2.3 الموقف التعليمي التعلّمي: توصيل حمل كهربائي باستخدام مفتاح تلامسي

وصف الموقف التعليمي التعلّمي: حضر أحد أصحاب المصانع إلى مصنع تجميع لوحات كهربائية، وطلب تجميع دارة تحكّم كهربائية، باستخدام مفاتيح تلامسية؛ لتشغيل حمل كهربائي في مصنعه.

84

1. أذكر، مع الشرح الموجز العناصر الأساسية التي تتكون منها دارات القدرة والتحكم في تشغيل الأحمال الكهربائية باستخدام المفاتيح التلامسية.
2. أرسم دارة الإيقاف ⁦(NOT Circuit)⁩ للتحكم في إطفاء مصباح كهربائي.
3. أرسم دارة تحكم في إنارة مصباح كهربائي عن طريق ملامسين على التوالي ⁦(AND Circuit)⁩.

تُعَدّ دارات التحكّم من المكوّنات الرئيسة لأنظمة التحكّم الكهربائية التي تعمل بشكل تتابعي مع الزمن، لتشغيل أحمال كهربائية؛ لتأدية وظائف ميكانيكية معينة، حيث تعتمد في عملها على أجهزة إدخال، مثل مفاتيح التشغيل، والضواغط، والمجسات، وأجهزة إخراج، مثل المرحّلات، والمفاتيح التلامسية التي تُعَدّ الأساس في بناء دارات منطقية لهذه الأنظمة.

1. أجهزة الإدخال: تتكوّن غالباً من ضواغط، يتمّ تشغيلها يدوياً، كما هو مبيّن في الشكل (1) الآتي:

وقد تتكوّن أيضاً من مجسات تُفعَّل بالحركة، أو الضوء، أو غيرها من الظواهر الفيزيائية التي يتمّ تحويلها إلى إشارات كهربائية، كما هو مبيّن في الشكل (2) الآتي:

2. أجهزة الاستقبال: تتكوّن من مفاتيح تلامسية ⁦(Contactor)⁩، ومرحّلات ⁦(Relay)⁩، ومؤقِّتات زمنية ⁦(Timer)⁩، وهي تعمل على استقبال الإشارة الكهربائية؛ لتشغيل نظام التحكّم، كما هو مبيّن في الشكل (3) الآتي:

3. أجهزة التشغيل: وهي التي تشكّل الأحمال، التي تعمل أجهزة التحكّم على نقل الإشارة الكهربائية إليها، مثل المحرّكات الكهربائية، والأسطوانات الهوائية، والهيدروليكية، وغيرها من الأحمال.
4. أجهزة الإشارة والتحذير: تشير إلى حالة المداخل، والمخارج، كما تشير إلى حدوث خلل ما في الدارة الكهربائية، مثل مصابيح الإشارة.

يُقسم المخطّط الكهربائي في تشغيل الأحمال الكهربائية باستخدام المفاتيح التلامسية إلى قسمين رئيسن، هما: مخطّط دارة القدرة، ومخطّط دارة التحكّم، حيث يتكوّن المخطّطان من مجموعة من العناصر الكهربائية، منها ما هو مُستخدَم في مخطّط دارة التحكّم، ومنها ما هو مُستخدَم في مخطّط دارة القدرة، ومنها ما يُستخدم في المخطّطين معاً.

1. المفتاح الرئيس ⁦(ON/OFF Main Switch)⁩: وهو مفتاح يُركَّب على اللوحة الكهربائية من الخارج، ويُستخَدم لفصل الدارة الكهربائية، ووصلها مع المصدر، حيث يتمّ تصنيف هذه المفاتيح وَفق عدد الأقطاب، وعلى مدى تحمُّلها للتيار الكهربائي، كما هو مبيّن في الشكل (4) الآتي:

حيث يتمّ اختيار المفتاح الرئيس، تَبعاً لمصدر التغذية (أحادي الطور، أو ثلاثي الأطوار)، وتَبعاً لتيار الحمل، ويبيّن الشكل (5) الآتي رمز مفتاح رئيس ثنائي، وثلاثي القطبية، وهو مفتاح يُركَّب على اللوحة الكهربائية من الخارج، ويُستَخدم لفصل الدارة الكهربائية، ووصلها مع المصدر، حيث يتمّ تصنيف هذه المفاتيح وَفق عدد الأقطاب، وعلى مدى تحمُّلها للتيار الكهربائي، فمنها ما يتحمّل 16، 20، ⁦25 A⁩، ومنها ما تصل درجة تحمُّله إلى مئات الأمبيرات.

