در این مقاله تاریخچه کلیدهای قطع کننده مدار را بیان خواهیم کرد و با نحوه عملکرد این کلید ها بیشتر آشنا می شویم با فرنام الکتریک همراه باشید.
اولین شخصی که ایده ساخت قطع کننده‌های مدار را برای اولین بار در سال ۱۸۷۹ داد، توماس ادیسون بود. وی مفاهیم مختلفی را در مجلات علمی خود بیان کرد و در نهایت در همان سال این ایده را به ثبت رساند. این قطع‌کننده‌های مدار هنگامی که میزان جریان الکتریکی به حدی برسد که برای سیستم خطرناک شناسایی شوند، با باز کردن یک کنتاکت، مدار الکتریکی را قطع می‌کنند. امروزه پس از گذشت ۱۲۰ سال از این اختراع، همچنان این قطع‌کننده‌های جریان از سیستم‌های الکتریکی محافظت می‌کنند.
ادیسون در سال ۱۸۷۶ یک آزمایشگاه تحقیقاتی در نیوجرسی راه‌اندازی کرد. این آزمایشگاه به مرکز اختراعات ادیسون تبدیل شد، تا در آنجا روی اختراعات جدید خود کار کند. هنگامی که در این آزمایشگاه، ادیسون بر روی شبکه‌های برق صنعتی در حال کار بود، مفهوم قطع‌کننده مدار را توسعه داد.
توماس ادیسون با نصب سیستم‌های روشنایی در شهرهای بزرگ متوجه شد، زمانی که اتصال کوتاه رخ میدهد، جریان به سطوح بسیار بالایی می‌رسد. در نتیجه می‌تواند به رشته لامپ‌ها آسیب برساند و حتی آنها را از بین ببرد. بنابراین ادیسون برای حل این مشکل از فیوزهای با سیم که تحت یک موج جریان بالا قرار داشت، استفاده کرد.
تاریخچه کلیدهای قطع کننده مدار : اولین مدارشکن نصب شده
اولین قطع‌کننده مدار در سال ۱۸۹۸، در ایستگاه ال استریت شرکت بوستون الکتریک لایت راه‌اندازی شد. این مدارشکن دارای یک مخزن نفت و کنتاکت‌های رو به بالا بود که به صورت دستی فعال می‌شدند. در قطع‌کننده‌ها نیز از روغن برای کاهش گرمای تولید شده از قوس ایجاد شده بین دو تماس باز استفاده می‌کردند.
تاریخچه کلیدهای قطع کننده مدار : بهبود عملکرد
در سال ۱۹۰۰ گرانویل وودز طراحی قطع‌کننده‌های مدار را بهبود بخشید و توانست کلید اتوماتیک را اختراع کند. وودز یک مخترع آمریکایی آفریقایی تبار خودآموخته بود که ایده‌های بسیاری را برای صنعت راه آهن به ثبت رساند. شهرت وی ناشی از ابداع راهی برای ایستگاه قطار برای ارتباط مستقیم با راهبرهای قطار بود.
تاریخچه کلیدهای قطع کننده مدار: اولین تولید کننده قطع‌کننده
شرکت تولید کننده کاتر اولین تولیدکننده‌ای بود که کلیدهای مدار را در سال 1904 در فیلادلفیا تولید کرد. این محصول در آن سال‌ها با نام قطع‌کننده ITE شناخته شد. کاتالوگ‌های برق امروزی انواع مختلفی از قطع‌کننده‌های ITE را نشان می‌دهند.
عملکرد کلیدهای قطع کننده مدار
تمام سیستم های قطع کننده مدار دارای ویژگی های مشترک در عملکرد خود هستند، اما جزئیات بسته به کلاس ولتاژ، درجه جریان و نوع قطع کننده مدار به طور قابل توجهی متفاوت است.
کلید مدار ابتدا باید یک وضعیت عیب را تشخیص دهد.
در قطع کننده های برق کوچک و فشار ضعیف، این کار معمولاً در داخل خود دستگاه انجام می شود.
به طور معمول، اثرات گرمایش یا مغناطیسی جریان الکتریکی استفاده می شود. قطع کننده های مدار برای جریان های زیاد یا ولتاژهای بالا معمولاً با دستگاه های رله حفاظتی تنظیم می شوند تا وضعیت عیب را احساس کنند و مکانیزم باز شدن را به کار گیرند.
اینها معمولاً به یک منبع تغذیه جداگانه مانند باتری نیاز دارند، اگرچه برخی از قطع کننده های مدار ولتاژ بالا با ترانسفورماتورهای جریان، رله های محافظ و یک منبع تغذیه کنترل داخلی مستقل هستند.
