قطع کننده مدار (CIRCUIT BREAKERS) چگونه کار می کنند؟

الکتریسیته که از شبکه های توزیع به خانه های ما یا هر مکان دیگر می آید یک مدار بزرگ با خطوط متصل به نبروگاه برق را تشکیل می دهند که در این مدار به یک انتهای آن اصطلاحا سیم داغ گفته می شود و انتهای دیگر آن خطوط متصل به زمین را تشکیل می دهند. بین این دوخط بار الکتریکی جریان دارد و پتانسیل بین آنها ایجاد می شود. سپس با اتصال بارها (لوازم ) که مقاومت الکتریکی دارند مدار الکتریکی کامل می شود و تمام تجهیزات و لوازم تا زمانی که مقاومت مناسب دارند و سبب ایجاد جریان بیش از حد نمی شوند این مدار کامل است و تجهیزات به آرامی کار می کنند. اتصال کوتاه و یا جریان بیش از حد یا اتصال ناگهانی انتهای سیم داغ به به سیم زمین در این مدار سبب گرم شدن سیم ها و وقوع آتش سوزی می شود. برای جلوگیری از چنین شرایطی حفاظت مدار استفاده می شود که به سادگی در چنین شرایطی مدار را قطع می کند.

به صورت کلی دو راه حل برای این مساله وجود دارد : 1- فیوز 2-سوئیچ

فیوز:

این نوع فیوز از یک سیم نازک تشکیل شده است که داخل یک محفظه قرار گرفته است در صورت جریان بیش از حد سیم فیوز می سوزد و یا از هم گسسته می شود و سبب قطع شدن مدار می شود. با این حال این نوع از فیوزها خیلی قابل اعتماد نیستند و هر بار که سیم فیوز می سوزد باید فیوز به صورت دستی عوض شود بنابراین این فیوزها خیلی مورد استفاده قرار نمی گیرند.

سوئیچ ها :

راه دیگر محافظت مدار در حالت جریان بیش از حد ، مطمئن شدن از متوقف شدن جریان و یا متوقف شدن منبع ولتاژ در خط می باشد. این عمل توسط عملکرد خودکار سوئیچ که در شرایط جریان بیش از حد و یا هر خطای دیگر ، تریپ می دهد صورت می گیرد و سبب ایزوله شدن خط دارای خطا از کل مدار می شود و پس از رفع خطا مجددا وصل شده و سبب بازگرداندن عملکرد خط در مدار می شود. این روش به دلیل تشخیص سریع زون خطا و سپس بازگرداندن سریع مفید می باشد. این روش همچنین از نظر الکتریکی در مقایسه با فیوز امن تر می باشد.

نیاز به مدارشکن های الکتریکی:

یک فیوز مینیاتوری معمول (MCB) از یک نوار دو فلزی برای محافظت در برابر جریان بار و یک الکترومگنت برای محافظت از جریان اتصال کوتاه تشکیل شده است. درخصوص جریان اضافه خم شدن نوار دو فلزی سبب آزاد شدن فنر و جابه جا شدن نقطه چفت و باز شدن کنتکت های MCB می شود. سیم پیچ الکترومغناطیسی وقتی جریان بیش از حد از آن عبور می کند یک نیروی حرکتی مغناطیسی ایجاد می کند که سبب می شود نقطه چفت جا به جا شده و کنتاکت های MCB مجددا باز شوند. بنابراین در هردو حالت جریان اضافه و یا اتصال کوتاه کلید مینیاتوری به حالت OFF تریپ می دهد.

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.

مسلما با توجه به استفاده گسترده از این کلیدهای مینیاتوری و کلیدهای کامپکت در شبکه برق ایران ، برندهای متفاوتی در بازار وجود دارند که البته به طور قطع هر مصرف کننده به دنبال استفاده از برندی مرغوب و با کیفیت و در عین حال از نظر اقتصادی به صرفه می باشد از جمله این برندها می توان به برند دورمن اسمیت اشاره کرد که اصالتا و کمپانی اصلی آن در کشور انگلستان می باشد و در حال حاضر یک برند چند ملیتی می باشد و با توجه به دارا بودن توزیع کننده آسیایی به راحتی علی رغم تحریمها در بازار ایران موجود بوده و در اختیار مصرف کنندگان گرامی ایران قرار گرفته است.