بررسی عملکرد و تحلیل مدار رله کنترل فاز به همراه مدار داخلی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، اینجا قصد بررسی عملکرد و تحلیل مدار رله کنترل فاز را داریم. در حالت کلی این رله در مدار‌های سه فاز استفاده می‌گردد علی الخصوص زمانی که قرار است یک تابلو برق برای کنترل عملکرد الکتروموتور را طراحی نماییم باید حتما کنترل فاز را در مدار قرار داد تا علاوه بر عملیات حفاظتی که انجام می‌دهد در زمانی که دو فاز جابجا می‌شوند از برعکس شدن دور الکتروموتور جلوگیری نماید و دستور قطع مدار را صادر نماید. همانطور که گفته شد این رله در خطوط سه فاز استفاده می‌گردد و با تحت نظر قرار دادن سه فاز ورودی، در شرایط زیر عمل نموده و دستور قطع مدار را صادر می‌نماید:

قطع یک یا دو فاز.
جابجا شدن فازها.
عدم تقارن ولتاژ‌های سه فاز.
کاهش یا افزایش ولتاژ فازها.


نقشه مدار داخلی و کاملا آنالوگ رله کنترل فاز

در این مدار برای تهیه ولتاژ DC مورد نیاز مدار الکترونیکی خود از خط اول فاز‌های ورودی استفاده می‌کند. این فاز پس از عبور از مقاومت‌های R۱۴ و R۱۵ توسط خازن C۵ ولتاژ آن کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که مقاومت R۱۶ که بصورت موازی با این خازن قرار گرفته برای جلوگیری از افزایش بیش از حد ولتاژ خازن و دشارژ آن در زمان قطع برق در نظر گرفته شده است.

سپس این ولتاژ به دو مسیر مختلف تقسیم می‌گردد. در مسیر اول پس از عبور از دیود D۴ و یکسو شدن وارد C۶ شده تا صاف گردد. سپس توسط مقاومت R۲۲ و دیود زنر Z۳ رگوله شده و پس از صاف و فیلتر مجدد شدن توسط خازن‌های C۷ و C۱۰ برای استفاده مدار آماده می‌شود. مقاومت R۲۱ وظیفه مصرف ولتاژ تولید شده را دارد تا مانع از افزایش ولتاژ مدار خواهد شد

در مسیر دوم نیم سیکل‌های منفی توسط D۵ عبور داده شده و یکسو می‌گردد و برای صاف کردن آن از C۱۲ استفاده می‌شود. این ولتاژ نسبت به ولتاژ قبلی دارای پلاریته مخالف است و برای راه اندازی رله خروجی و ترانزیستور مربوط به آن استفاده می‌شود.

برای مشخص شدن تقارن فاز‌ها یعنی یکسان بودن مقدار ولتاژ هر سه فاز و همینطور اختلاف فاز یکسان برابر با ۱۲۰ درجه و همینطور قطع نبودن یک یا دو فاز مدار این مدار از یک ترفند بسیار ساده، اما زیبا استفاده کرده است.

سه مقاومت R۱، R۲ و R۳ که هر سه ۳۳۰۰۰ مگا اهمی هستند و بصورت ستاره بسته شده اند. در صورتیکه دامنه هر سه فاز یکسان باشد و همچنین اختلاف فاز بین آن‌ها با هم برابر ۱۲۰ درجه باشد ولتاژ نقطه مشترک سه مقاومت برابر صفر خواهد شد. در صورتیکه یک یا دو فاز هم قطع شود این تقارن به هم خورده و ولتاژ نقطه مشترک دیگر صفر نخواهد بود. پس یکی از شروط صحت فاز‌های ورودی صفر بودن ولتاژ این نقطه خواهد بود.

بخشی از این ولتاژ توسط پتانسیومتر P۱ و مقاومت R۶ نمونه برداری می‌شود و پس از یکسو سازی توسط D۱ و محدود کردن آن توسط دیود زنر D۲ و صاف نمودن توسط R۹ و C۲ از طریق مقاومت R۲۰ به ورودی مثبت آپ امپ وارد می‌شود. در صورتیکه ولتاژ این پایه (پایه شماره ۳) بالاتر از وردی منفی (پایه شماره ۲) آپ امپ باشد خروجی (پایه شماره ۱) آپ امپ مثبت خواهد شد و LED قرمز رنگ به نشانه خطای عدم تقارن روشن می‌گردد.

قسمتی که در بالا توضیح داده شد بسیاری از موارد را تست می‌نماید، اما در دو مورد خطا را تشخیص نمی‌دهد.

حالت اول: در صورتیکه شما جای فاز‌ها را جابجا کنید این مدار متوجه نخواهد شد

حالت دوم: اگر مقدار ولتاژ هر سه فاز کمتر از حد معمول باشد، اما به شرط اینکه ولتاژ‌ها با هم برابر باشند باز مدار بالا این مشکل را متوجه نخواهد شد.

برای رفع ایراد اول و تشخیص جابجایی فاز‌ها مدار از دو فاز تست می‌گیرد که آیا در سر جای خود هستند. قطعا وقتی دو فاز ار سه فاز درست باشند فاز سوم هم درست خواهد بود! در این مدار فاز‌های R و T تست می‌شوند. برای اینکار ولتاژ R از طریق مقاومت R۱۱ عبور داده می‌شود و ولتاژ فاز T از طریق یک مدار RC که شامل R۱۲ و C۱ است و نقش ایجاد اختلاف فاز را دارد بازی می‌کند عبور کرده و هر دوی این سیگنال‌ها بر روی کاتد دیود زنر Z۲ اعمال می‌شوند.

