کنتاکتور چیست و چه کاربردی دارد؟

کنتاکتور یک سوییچ (رله) کنترل شده ی الکتریکی است که برای کلید زنی مدار الکتریکی قدرت استفاده می شود. کنتاکتور معمولاً توسط مداری کنترل می شود که قدرت بسیار پایین تری نسبت به مدار کلید زده شده دارد، مثل آهنربای الکتریکی سیم پیچ 24 ولتی که سوییچ موتور 230 ولتی را کنترل می کند.

به تعریف ساده تر کنتاکتورها کلیدهای الکترو مغناطیسی هستند که با استفاده از یک جریان کوچک تر، یک جریان بزرگتر را قطع و وصل می کنند. این فرآیند به این شکل می باشد که یک جریان کوچک به کنتاکتور فرستاده می شود و کنتاکتور متوجه می شود که الان باید کلید داخلی خود را در حالت روشن قرار دهد و وقتی که آن جریان کوچک قطع شد، کنتاکتور متوجه می شود که الان باید کلید داخلی خود را در حالت قطع قرار دهد.

کنتاکتورها در اَشکال متعددی با ظرفیت ها و ویژگی های متنوع وجود دارند. برعکس فیوز یا مدارشکن (Circuit breaker) ، هدف کنتاکتور ایجاد اختلال در جریان اتصال کوتاه نیست. گستره کنتاکتورها، جریان شکست (breaking current) چند آمپر تا چند هزار آمپر و 24 ولت DC تا چندین کیلوولت را در بر می گیرد. اندازه فیزیکی کنتاکتورها از دستگاهی به قدر کافی کوچک که در یک دست جا شود تا دستگاه هایی بزرگ که یک ضلع آن ها تقریباً یک متر (یارد) باشند متغیر است.

کنتاکتورها برای کنترل موتورهای الکتریکی، نورپردازی، گرمایش، بانک های خازنی، تبخیرکننده های حرارتی و سایر بارهای الکتریکی استفاده می شوند.

(در آزمایشات نیمه رسانا، ممکن است کنتاکتور به سوکت مخصوصی که دستگاه تحت آزمایش را متصل می کند نیز اطلاق شود.

در صنایع تولید فرایند، کنتاکتور مجرایی است که دو جریان، مثلاً هوا و مایع، در

آن باهم تعامل می کنند، کنتاکتور گاز-مایع را ببینید.)

ساختار کنتاکتور

کنتاکتور دارای سه جزء است:

1. کنتاکت ها بخشی از کنتاکتور هستند که جریان را حمل می کنند. این بخش شامل کنتاکت های توان، کنتاکت های کمکی و فنر های کنتاکت می شود.
2. آهنربای الکتریکی (یا “کوئل”) نیروی محرکه را برای بستن کنتاکت ها تامین می کند.
3. محفظه، قابی است که کنتاکت ها و آهنربای الکتریکی را در خود جای داده است. برای عایق بندی و محافظت، و نیز بدست آوردن سنجشی از میزان مقاومت در برابر تماس افراد با کنتاکت ها، محفظه را از مواد عایق مثل باکالیت، نایلون 6 و پلاستیک های ترموست درست می کنند. کنتاکتورهای قاب-باز، ممکن است محفظه ای دیگر نیز برای محافظت در برابر غبار، چربی، آب و هوا و خطر انفجار داشته باشند.

دَمَنده های مغناطیسی (Magnetic blowouts) از کوئل های دمنده برای طولانی کردن و جابه جا نمودن قوس الکتریکی استفاده می کنند و به ویژه در مدارهای قدرت DC مفید هستند. قوس های AC دارای دوره های تناوبی جریان-پایین هستند، که طی آن قوس را می توان نسبتاً به آسانی خاموش کرد، اما قوس های DC دارای جریان بالای پیوسته هستند، لذا خاموش کردن آن ها با دمیدن، مستلزم کشیدن بیشتر قوس نسبت به یک قوس AC با همین شدت جریان است. دمنده های مغناطیسی در کنتاکتور آلبرایت که در تصویر مشاهده می کنید (که برای جریان های DC طراحی شده) جریانی که می تواند بِشکَند را بیش از دوبرابر افزایش می دهد، و از 600 A به 1,500 A می رساند.