هنگامی که یک خطا تشخیص داده شد، تماس های قطع کننده مدار باید باز شود تا مدار قطع شود. این معمولاً با استفاده از انرژی ذخیره شده مکانیکی موجود در شکن انجام می شود، مانند فنر یا هوای فشرده برای جدا کردن کنتاکت ها. کلیدهای مدار ممکن است از جریان بالاتر ناشی از خطا برای جدا کردن کنتاکت ها مانند انبساط حرارتی یا میدان مغناطیسی استفاده کنند. کلیدهای مدار کوچک معمولاً دارای یک اهرم کنترل دستی برای خاموش کردن بار یا تنظیم مجدد قطع کننده قطع شده هستند، در حالی که واحدهای بزرگتر از شیر برقی برای خاموش کردن مکانیسم و موتورهای الکتریکی برای بازگرداندن انرژی به فنرها استفاده می کنند.
کنتاکت های قطع کننده مدار باید جریان بار را بدون گرمایش بیش از حد حمل کنند و همچنین باید گرمای قوس تولید شده هنگام قطع (باز کردن) مدار را تحمل کنند. کنتاکت ها از مس یا آلیاژهای مس، آلیاژهای نقره و سایر مواد بسیار رسانا ساخته می شوند. عمر مفید کنتاکت ها به دلیل فرسایش مواد تماس به دلیل ایجاد قوس در هنگام قطع جریان محدود می شود. قطع کننده های مدار مینیاتوری و قالبی معمولاً زمانی که کنتاکت ها فرسوده شده اند دور انداخته می شوند، اما کلیدهای مدار برق و قطع کننده های مدار ولتاژ بالا دارای کنتاکت های قابل تعویض هستند.
هنگامی که یک جریان یا ولتاژ بالا قطع می شود، قوس الکتریکی ایجاد می شود. طول قوس معمولاً متناسب با ولتاژ است در حالی که شدت (یا گرما) متناسب با جریان است. این قوس باید به صورت کنترل شده مهار، خنک و خاموش شود تا شکاف بین کنتاکت ها دوباره بتواند ولتاژ مدار را تحمل کند. کلیدهای مدار مختلف از خلاء، هوا، گاز عایق یا روغن به عنوان محیطی که قوس در آن تشکیل می شود استفاده می کنند.
تکنیک های مختلفی برای خاموش کردن قوس
تکنیک های مختلفی برای خاموش کردن قوس استفاده می شود از جمله:
1-افزایش یا انحراف قوس
2-خنک کننده شدید (در محفظه های جت)
3-تقسیم به قوس های جزئی
4-خاموش کردن نقطه صفر (تماس ها در زمان عبور جریان صفر شکل موج AC باز می شوند، به طور موثر جریان بار را در زمان باز شدن قطع می کنند. عبور از صفر در دو برابر فرکانس خط رخ می دهد؛ یعنی 100 بار در ثانیه برای 50 هرتز و 120 بار در ثانیه برای 60 هرتز AC.)
5-اتصال خازن ها به صورت موازی با کنتاکت ها در مدارهای DC.
در نهایت، هنگامی که وضعیت خطا برطرف شد، کنتاکت ها باید دوباره بسته شوند تا برق به مدار قطع شده بازگردد.
تعریف یک قطع کننده مدار الکترونیکی
یک قطع کننده مدار الکترونیکی از یک سوئیچ اتوماتیک تشکیل یافته است که توسط بازخوردی که از بار می گیرد کنترل می شود. اساس کار آن به این شکل است که در زمان ایجاد جریان زیاد که توسط بارها کشیده می شود و یا جریان زیاد در خط سوئیچ برای یک زمان مشخص به طور اتوماتیک بسته می شود و سپس باز می شود. این سوئیچ می تواند یک کلید الکترونیکی قدرت باشد مانند SCR و یا یک سوئیچ الکترومغناطیسی مانند رله باشد که توسط هر عنصر سنجش جریان مانند مقاومت می تواند کنترل شود.
این سیستم قطع کننده فوق العاده سریع مدار از یک مقاومت سری برای سنجش جریان استفاده می کند و زمانی که بیش از مقدار تنظیم شده باشد ولتاژ مربوطه نیز افزایش می یابد. این ولتاژ سنجیده می شود و به DC اصلاح می شود و سپس با استفاده از یک مقایسه گر با یک ولتاژ از پیش تعیین شده مقایسه می شود تا یک خروجی تولید شود که رله را از طریق MOSFET هدایت و موجب تریپ لحظه ای بار شود. این مکانیزم تریپ از آنجایی که بر اساس قوانین سنجش جریان هست بسیار سریع تر از مکانیزم تریپ حرارتی در تجهیزاتی مانند MCB می باشد .
می توان از یک میکروکنترلر برای داشتن نمایشگر بر روی LCD با توجه به وضعیت قطع کننده مدار استفاده کرد. بنابراین با استفاده از این دستگاه ،قطع بسیار سریع مدار قابل دستیابی است و به این وسیله میتوان تجهیزات گران قیمت را از آسیبهای احتمالی حفظ کرد. با استفاده از این مفهوم منحصر به فرد می توان نمونه اولیه را به عنوان پروژه برای دانشجویان مهندسی برق توسعه داد. یک قطع کننده مدار الکترونیکی بر اساس مکانیزم سنجش جریان کار می کند.این روش هم حفاظت از اضافه بار و هم اتصال کوتاه را انجام میدهد زیرا در هر صورت جریان خط مانیتور می شود و در صورت وجود جریان بیش از حد سوئیچ تریپ می دهد.