2. القاطع الكهربائي ⁦(Circuit Breaker)⁩: هو عنصر حماية أساسي في دارات القدرة والتحكّم؛ إذ يتمّ بوساطته فصل التغذية، ووصلها عن المصدر آليّاً عن دارات القدرة والتحكّم عند تجاوز التيار المسحوب من المصدر التيار المقنّن؛ إذ إنّ هذا القاطع متوفر بأشكال وسَعَات مختلفة؛ أحادية الطور، وثلاثية الأطوار، وبمقرّرات تيار ( 6، 10، 16، 20، 25، ⁦32 A ⁩) والشكل (6) الآتي يبيّن بعض أنواع القواطع الكهربائية:

3. المفتاح التلامسي ⁦(Contactor)⁩: وهو جهاز كهروميكانيكي، يعمل على نقل التيار الكهربائي من المصدر إلى الحمل، ويبيّن الشكل (7) الآتي رمز ملامسات تلامس رئيسة، وملف المفتاح التلامسي:

4. مرحّل الحماية الحراري ⁦(Overload Relay)⁩: يعمل هذا المرحّل على فصل الدارة الكهربائية عن المصدر، في حال زيادة تيار الحمل عن التيار المقرر، ويبيّن الشكل (8) الآتي رمز مرحّل الحماية الحراري:

5. ضواغط التشغيل والإيقاف ⁦(Start And Stop Push Buttons)⁩: تكون ملامسات ضواغط التشغيل في وضعها الطبيعي مفتوحة ⁦(NO)⁩، حيث تُستعمل هذه الضواغط لربط ملامسات التوصيل عند الضغط عليها؛ لتمرير التيار الكهربائي، كما هو مبيّن في الشكل (9) الآتي:

بينما تكون تلامسات ضواغط الإيقاف في وضعها الطبيعي مغلقة، حيث تُستعمَل هذه الضواغط لفصل التيار الكهربائي عن الدارة الكهربائية عبر ملامسات التوصيل عند الضغط عليها، كما هو مبيّن في الشكل (10) الآتي:

1. دارة تشغيل مباشر ⁦(Direct On Line)⁩:

عند إغلاق مفتاح التشغيل ⁦(S1)⁩، يتمّ وصل ملف المفتاح التلامسي ⁦(C)⁩ مع مصدر الكهرباء، وبالتالي يُغلق الملامس المفتوح ⁦(C1)⁩، الذي –بدوره- يعمل على توصيل المصباح مع مصدر الكهرباء، فيضيء المصباح، وعند فتح المفتاح، يعمل على فصل مصدر الكهرباء عن ملف المفتاح التلامسي، فتعود نقطة التلامس إلى وضعها الطبيعي المفتوح ⁦(NO)⁩، فينطفئ المصباح؛ لانفصاله عن المصدر.

2. دارة الإيقاف ⁦(NOT Circuit)⁩:

عند إغلاق مفتاح التشغيل ⁦(S1)⁩، يتصل ملف المفتاح التلامسي ⁦(C)⁩ بمصدر الكهرباء، فتتغيّر وضعية الملامس المغلق ⁦(C1)⁩، فينفصل جهد المصدر عن المصباح ⁦(L1)⁩، فينطفئ المصباح.

يُستعمَل هذا النوع من الدارات في التطبيقات التي تتطلّب أولوية في التشغيل؛ إذ ينفصل التيار الكهربائي عن الحمل المتصل بنقطة الملامس ⁦(C1)⁩ لمجرد تفعيل ملف الملامس ⁦(C)⁩.

3. دارة تشغيل عن طريق ملامسين على التوالي ⁦(AND Circuit)⁩:

عند إغلاق مفتاح التشغيل ⁦(S1)⁩، يتصل ملف المفتاح التلامسي ⁦(C1)⁩ بمصدر الكهرباء، فتتغيّر وضعية الملامس المفتوح ⁦(C1)⁩، فيغلق، وعند إغلاق مفتاح التشغيل ⁦(S2)⁩، يتصل ملف المفتاح التلامسي ⁦(C2)⁩ بمصدر الكهرباء، فتتغيّر وضعية الملامس المفتوح ⁦(C2)⁩، فيغلق، فيصل جهد المصدر إلى المصباح ⁦(L1)⁩، فيضيء.

يُستعمَل هذا النوع من الدارات في التطبيقات التي تتطلّب حذراً في التشغيل، بحيث لا يصل جهد المصدر إلى الحمل الكهربائي إلّا بعد تشغيل مفتاحَي تشغيل، وبشكل متزامن، مثل ماكينات القصّ بتطبيقاتها المختلفة.