گاهی اوقات یک مدار صَرفه جو نیز برای کاهش توان مورد نیاز جهت بسته نگه داشتن کنتاکتور نصب می شود؛ یک کنتاکت کمکی جریان کوئل را پس از بسته شدن کنتاکتور کاهش می دهد. در ابتدا برای بستن کنتاکتور، اندکی بیشتر توان نیاز است نسبت به آنچه که برای نگه داشتن آن در حالت بسته لازم است. چنین مداری می تواند به میزان چشمگیری در توان مصرفی صرفه جویی کند و به کوئل جریان دار (یا تحریک شده) (energized) اجازه می دهد خنک تر باشد. مدارهای صرفه جو تقریباً همیشه روی کوئل های کنتاکتورِ جریان مستقیم و نیز روی کوئل های کنتاکتورِ جریان متناوب بزرگ استفاده می شوند.

یک کنتاکتور ساده، دارای ورودی کوئل است (که بسته به طراحی کنتاکتور، با تغذیه AC یا DC قابل تامین است). کوئل را می توان با ولتاژ همان موتوری که کنتاکتور آن را کنترل می کند جریان دار کرد، یا می توان آن را جداگانه با ولتاژ کوئل کمتری که برای کنترل شدن توسط کنترلگرهای برنامه پذیر و دستگاه های هدایتگرِ(pilot device) ولتاژ پایین مناسب تر است، کنترل نمود. برخی کنتاکتورها دارای کوئل های سری متصل در مدار موتور هستند؛ این کوئل ها به عنوان مثال، برای کنترل شتاب خودکار استفاده می شوند که در آن سطح بعدی مقاومت تا زمانی که جریان موتور افت نکرده، قطع نمی شود.

کنتاکتور SPST آلبرایت، مورد استفاده در وسائل نقلیه الکتریکی صنعتی، و گاهی اوقات موررد استفاده در تبدیلات وسائل نقلیه الکتریکی (EV)

اصول عملکردی

برخلاف رله های چند منظوره، کنتاکتورها برای اتصال مستقیم به دستگاه های با بار جریان بالا طراحی شده اند. رله ها اغلب ظرفیت پایین تری دارند و معمولاً هم برای کاربردهای بطور نرمال بسته و هم بطور نرمال باز طراحی می شوند. دستگاه هایی که بیش از 15 آمپر را کلیدزنی (سوییچ) می کنند یا مدارهایی که نرخی بیش از چند کیلووات دارند، معمولاً کنتاکتور نامیده می شوند. به جز کنتاکت های جریان-پایین اختیاری، کنتاکتورها تقریباً همیشه با کنتاکت های بطور عادی باز (“فُرم A”) تجهیز می شوند. برخلاف رله ها، طراحی کنتاکتورها با ویژگی هایی همراه است که قوس تولید شده هنگام مختل کردن جریان موتور های سنگین را کنترل و خنثی می کند.

هنگامی که جریان از آهنربای الکتریکی عبور می کند، میدانی مغناطیسی ایجاد می شود که هستهِ در حال حرکت کنتاکتور را جذب می کند. سیم پیچ (کوئل) الکترومغناطیسی در ابتدا جریان بیشتری می کشد، تا وقتی که ضریب خودالقایی آن با ورود هسته فلزی به سیم پیچ افزایش یابد. کنتاکتِ متحرک توسط هستهِ متحرک جا به جا می شود؛ نیروی تولید شده توسط آهنربای الکتریکی، کنتاکت های متحرک و ثابت را باهم نگه می دارد. هنگامی که سیم پیچ کنتاکتور تخلیه جریان (de-energized) شود، نیروی گرانش یا یک فنر، هسته آهنربای الکتریکی را به موقعیت آغازین خود برمی گرداند و کنتاکت ها را باز می کند.

برای کنتاکتورهایی که با جریان متناوب، جریان دار شده اند، بخش کوچکی از هسته با یک سیم پیچ سایبان (shading coil) محاصره می شود که شار مغناطیسی را در هسته اندکی به تعویق می اندازد. اثر آن، متعادل کردن کشش متناوب میدان مغناطیسی و لذا پیشگیری از وِزوِز کردن (buzzing) هسته در فرکانس خطی دوبرابر است.

