Kontaktör ve Röle

Konu Anlatımı

Kontaktör ve Röle: Yüksek Akımlı Kumanda ve Motor Koruma

Bir elektrik tesisatında enerjiyi taşımak kadar önemli olan ikinci iş, onu güvenli biçimde kesmektir. Kontaktör, güç devresindeki faziletkenlerini yüklü olarak açıp kapatan elektromanyetik bir anahtardır; röle ise kumanda devresinde çalışan, düşük akımlı bir sinyali işlevsel olarak çoğaltan cihazdır. On birinci sınıf düzeyinde bu ayırımın ötesine geçilir: her iki cihazın da seçim, ayar ve koordinasyon değerleri motorun etiket verisinden hesaplanır.

1. Kontaktörün Yapısı ve Kullanım Kategorileri

Kontaktör; bobin, sabit kontak, hareketli kamaça ve yay mekanizmasından oluşur. Bobine enerji verildiğinde oluşan manyetik alan kamaçayı çeker ve güç kontakları kapanır; enerji kesildiğinde yay kamaçayı geri iterek kontakları açar. Bu nedenle kontaktör kendi kendini tutamaz, devrenin açık kalması için mühürleme (tutma) kontağı kullanılır. Güç kontakları ile yardımcı kontaklar ayrı numaralandırılır: açılan kontak 13-14, kapanan kontak 21-22 biçimindedir ve bu numaralandırma rölelerde de geçerlidir.

Kontaktör seçimi yalnızca akım değerine göre yapılmaz, yükün cinsi de belirleyicidir. IEC 60947-4-1 standardında tanımlanan kullanım kategorileri, kontağın hangi yükü kaç kez açıp kapatacağını belirtir. Aşağıdaki tablo sık kullanılan kategorileri özetler.

Motor uygulamasında kontaktörün AC-3 değeri motorun nominal akımından (In) küçük olamaz; çünkü kontaktör motoru hem çalışırken hem de normal duruşta kesmek zorundadır. Kalkış anındaki kısa süreli yüksek akım ise ayrı bir başlık, yani kısa süreli taşıma değeri ile değerlendirilir. Aynı kontaktörün AC-1 değeri genellikle AC-3 değerinden yüksektir; dirençli bir ısıtıcıyı kesmek için AC-3 kontaktörü kullanmak hem gereksiz maliyet hem de ark aşınması getirir.

2. Termik Röle ve Motor Koruma Rölesi Ayarları

Koruma cihazının ayar noktası motorun etiket akımıdır. Üç fazlı asenkron motorun nominal akımı, güç ve verim verilerinden şu bağıntıyla bulunur:

In = P / (√3 × U × cosφ × η)

Burada P watt, U volt, cosφ güç faktörü, η motor verimidir ve √3 sabiti 1,732'dir. Örneğin 400 V beslemede, cosφ = 0,85 ve η = 0,87 olan 5,5 kW bir motor için payda 1,732 × 400 × 0,85 × 0,87 = 512,3 bulunur, In = 5500 / 512,3 = 10,7 A çıkar. Bu akım, termik rölenin ayar skalasındaki 9-13 A aralığına düşer ve ayar 10,7 A'ya çekilir.

Bimetalli termik rölede akım, iki farklı genleşme katsayısına sahip metal yaprağı ısıtır; yaprak bükülür ve kontak açılır. Gecikme süresi akımın büyüklüğüne bağlıdır, bu yüzden aşırı akım sınıfı tanımlanır: sınıf 10 röle, 7,2 kat ayar akımında en fazla 10 saniyede açar. Elektronik motor koruma rölesinde ise gecikmeli (termik) ve anlık (manyetik) kadeh ayrı ayrı ayarlanır:

I_manyetik ≈ (8-15) × In ve I_termik = (1,0-1,1) × In

Manyetik kadeh kısa devreyi ayırır ve motorun normal kalkış akımını görmemelidir; bu yüzden ayar değeri kalkış akımının (6-8 × In) üzerinde, kısa devre akımının ise belirgin altında seçilir. Termik kadeh ise saatlerce sürebilen aşırı yükte devreyi açar; ayarın düşük yapılması motorun tam yükte çalışırken sürekli açma, yüksek yapılması ise sargıların ısınıp izolasyonun kısalmasına yol açar.