در صورتیکه فاز‌های R و T درست وصل شده باشند فاز T بدلیل عبور از مدار ایجاد اختلاف فاز که آن را به اندازه ۹۰ درجه به جلو می‌برد در نتیجه، چون اختلاف این دو فاز ۲۴۰ درجه است این اختلاف بعد عبور از مدار به حدود ۱۵۰ درجه می‌رسد که تقریبا اثر همدیگر را خنثی می‌نمایند؛ و دامنه آن سیگنال موجود در سر کاتد دیود زنر کم خواهد بود. این ولتاژ پس از محدود سازی توسط این دیود و مقاومت موازی با آن توسط دیود D۳ یکسو شده و توسط R۱۹ و C۴ صاف می‌شود. این ولتاژ یه ورودی مثبت (پایه ۱۰) آپ امپ وارد می‌شود و در صورت بالاتر بودن از ولتاژ پایه ۹ خروجی این آپ امپ فعال شده و LED قرمز رنگ مربوط به توالی فاز‌ها روشن می‌شود.

برای رفع ایراد دوم یعنی تست دامنه ولتاژ فاز‌ها کافی است که ولتاژ یکی از فاز‌ها بررسی شود در صورتیکه دامنه آن مناسب بود و همینطور در مدار اول متقارن بودن فاز‌ها تائید شده باشد می‌توان بر درست بودن ولتاژ‌ها اطمینان داشت.

در این مدار ولتاژ فاز T بررسی می‌شود و سیگنال آن پس عبور از مقاومت‌های R۱۰ کاهش یافته و پس از یکسوسازی توسط D۹ به خازن C۳ رفته تا صاف شود حال بخشی از این ولتاژ توسط پتانسیومتر P۲ نمونه گیری و مقایسه می‌شود. در صورتیکه این ولتاژ کمتر از حد نرمال باشد خروجی آپ امپ فعال شده و LED خطای ولتاژ روشن می‌شود.

همانطور که دیدید سه مدار برای بررسی حالات مختلف در نظر گرفته شده؛ که در صورتیکه هر یک از این سه مدار خطایی را تشخیص دهند باید رله عمل کرده و ولتاژ را قطع کند. البته معمولا بدلیل اینکه ممکن است خطا‌ها بصورت لحظه‌ای بوجود آمده باشند مثلا برای لحظه‌ای ولتاژ‌ها کاهش یابند، باید در مدار تاخیری وجود داشته باشد که در صورت وجود خطای لحظه‌ای از آن بتوان چشم پوشی کرد.

برای اینکه در صورت بروز هر یک از خطا‌ها رله فعال شود از مدار زیر استفاده شده؛ که شامل سه دیود D۶ و D۷ و D۸ است؛ که کاتد آن‌ها بصورت مشترک به هم وصل شده. قطعا می‌دانید که در صورتیکه کاتد چند دیود به هم متصل شود فقط یکی از دیود‌ها می‌تواند روشن شود و آن دیودی است که ولتاژ روی آند آن از آند سایر دیود‌ها بالاتر باشد. البته احتمال اینکه هر سه دیود روشن شوند هست و خیلی کم، چون باید ولتاژ آند همه آن‌ها با هم دقیقا برابر باشد و همچنین ولتاژ بایاس مستقیم آن ها؛ که در عمل این اتفاق خیلی بعید به نظر می‌رسد.

اگر دقت کنید متوجه خواهید شد که ولتاژ آند دیود‌های فوق به خروجی سه مدار قبلی وصل است؛ و در نتیجه در صورتیکه هر یک از مدار‌های بالا خطایی را تشخیص دهند خروجی مدار فوق فعال می‌شود. حال باید در مسیر این دیود‌ها مدار تاخیری که در بالا به آن اشاره شد قرار گیرد تا پس از تاخیر مناسب رله را فعال نماید.

خروجی دیود‌ها از طریق مقاومت R۳۲ به پایه منفی آپ امپ (پایه ۱۳) وصل می‌شود بر روی این پایه مقاومت R۳۳ و پتانسیومتر P۳ و خازن C۹ نیز قرار دارند که در واقع نقش مدار تاخیر را بازی می‌کنند؛ و در نتیجه ولتاژ ورودی آپ امپ به سرعت تغییر نخواهد کرد و پس از گذشت زمانی که توسط P۳ تعیین می‌شود باعث تحریک خروجی آپ امپ خواهد شد و خروجی را صفر می‌نماید. با صفر شدن خروجی LED سبز رنگ که نشانگر سالم بودن خطوط سه فاز هست خاموش شده و دیود زنر Z۵ فعال شده و ترانزیستور Q۱ تحریک می‌شود و در نتیجه رله عمل خواهد کرد.

اگر دقت کرده باشید در تمامی مراحل بالا هر چهار آپ امپ مدار یک ولتاژ مرجع را برای مقایسه استفاده می‌کردند که این ولتاژ مرجع برای هر چهار آپ امپ یکسان است و توسط مدار زیر تهیه می‌شود

مدار فوق از ولتاژ تغذیه انشعابی گرفته و پس از عبور از R۲۳ آنرا توسط دیود زنر Z۴ رگوله کرده و توسط C۸ صاف می‌کند؛ و این ولتاژ به عنوان مرجع در بخش‌های مختلف استفاده می‌شود.