نمونه کار یک قطع کننده مدار ساده:
یک عنصر سنجش جریان یا یک مقاومت می تواند جهت سنجش مقدار جریان موجود در بار مورد استفاده قرار گیرد. افت ولتاژ از مقاومت داده می شود به ورودی غیر معکوس مقایسه کننده و یک ولتاژ ثابت داده می شود به ترمینال معکوس مقایسه کننده ، در شرایط عملکرد عادی ( جریان مربوط به تعداد بار کافی در مدار) ولتاژ در سرتاسر مقاومت کمتر از ولتاژ ثابت است بنابراین ورودی مقایسه کننده به اندازه کافی کم هست که سبب شود MOSFET در حالت خاموش قرار گیرد.
کنتاکت مشترک رله به کنتاکت NC متصل می باشد و مدار با باری که جریانش را از منبع می گیرد کامل می شود. اما هنگامی که هر بار اضافی متصل شود ، جریان از طریق المان سنجش جریان افزایش می یابد ، که به نوبه خود افت ولتاژ در سراسر مقاومت را افزایش می دهد. در بعضی مقاطع زمانی افت ولتاژ از مقدار ولتاژ ثابت بیشتر می باشد بنابراین ورودی در پایانه غیر معکوس بیشتر از ورودی در پایانه معکوس مقایسه کننده است. این مساله سبب ایجاد یک خروجی منطقی بالا در مقایسه کننده با ولتاژ کافی برای رساندن MOSFET به شرایط ON می شود. این عملکرد MOSFET سبب می شود سیم پیچ رله انرژی بگیرد و کنتاکت مشترک متصل شود به کنتاکت NO در رله ، این امر موجب تاخیر در جاری شدن جریان می شود و این خود باعث می شود که بارها به دلیل نبود منبع تغذیه سوئیچ شده و مدار قطع گردد.
معایبی که باعث می شوند همیشه رله گزینه دوم ما برای انتخاب باشد :
• با گذشت زمان و استفاده مداوم آسیب می بینند (سایش ، اکسیداسیون و غیره)
• در زمان روشن و خاموش شدن ، سر و صدای زیادی ایجاد می کنند.
• زمان سوئیچ باست.
• رله ها برای جابجایی جریان های کوچک ، از ترانزیستورها حجیم تر هستند.
• رله ها به دلیل جاری شدن جریان از طریق سیم پیچ ، از نیروی بیشتری استفاده می کنند.
• رله ها به جریان بیشتری نیاز دارند تا بسیاری از تراشه ها بتوانند تأمین شوند ، بنابراین ممکن است یک ترانزیستور کم قدرت برای تغییر جریان برای سیم پیچ رله مورد نیاز باشد.
در شرایط عملی امروز در بسیاری از موارد برای قطع و محافظت مدار در مقابل اضافه بار و اتصال کوتاه از کلیدهای مینیاتوری (Miniature circuit breaker ) و نیز کلید اتوماتیک (Moulded Case Circuit Breakers) استفاده می شود که از مزایای آنها می توان به موراد زیر اشاره کرد:
• کلیدهای مینیاتوری مدارهای الکتریکی را بطور خودکار در شرایط غیرعادی مانند اضافه بار و یا وقوع خطا قطع می‌کنند.
• از نظر اقتصادی به صرفه می باشند.
• کلیدهای اتوماتیک در مقایسه با لوازم حفاظتی دیگر دارای قدرت قطع بالا می باشند و نیز قابلیت فرمان پذیری و کنترل دارند دارای رنجهای گسترده می باشند در برابر بارهای لحظه ای مقاوم و بدون قطعی هستند در مورد هر یک از پارامترهای الکتریکی می توان تنظیمات دقیقی روی آنها صورت داد.
• کلیدهای اتوماتیک پس از قطع مدار در اثر جریان زیاد و یا هر عامل دیگری بلافاصله آماده بهره برداری مجدد هستند.
• در هر زمانی که به شبکه اضافه شوند عمل حفاظت را بلافاصله با توجه به ساختارشان انجام خواهند داد.
سخن پایانی
در این مقاله با تاریخچه قطع‌کننده‌های مدار آشنا شدیم و متوجه نحوه شکل‌گیری و تغییر آنها در طول این سال‌ها شدیم. امروزه در صنعت برق شاهد استفاده از قطع‌کننده‌های مختلفی همچون کلید مینیاتوری، کلید محافظ جان، کلید اتوماتیک و… هستیم، که به جرئت تحول بزرگی در این زمینه بوده‌اند. هر کدام از این کلیدهای قطع‌کننده متناسب با کاربرد خاص خود در محل‌های مختلفی استفاده می‌شوند و نیازها را برطرف می‌کنند.