ON یا مقاومت هدایت نامیده می شود.
سیم پیچ رله :
شایان به ذکر می باشد که یکی از مهم ترین و ویژه ترین بخش های هر رله الکتریکی سیم پیچ آن می باشد. برای آن که با سیم پیچ ها و نحوه عملکرد آن ها بیشتر آشنا شوید، می توان اذعان داشت که این بخش جریان الکتریکی را به یک شار الکترومغناطیسی تبدیل می نماید که برای عملکرد مکانیکی کنتاکت های رله به کار می رود. مشکل اصلی سیم پیچ رله این می باشد که خاصیت بسیار سلفی دارد. هر سیم پیچ امپدانسی دارد که از مقاومت R و اندوکتانس L تشکیل شده و یک مدار RL سری را تشکیل می دهد.
شایان به ذکر می باشد زمانی که جریان از سیم پیچ رله عبور می کند، آن گاه یک میدان مغناطیسی خود القایی در اطراف آن تولید می شود. هنگامی که جریان قطع شود، یک ولتاژ نیرو محرکه الکتریکی معکوس ( BackEMF) تولید می شود. اندازه این ولتاژ معکوس القایی ممکن است نسبت به ولتاژ سوئیچینگ بسیار بزرگ و نیرومند باشد و به قطعات نیمه هادی مانند ترانزیستور، FET یا میکروکنترلرهای مورد استفاده برای عملکرد سیم پیچ رله آسیب برساند.
کندکاری: به دلیل حالت وضعیت مکانیکی رله قابلیت پاسخ دهی خوبی در فرکانس های بالا (قطع زیاد) ندارد و در مدل های ارزان تر حتی در حفاظت نیز جالب عمل نمی کند (در صورت وقوع اتصال کوتاه مدار باید در زمان بسیار اندکی قطع شود تا خسارت به حداقل برسد).
عدم کاربرد در توان های خیلی پایین: بله همانگونه که اطلاع دارید رله برای انجام عمل کلید زنی نیاز به ولتاژ دارد پس در مدارهایی با سطح ولتاژ های پایین عملا رله مفید نبود و به جای آن از ترانزیستور استفاده می شود.
تولید جرقه: خوب رله در ذات خودش همان کلید است پس داشتن آرک دور از انتظار نیست و همواره در دستگاه هایی که جرقه وجود دارد شاهد کاهش چشمگیر طول عمر آن قطعه نیز هستیم.
تخلیه سلفی: یکی از بزرگترین معایب رله تخلیه شارژ سلفی آن می باشد و البته این مشکل در هر دستگاهی که دارای سلف نیز هست رخ می دهد، سلف یک عنصر ذخیره ساز انرژی هست و هرگاه به مدار وصل گردد شارژ شده و به محض جدا شدن از مدار خود را در مدار تخلیه می کند!، به زبان ساده تر یعنی در مسیری که نباید هیچ گونه جریانی باشد ایجاد جریان آنی (تقریبا زیاد) می کند و البته راه حل نیز در زیر آمده است؛
رله حفاظت
و اما در نهایت پس از طی این همه موارد رسیدیم به قسمت دوست داشتنی قدرتی یعنی حفاظت و اون هم از نوع رله.رله حفاظت در واقع نوعی از رله می باشد که در اثر تغییر کمیت الکتریکی یا فیزیکی تحریک شده و عکس العمل نشان می دهد (به صورت کلی از نوع سنجشی).
نخستین رله حفاظتی نیز از نوع الکترومغناطیسی با کویل بود که برای تریپ (Trip) زدن در شرایط؛ اضافه جریان (Over Current)، اضافه ولتاژ (Over Voltage)، توان برگشتی (Revers Power)، فرکانس بیش از حد (Over Frequency)، فرکانس خیلی پایین (Under Frequency) عمل می کرد و البته امروز به لطف الکترونیک قدرت شاهد پیشرفت های شگرفی در این زمینه هستیم که کنترل پذیری و حفاظت را به شدت ساده تر کرده است.
در زمینه آموزش پرسنل کاری برای حفاظت، آموزش ها بسیار جدی و در نوع خود مهم می باشند و فقط افراد متخصص و کاربلد در این قسمت از شبکه به کار گرفته می شوند، دقت داشته باشید که آموزش ها نیز طبق استاندارد های رایج رله ها صورت می گیرد که به عنوان مثال می توانیم به؛ ANSI، C37.90، IECها و… اشاره کرد که همگی مربوط به زمان های پاسخ دهی و عملکرد رله ها می باشند.
دقت داشته باشید که در کنار دسته بندی رله ها تیپ های (Type) مختلفی نیز بر حسب پارامتر اندازه گیری داریم که عبارتند از؛
دسته بندی رله
الف) رله های جریانی
این رله ها بر اساس میزان جریان ورودی به رله عمل می کند. حال این جریان می تواند جریان فازها، جریان سیم نول، مجموع جبری جریانهای فازها باشد (رله های جریان زیاد – رله های ارت فالت و…. ) و جریان ورودی رله می تواند تفاضل دو یا چند جریان باشد (رله های دیفرانسیل و رستریکت ارت فالت)
ب) رله های ولتاژی
این رله ها بر اساس ولتاژ ورودی به رله عمل میکند این ولتاژ می تواند ولتاژ فازها باشد (رله های اضافه یا کمبود ولتاژ و….) و یا میتواند مجموع جبری چند ولتاژ باشد (رله تغییر مکان نقطه تلاقی بردارهای سه فاز)
ج) رله های فرکانسی
این رله ها بر اساس فرکانس ولتاژ ورودی عمل میکند (رله های افزایش و کمبود فرکانس)
د) رله های توانی
این رله ها بر اساس توان عمل می کنند به عنوان مثال رله هایی که جهت توان را اندازه گیری می کنند یا رله هایی که توان اکتیو و راکتیو را اندازه گیری می کنند.
ه) رله های جهتی
این رله ها از جنس رله های توانی هستند که بر اساس زاویه بین بردارهای ولتاژ و جریان عمل میکنند مانند رله های اضافه جریان جهتی که در خطوط چند سو تغذیه رینگ و پارالل بکار می روند و یا رله های جهت توان که جهت پرهیز از موتوری شدن ژنراتور هنگام قطع کوپلینگ آن بکار میرود.
و) رله های امپدانسی
مانند رله های دیستانس که در خطوط انتقال کاربرد فراوانی دارند.
ز) رله های وابسته به کمیت های فیزیکی
مانند حرارت – فشار – سطح مایعات و…. مانند رله بوخ هلتس ترانسفورمرها
ح) رله های خاص
رله هایی هستند که برای منظورهای خاص به کار میروند مثلا رله تشخیص خطای بریکر – رله مونیتورینگ مدار تریپ بریکر – رله لاک اوت و….
جمع بندی مقاله :
شایان به ذکر می باشد که در واقع رله یک کلید تبدیل است، با این تفاوت که در کلید تبدیل به یک انسان نیاز می باشد تا با دست خود، کلید تبدیل را فشار دهد. ولی در رله یک جریان برق این کلید را تغییر حالت می دهد. یعنی ما یک ولتاژ برق را به رله می دهیم و رله، کلیدِ تبدیلی را که در داخل آن تعبیه شده است، برای ما خاموش و روشن می کند. در رله های الکترومکانیکی، این ولتاژی که ما به رله می دهیم تا رله فعال شود، معمولاً ولتاژ کوچکی است ولی کلیدی که در داخل رله تغییر حالت پیدا می کند، می تواند جریان بزرگی را برای ما قطع و وصل کند.