از آنجایی که قوس و خسارت بعد از آن دقیقاً با باز یا بسته شدن کنتاکت ها اتفاق می افتد، کنتاکتورها طوری طراحی می شوند که بسیار سریع باز و بسته   شوند؛   اغلب    یک   مکانیزم   نقطه   سرازیری درونی  برای تضمین سرعت عمل، تعبیه می شود.

با این حال، بستن سریع، ممکن است منجر به لرزش کنتاکت (contact bounce) شود که چرخه های باز-بسته اضافه و نامطلوبی را به وجود می آورد. یک راه حل، داشتن کنتاکت های منشعب شده برای کمینه کردن لرزش کنتاکت است؛ دو کنتاکت طوری طراحی می شوند که همزمان بسته شوند، اما در زمان های مختلفی لرزش می کنند تا مدار بطور موقت قطع نشود و قوس ایجاد نشود.

یک حالت اندکی متفاوت این است که چندین کانتکت داشته باشیم که برای بکارگماشته شدن در توالی سریع طراحی شده باشند. اولین کنتاکتی که ایجاد شود و آخرین شکست، بیشترین فرسودگی کنتاکت را تجربه می کنند و یک اتصال مقاومت بالا تشکیل می دهند که گرمای شدیدی را داخل کنتاکتور تولید می کند. اما با این عمل، از کنتاکت اصلی دربرابر قوس محافظت می شود، لذا پس از یک میلی ثانیه، یک مقاومت کنتاکت پایین به وجود می آید.

تکنیک دیگری که برای افزایش عمر کنتاکت ها استفاده می شود، تمیزکاری کنتاکت (contact wipe) است؛ کنتاکت ها پس از کنتاکت اولیه از یکدیگر عبور می کنند تا آلودگی ها (ناخالصی) را پاک کنند.

جلوگیری از قوس

بدون محافظت کافی از کنتاکت، وقوع قوس جریان الکتریکی به میزان چشمگیری موجب فروسایی کنتاکت ها می شود و به آن ها آسیب جدی می رساند. قوس الکتریکی میان دو نقطه کنتاکت (الکترود) هنگامی به وجود می آید که آن ها از بسته به باز (شکستن قوس) یا از باز یه بسته (ایجاد قوس) تغییر وضعیت دهند. قوس شکست معمولاً انرژی بیشتری دارد و لذا خسارت بیشتری به بار می آورد.

حرارت تولید شده توسط این قوس الکتریکی بسیار زیاد است، و در نهایت باعث می شود که فلزِ روی کنتاکت با جریان جا به جا شود. دمای به شدت بالای قوس (ده ها هزار درجه سلسیوس) مولکول های گازی اطراف را می شکافد و اُزون، کربن مونوکسید و ترکیبات دیگری به وجود می آورد. انرژی قوس اندک اندک فلز کنتاکت را نابود می کند، و باعث می شود که برخی مواد به صورت ذرات ریز به هوا بگریزند. این فعالیت باعث می شود که مواد درون کنتاکت ها به مرور زمان فرسوده شوند، که در نهایت منجر به خرابی دستگاه می شود. برای مثال،  کنتاکتی که به شکل مناسب به کار بسته شده باشد، هنگام کار با اتصال برق عمر مفیدی بین 10 هزار تا 100 هزار عملیات خواهد داشت؛ چیزی که بسیار کمتر از عمر مکانیکی (غیر برقی) همین دستگاه است که می تواند بیش از 20 میلیون عملیات باشد.

بیشتر کنتاکت های کنترل موتور در ولتاژهای پایین (600 ولت و کمتر) کنتاکتورهای شکست هوا (air break) هستند؛ هوا با فشار جو کنتاکت ها را محاصره می کند و هنگام ایجاد اختلال در مدار قوس را خاموش می کند. کنترلگرهای موتور AC مدیوم-ولتاژِ مدرن، از کنتاکتورهای خلاء استفاده می کنند. کنتاکتورهای AC ولتاژ بالا (بیشتر از 1000 ولت) ممکن است از خلاء یا یک گاز بی اثر در اطراف کنتاکت ها استفاده کنند. کنتاکتورهای DC ولتاژ بالا (بیشتر از 600 ولت) برای شکستن (break) انرژی قوس همچنان به هوای درون مجراهای قوسی (arc chute) ای که بطور ویژه برای این کار طراحی شده اند وابسته هستند. لوکوموتیوهای الکتریکی ولتاژ بالا را می توان با مدارشکن های نصب شده روی سقف که توسط هوای فشرده فعال می شوند، از تغذیه ایزوله کرد. همین تغذیهِ هوایی را می توان برای  “دمیدن” در هر قوسی که شکل بگیرد (و خاموش کردن آن)، استفاده نمود.

