Тепловое реле: работа, типы, схемы подключения и настройка

Долговечность и надежность эксплуатации электрических установок в значительной степени зависят от множества факторов. Однако особенно важным является воздействие токовых перегрузок. Для предотвращения подобных ситуаций устанавливают тепловые реле, которые служат защитой для основного рабочего элемента электродвигателя.

В этой статье мы расскажем, как правильно выбрать устройство, способное предугадать возможные аварийные ситуации, связанные с превышением допустимых значений тока. Мы опишем принцип работы, типы и их характеристики, а также предоставим рекомендации по подключению и настройке.

Зачем необходимы защитные устройства?

Даже в случае если электропривод спроектирован правильно и используется в соответствии с основными правилами, всегда существует вероятность возникновения неисправностей.

К аварийным ситуациям относятся различные типы коротких замыканий, тепловые перегрузки, заклинивание ротора, разрушение подшипников и обрывы фаз.

Электродвигатель, работающий при повышенных нагрузках, потребляет большое количество электроэнергии. При частом превышении номинального напряжения оборудование перегревается.

Это, в свою очередь, ускоряет износ изоляции, что может значительно сократить срок службы электромеханических устройств. Для предотвращения таких ситуаций в электрической цепи устанавливаются реле тепловой защиты, задача которых – поддерживать нормальный рабочий режим потребителей.

Они могут отключать двигатель с заданной выдержкой времени, а в некоторых случаях – мгновенно, чтобы избежать повреждений изоляции или элементов оборудования.

Токовое реле безостановочно защищает электродвигатель от обрыва фазы и технологических перегрузок, а также от торможения ротора. Эти факторы часто становятся причиной аварийных состояния.

Для предотвращения падения сопротивления изоляции используются устройства защитного отключения, а для поддержания нужного уровня охлаждения устанавливают специализированные аппараты, которые выполняют функции встроенной тепловой защиты.

Строение и принцип работы теплового реле

Конструкция стандартного электротеплового реле позволяет выделить его как компактный аппарат, который включает чувствительную биметаллическую пластину, нагревательную спираль, систему рычагов и пружин, а также электрические контакты.

Биметаллическая пластина изготавливается из двух разных металлов, чаще всего это комбинация инвара и хромоникелевой стали, которые прочно соединяются сваркой. Один из них обладает более высоким температурным коэффициентом расширения, поэтому они нагреваются с различной скоростью.

При возникновении токовой перегрузки неподвижная часть пластины изгибается к металлу с меньшим коэффициентом теплового расширения, что приводит к активированию системы контактов и отключению электрооборудования в условиях перегрева.

Большинство механических тепловых реле имеют две группы контактов: одна — нормально разомкнутая, другая — замкнутая постоянно. При срабатывании защитного устройства состояние этих контактов изменяется: разомкнутые замыкаются, а замкнутые открываются.

В электронных тепловых реле используются специальные датчики и чувствительные зонды, которые реагируют на увеличение тока. В микропроцессорах этих устройств зашиты параметры, определяющие условия отключения электропитания.

Интегрированный трансформатор отслеживает ток и передает данные электронной плате. Если ток превышает установленный предел, сигнал сразу передается на выключатель.

Таким образом, реле с электронным механизмом размыкает внешний контактор, блокируя нагрузку, а само тепловое реле устанавливается на контактор.

Биметаллическая пластина может нагреваться напрямую за счет воздействия пикового тока или косвенно с помощью отдельного термоэлемента. Вместе эти методы могут быть реализованы в одном устройстве, что обеспечивает лучшие рабочие свойства.

После того как пластина охладится, она возвращается в изначальное положение, и контакты автоматически замыкаются, либо их нужно привести в замкнутое состояние вручную.

Основные характеристики токового реле

Ключевой характеристикой теплового реле является зависимость времени его срабатывания от текущего тока — чем выше ток, тем быстрее происходит срабатывание. Это указывает на определенную инерционность релейного элемента.

Движение заряжающих частиц через электрические устройства, такие как насосы и электрокотлы, приводит к образованию тепла. При номинальном токе его допустимая продолжительность практически не ограничена.