4. دارة تشغيل عن طريق ملامسين على التوازي ⁦(OR Circuit)⁩:

عند إغلاق مفتاح التشغيل ⁦(S1)⁩، أو ⁦(S2)⁩، يتصل ملف المفتاح التلامسي ⁦(C1)⁩، أو ⁦(C2)⁩ بمصدر الكهرباء، فتتغيّر وضعية الملامس المفتوح ⁦(C1)⁩، أو ⁦(C2)⁩، فيصل جهد المصدر إلى المصباح ⁦(L1)⁩، فيضيء.

يُستعمَل هذا النوع من الدارات في التطبيقات التي تتطلّب تشغيلاً، وإطفاءً من أكثر من مكان.

5. دارة تشغيل مع استمرارية ⁦(Latching)⁩: يُعَدّ تشغيل دارات التحكّم، وإيقافها، باستخدام ضواغط تشغيل مفتوحة في وضعها الطبيعي ⁦(NO)⁩، وضواغط إيقاف مغلقة في وضعها الطبيعي ⁦(NC)⁩، الأكثر استعمالاً في تطبيقات دارات التحكّم المختلفة.

ففي الدارات السابقة، تمّ التشغيل والإيقاف باستخدام مفاتيح تشغيل كهربائية حافظت بشكل مباشر على استمرارية وصول التيار الكهربائي إلى ملف المفتاح التلامسي، ولكنّ الحال يختلف عند التشغيل باستخدام الضواغط التي تعمل على إيصال التيار الكهربائي إلى الملف لحظياً على شكل نبضة كهربائية.

أفكّر: كيف يتمّ الحفاظ على استمرارية وصول التيار الكهربائي إلى الملف، وإيقافه عند استخدام ضواغط التشغيل والإيقاف؟

1. بما أنّ تلامسات المفتاح التلامسي تكون في وضعها الطبيعي، إمّا ⁦(NO)⁩، أو ⁦(NC)⁩ قبل وصول التيار الكهربائي إلى ملفه، فإنّها تتغيّر، وتنعكس وضعيتها فور وصول التيار الكهربائي إلى الملف، لذلك عند الضغط على ضاغط التشغيل ⁦(NO)⁩، يتمّ تفعيل ملف المفتاح التلامسي ⁦(C)⁩، وإغلاق الملامس ⁦(C1)⁩، الذي يتمّ توصيله على التوازي مع ضاغط التشغيل، والذي بدوره يعمل على استمرارية وصول التيار الكهربائي إلى الملف.
2. ويبيّن الشكل (15) الآتي دارة تشغيل مع استمرارية:

ويتمّ إيقاف تدفق التيار إلى الملف بتوصيل ضاغط إيقاف ⁦(NC)⁩ على التوالي معه، والذي بدوره يعمل على فصل التيار الكهربائي عن الملف.

دارات التداخل والحماية: هي نظام يعمل على منع تفعيل جزأين، أو أكثر من أجزاء دارة كهربائية في آن واحد، يؤدّي تفعيلهما إلى حدوث اضطراب في عمل الدارة، أو حدوث قصر كهربائي فيها ⁦(short-circuit)⁩، حيث يُستخَدم بشكل واسع في دارات التحكّم باستخدام مفاتيح تلامسية؛ لمنع تفعيل ملفات مفتاحين تلامسيين، أو أكثر في آن واحد، كدارات عكس اتجاه الدوران للمحرّكات الكهربائية، ودارات ستار- دلتا، وغيرها.

1. تداخل وحماية ميكانيكية: وفيه يتمّ منع توصيل مفتاحين تلامسيين باستخدام وسائل حماية ميكانيكية ، ويبين الشكل (17) دارة تداخل وحماية ميكانيكية.

2. تداخل وحماية كهروميكانيكية: يتمّ فيه منع تفعيل ملفات مفتاحين تلامسيّين في آن واحد كهروميكانيكياً، عن طريق الملامسات المساعدة المغلقة في المفاتيح التلامسية:

7. تقديم تشغيل دارة على أخرى: تتطلّب بعض التطبيقات تقديم تشغيل دارة على أخرى، حيث تعمل الدارة الأولى (تفعيل المفتاح التلامسي ⁦C1⁩) عند الضغط على ضاغط التشغيل (1)، وفور الضغط على ضاغط التشغيل (2)، تعمل الدارة الثانية (تفعيل المفتاح التلامسي ⁦C2⁩)، فتنفصل الدارة الأولى عن مصدر الكهرباء، وتتوقف عن العمل، ويبين الشكل (18) دارة تقديم تشغيل دارة على أخرى.

1. ما المكوّنات الرئيسة لأنظمة التحكّم الكهربائية؟
2. ما العناصر الأساسية في دارات القدرة والتحكّم الكهربائية؟