رده بندی کنتاکتورها

کنتاکتورها بر اساس جریان بار طراحی شده در هر کنتاکت (قطب)، جریان بیشینه استقامت در برابر خطا، چرخه کار، امید به زندگی طرح، ولتاژ و ولتاژ سیم پیچ رده بندی می شوند. یک کنتاکتور چند منظوره کنترل موتور می تواند برای شروع کار سنگین در موتورهای بزرگ مناسب باشد؛ کنتاکتورهای مشهورِ “هدف مشخص” با احتیاط در کاربردهایی از قبیل استارت موتور کُمپرسورِ تهویه مطبوع استفاده می شوند. رده بندی های کنتاکتور در اروپا و امریکای شمالی از فلسفه های متفاوتی پیروی می کنند. کنتاکتورهای ابزار ماشین چند منظوره در امریکای شمالی عموماً بر سادگی کاربرد تاکید دارند در حالی که فلسفه رده بندی اروپایی و هدف مشخص، بر طراحی متناسب با چرخه دوام مطلوب برای کاربرد مورد نظر تاکید می کند.

دسته های کاربری IEC

رده بندی فعلی کنتاکتور به دسته های کاربری بستگی دارد. دسته های نمونه IEC در استاندارد 60947 به شرح زیر هستند:

AC-1 : بارهای غیر خودالقا، یا با خودالقایی اندک، کوره های مقاومت

AC-2 : استارت موتورهای حلقه لغزان (slip ring): استارت زدن، خاموش کردن

AC-3 : استارت موتورهای قفس سنجابی و خاموش کردن تنها بعد از اینکه موتور سرعت گرفته باشد. ( ایجاد آمپراژ روتور قفل دار (LRA)، شکست آمپراژ ظرفیت تکمیل (FLA))

AC-4 : استارت موتورهای قفس سنجابی با کار اینچینگ و پلاگینگ. (inching and plugging duty). استارت/توقف سریع. (تشکیل و شکست LRA)

رله ها و بلوک های کنتاکت کمکی طبق IEC 60947-5-1 رده بندی می شوند.

AC-15 – کنترل بارهای الکترومغناطیسی (بیشتر از 72 VA)

DC-13 – کنترل آهنرباهای الکتریکی

کنتاکتورهای NEMA

کنتاکتورهای NEMA برای موتورهای ولتاژ پایین (کمتر از 1000 ولت) طبق اندازه NEMA رده بندی می شوند، که یک رده بندی جریان پیوسته بیشینه و یک رده بندی طبق اسب بخار برای موتورهای القایی مونتاژ شده بدست می دهد. اندازه های کنتاکتور استاندارد NEMA با 00، 0، 1، 2، 3 تا 9 مشخص می شوند.

آنطور که در استاندارد ICS2 NEMA ذکر شده، رده بندی های اسب بخار بر اساس ولتاژ و ویژگی های معمول موتور القایی و چرخه کار انجام می شود. چرخه های کار استثنایی یا انواع ویژه موتو ممکن است اندازه استارتر NEMA ی متفاوتی از رده بندی اسمی نیاز داشته باشند. دستورالعمل تولید کننده جهت راهنمایی برای انتخاب بارهای غیر موتوری، مثلاً نور افکنی گداخته یا خازن های اصلاح ضریب توان، استفاده می شود. کنتاکتورها برای موتورهای مدیوم-ولتاژ (بیشتر از 1000 ولت)  طبق ولتاژ و ظرفیت جریان رده بندی می شوند.