3. Adım Adım Seçim Yöntemi

Koruma grubu seçimi sırayla yürütülür. Birinci adımda motorun etiketinden Pn, Un, cosφ, η ve In okunur, etiket yoksa güç ve verimden In hesaplanır. İkinci adımda termik ayar bu In değerine eşitlenir, aşırı akım sınıfı iş yüküne göre seçilir; sürekli çalışan ve sık kalkış yapan yüklerde sınıf 20, normal yüklerde sınıf 10 tercih edilir. Üçüncü adımda manyetik ayar, kalkış akımının üstünde kalacak biçimde (tipik 10 × In) ayarlanır. Dördüncü adımda kontaktörün AC-3 değeri In değerinden büyük seçilir. Beşinci adımda kısa devre koruyucusunun kısa devre dayanımı (ICU), şebekeden gelebilecek kısa devre akımından az olmaz; son adımda test butonu ile açma davranışı doğrulanır ve ölçümler bakım kaydına işlenir.

4. Uygulama Örneği: 5,5 kW Motorun Koruma Grubu

400 V, cosφ 0,85, η 0,87 olan 5,5 kW motorun akımı yukarıdaki hesapla 10,7 A'dır. Termik ayar 10,7 A'ya çekilir; sınıf 10 röle bu ayarla 7,2 × 10,7 ≈ 77 A akımda yaklaşık 10 saniyede açar. Manyetik ayar 10 × 10,7 = 107 A seçilir; normal kalkış akımı 6-8 kat aralığında, yani 64-86 A olduğundan manyetik kadeh kalkışta açılmaz. Kontaktör için AC-3 değeri en az 10,7 A olan 12 A sınıfı bir cihaz seçilir. Bobin ayrı bir kaynaktan besleniyorsa, örneğin 24 V DC ve 2,8 W'lık bobin için akım 2,8 / 24 = 0,117 A yani yaklaşık 117 mA olur ve kumanda devresi sigortası bu değeri taşıyacak şekilde en az 2 A seçilir.

5. Koruma Koordinasyonu ve Sınav Odaklı Noktalar

Kısa devre anında akım saniyeler değil milisaniyeler içinde binlerce ampere çıkar; termik rölenin bimetalli yaprağı bu süre içinde ısınıp açılamaz. Bu yüzden kısa devre görevi sigorta veya kesicinin manyetik kadehine aittir. Seçicilik (koordinasyon) şemasında alttaki cihaz, kısa devreyi en yakın üstteki cihaz açılmadan önce kendi içinde söndürmelidir; buna Type 2 koordinasyon denir ve kısa devreden sonra cihazın hasarsız çalışmayı sürdürmesi beklenir. Sınavlarda sık sorulan nokta şudur: ölçümde görülen yüksek akımın kalkış akımı mı, aşırı yük mü yoksa kısa devre mi olduğu, akımın büyüklüğü ve süresi birlikte değerlendirilerek ayırt edilir. 11 kW'lık bir motorda In = 21,5 A iken ölçülen 150 A'lık tepe, 6-8 × In aralığındaki kalkış akımıdır ve normaldir; buna karşılık 10 × In = 215 A'lık eşiği aşan ve birkaç milisaniyede sınırlanan akım kısa devre olarak değerlendirilir.

Ne Öğreneceğiz

Kontaktör seçimi, termik ve elektronik motor koruma rölesi ayarları, kısa devre koruması ve koruma koordinasyonunun hesapla anlatımı. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Kontaktör ve rölelerin yapılarını, kontak tiplerini ve IEC 60947-4-1 kullanım kategorilerini (AC-1, AC-3, AC-15) açıklar.
• Üç fazlı asenkron motorun nominal akımını güç, gerilim, cosφ ve verim verilerinden hesaplar.
• Termik röle ile elektronik motor koruma rölesinin ayar değerlerini motor etiket verisine göre belirler.
• Aşırı akım koruması ile kısa devre korumasının görevlerini ve seçicilik (koordinasyon) ilişkisini ayırt eder.
• Kumanda devresinde mühürleme kontağı ve emniyet kontaklarının yerini tek hat şeması üzerinde gösterir.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Kontaktörün AC-3 değeri motorun çalışma akımından küçük seçilemez; AC-1 değeri yalnızca dirençli yükler içindir.
• Termik röle ayarı motor etiket akımına eşitlenir, akım büyüklüğü değil motor verisi ayar noktasını belirler.
• Mühürleme kontağı start butonuna paralel, stop butonu devreye seri bağlanır; bu sıra emniyet için değişmez.
• Kısa devreyi röle değil sigorta veya kesicinin manyetik kadehi söndürür; ikisi ayrı ayrı ayarlanır.
• Elektronik motor koruma rölesinde termik ve manyetik kadehler bağımsızdır, birinin ayarı diğerini etkilemez.
• Koruma cihazının kısa devre dayanımı (ICU), besleme noktasındaki kısa devre akımından az olamaz.
• Bobin gerilimi kesildiğinde kontaktör açılır; istenmeyen yeniden kalkışı önlemek için gerilim düştüğünde enerji verme (undervoltage) kilitlenmesi kullanılır.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: 400 V, üç fazlı bir asenkron motor 5,5 kW gücündedir. Motorun cosφ değeri 0,85, verimi %87'dir. Motorun nominal akımını hesaplayınız.