کنتاکت های کمکیِ کنتاکتورها در مدارهای کنترل استفاده می شوند و با رده بندی های کنتاکت NEMA برای کار مدار هدایتگرِ (pilot circuit) مورد نیاز رده بندی می شوند. این کنتاکت ها بطور معمول در مدارهای موتوری استفاده نمی شوند. قاعده نام گذاری به این صورت است که یک حرف نوشته می شود و در ادامه یک عدد 3 رقمی قرار می گیرد، حرف تعین کننده رده بندی جریان کنتاکت ها و نوع جریان (مثلاً AC یا DC) است و عدد، مقادیر ولتاژ بیشینه طراحی شده را مشخص می کند.

کاربردهای کنتاکتور

کنترل نور افکنی

کنتاکتورها را اغلب برای تامین کنترل مرکزی تاسیسات نورپردازی بزرگ استفاده می کنند، مثلاً یک ساختمان اداری یا یک ساختمان تجاری. برای کاهش مصرف برق در سیم پیچ های کنتاکتور، از کنتاکتورهای چِفت (latching) استفاده می شود که دارای دو سیم پیچ عمل کننده هستند. یک سیم پیچ، که بطور لحظه ای جریان دار می شود، کنتاکت های مدار قدرت را می بندد، که پس از آن بطور مکانیکی بسته نگه داشته می شوند؛ سیم پیچ دوم کنتاکت ها را باز می کند.

استارتر مغناطیسی

استارتر مغناطیسی دستگاهی است که برای تامین توان موتوهای الکتریکی طراحی شده است. این وسیله کنتاکتور را به عنوان قطعه ای حیاتی در بر دارد، و در عین حال در وضعیت های قطع برق، کسر ولتاژ و اضافه بار، محافظت ایجاد می کند.

کنتاکتور خلاء

کنتاکتورهای خلا از کنتاکت های کپسوله شده بطری خلاء برای جلوگیری از قوس استفاده می کنند. این نوع سرکوب قوس اجازه می دهد که کنتاکت ها بسیار کوچکتر باشند و فضای بسیار کمتری را نسبت به کنتاکت های شکست هوا (air break contact) در جریان های بالا استفاده کنند. از آنجایی که کنتاکت ها کپسوله شده هستند، کنتاکتورهای خلاء در کارهای نه چندان تمیز مثل حفاری معدن استفاده گسترده ای دارند.

کنتاکتورهای خلاء تنها برای سیستم های AC قابل استفاده هستند. قوس AC تولید شده هنگام باز شدن کنتاکت ها در نقاط صفر شونده شکل موج جریان، خود را خاموش می کند، و خلاء جلوی وقوع مجدد قوس را در کنتاکت های باز می گیرد. بنابراین کنتاکتورهای خلاء در مختل کردن انرژی قوس الکتریکی بسیار کارآمد هستند و هنگامی که به کلید زنی (سوییچینگ) سریع نیاز باشد استفاده می شوند، زیرا زمان شکست بیشینه توسط تناوب شکل موج AC تعیین می شود. در حالتی که توان 60HZ باشد (استاندار ایالات متحده)، برق در 120/1 یا 0.008333  ثانیه قطع می شود.

رله جیوه ای

رله جیوه ای که برخی اوقات رله جا به جایی جیوه ای، یا کنتاکتور جیوه ای نیز نامیده می شود، رله ای است که از فلز مایع جیوه در یک محفظه محکم عایق، به عنوان عنصر کلید زنی استفاده می کند.

رله مرطوب شده با جیوه

رله مرطوب شده با جیوه نوعی رله است، معمولاً رله نِی، که در آن کنتاکت ها با جیوه مرطوب می شوند. این رله ها را به عنوان کنتاکتور مطرح نیستند زیرا برای جریان های بیشتر از 15 آمپر در نظر گرفته نمی شوند.

عمل میل بادامک

هنگامی که بنا است یک سری کنتاکتور به شکل دنباله وار عمل کنند،  این کار را می توان با یک میل بادامک به جای آهنرابای الکتریکی مجزا انجام داد. میل بادامک را می توان با یک موتور الکتریکی یا سیلندر بادی هدایت کرد. پیش از ظهور الکترونیک حالت جامد، سیستم میل بادامک برای کنترل سرعت در لوکوموتیو های الکتریکی کاربرد گسترده داشت.