1. Adım 1: Verileri birimlerine göre yazalım: P = 5,5 kW = 5500 W, U = 400 V, cosφ = 0,85, η = 0,87.
2. Adım 2: Formülü uygulayalım: In = P / (√3 × U × cosφ × η). Payda sabitini bulalım: 1,732 × 400 = 692,8.
3. Adım 3: Paydayı tamamlayalım: 692,8 × 0,85 = 588,88 ve 588,88 × 0,87 = 512,3.
4. Adım 4: Bölmeyi yapalım: In = 5500 / 512,3 = 10,74 A, yuvarlanarak 10,7 A.

Sonuç/cevap: Cevap: Motorun nominal akımı yaklaşık 10,7 A'dır.

Karşılaştırma Tablosu

Sık Yapılan Hatalar

Kontaktörü AC-1 değeriyle seçmek: Isıtıcı için seçilen AC-1 değeri motor uygulamasında yanıltır; motor için AC-3 esas alınır çünkü yük hem yüklenir hem boşaltılır.

Termik röle ayarını devreye akımına değil motor akımına göre yapmamak: Ayar, kalkış anındaki akıma göre düşürülürse motor normal yükte sürekli açar; yükseltilirse sargı ısınır ve izolasyon kısalır.

Manyetik ayarı kısa devre akımına eşitlemek: Manyetik eşik kalkış akımının üstünde ve kısa devre akımının altında tutulur; kısa devre akımına eşitlenirse hem kalkışta hem de hatalı açmada davranışı belirsizleşir.

Stop butonunu paralele, start butonunu seriye bağlamak: Bu bağlantıda buton bırakıldığında devre kapanmaz; stop seride, start paralel (mühürleme kontağı ile) olmalıdır.

Kısa devre görevini termik röleye vermek: Bimetalli yaprak milisaniyelik akımla açılamaz; kısa devre sigorta veya kesicinin manyetik korumasıyla söndürülür.

Koruma cihazının ICU değerini hesaba katmamak: ICU, şebekeden gelen kısa devre akımından düşük seçilirse cihaz kısa devrede hasar görür, koordinasyon bozulur.

Kendini Dene

Soru: Atölyede etiketinde 11 kW, 400 V, cosφ = 0,85, η = 0,87 yazan üç fazlı bir asenkron motor kurulacaktır. Motorun nominal akımını hesaplayınız, termik röle ayarını (1,0 × In), elektronik koruma rölesinin manyetik ayarını (10 × In) ve sınıf 10 rölenin 7,2 kat akımdaki açma süresini belirleyip pano etiketi taslağı olarak yazınız.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Formülün doğru kurulması (In = P/(√3·U·cosφ·η)) 4 puan; yerine değerlerin konulması ve 1,732 × 400 × 0,85 × 0,87 = 512,3 bulunması 4 puan; In = 11000/512,3 ≈ 21,5 A sonucu 4 puan; termik ayar 21,5 A olarak yazılması 3 puan; manyetik ayar 10 × 21,5 = 215 A bulunması 3 puan; sınıf 10 rölenin 7,2 × 21,5 ≈ 155 A akımda en fazla 10 saniyede açacağının belirtilmesi 2 puan. Toplam 20 puan.

Özet

Kontaktör güç devresini, röle kumanda devresini anahtarlarken motorun korunması In hesabına dayanır: In = P/(√3·U·cosφ·η). Termik ayar 1 kat, manyetik ayar yaklaşık 10 kat, kalkış akımı 6-8 kat aralığındadır. Kontaktör AC-3 değeri In'den küçük olamaz, kısa devre ise röle değil sigorta ve kesici tarafından söndürülür; seçicilik Type 2 koordinasyonla sağlanır.