Однако при значениях, превышающих номинал, температура оборудования поднимается, что вызывает преждевременный износ изоляции.

Разрыв цепи мгновенно предотвращает дальнейший рост температуры, тем самым обеспечивая защиту от перегрева двигателя и аварийных ситуаций в электроустановках.

Номинальная нагрузка мотора — это важный фактор, влияющий на выбор прибора. Значение в пределах 1,2-1,3 указывает на успешное срабатывание при токовой перегрузке в 30% в течение 1200 секунд.

Продолжительное воздействие перегрузки может негативно влиять на состояние электрического оборудования. При краткосрочном воздействии 5-10 минут нагревается только обмотка мотора, которая невелика. Длительное нагревание охватывает весь двигатель, что может привести к серьезным поломкам и необходимости замены.

Чтобы минимизировать риск перегрузки, важно использовать реле тепловой защиты, время реакции которого соответствует максимально допустимым перегрузкам конкретного двигателя.

На практике нецелесообразно разрабатывать реле контроля напряжения для каждого типа двигателя. Один реле может использоваться для защиты различных конструкций моторов, но обеспечить надежную защиту на всем рабочем диапазоне невозможно.

Повышение тока не всегда сразу приводит к аварии. Прежде чем ротор и статор достигнут критической температуры, пройдет некоторое время.

Поэтому нет необходимости, чтобы защитное устройство реагировало на каждое даже малозначительное увеличение тока. Реле должно отключать двигатель лишь в тех случаях, когда существует угроза быстрого износа изоляции.

Типы тепловых реле

Существует несколько типов реле, защищающих электрические двигатели от обрывов фаз и токовых перегрузок. Они различаются конструктивными особенностями, используемыми металлами и применением в различных моторах.

ТРП. Это однополюсное реле с комбинированной системой нагрева, которое предназначено для защиты асинхронных трехфазных электродвигателей от токовых перегрузок. Применяется в сетях постоянного тока с номинальным напряжением до 440 В и отличается устойчивостью к вибрациям и ударам.

РТЛ. Эти реле обеспечивают защиту двигателям в определенных ситуациях:

• при утрате одной из трех фаз;
• асимметричной нагрузке и перегрузках;
• затянутом запуске;
• заклинивании механизмов.

Их можно устанавливать с клеммами КРЛ отдельно от магнитных пускателей или монтировать непосредственно на ПМЛ. Установлены на стандартных рейках, имеют класс защиты IP20.

РТТ. Эти реле защищают асинхронные трехфазные машины с короткозамкнутым ротором от затянутого запуска, длительных перегрузок и асимметрии, а также перекоса фаз.

РТТ могут использоваться как составные части в различных схемах управления электроприводами и для интеграции в пускатели типа ПМА.

ТРН. Двухфазные реле, которые контролируют запуск машины и режим работы двигателя. Практически не зависят от температуры окружающей среды и имеют только ручную систему возврата контактов. Их допускается использовать в сетях постоянного тока.

РТИ. Это электрические переключающие аппараты с небольшим, но постоянным потреблением электроэнергии. Монтируются на контакторах серии КМИ и работают в паре с автоматическими выключателями.

Твердотельные токовые реле. Представляют собой небольшие электронные устройства, работающие на три фазы, не имеющие подвижных частей.

Они функционируют по принципу вычисления средних температур двигателя, осуществляя постоянный мониторинг рабочего и пускового тока. Они не реагируют на изменения окружающей среды и могут использоваться в взрывоопасных зонах.

РТК. Это пусковые реле для контроля температур в корпусах электрических устройств. Они применяются в автоматических схемах, где тепловые реле являются составной частью.

Для обеспечения надежной работы электротехнического оборудования релейный элемент должен быть чувствительным, быстрым и селективным.

Следует помнить, что ни один из упомянутых аппаратов не предназначен для защиты цепей от коротких замыканий.

Устройства тепловой защиты предназначены исключительно для предотвращения аварийных режимов, возникающих в ходе неправильной работы механизма или перегрузки.

Электрическое оборудование может выйти из строя даже до того, как реле начнет свою работу. Чтобы обеспечить полный уровень защиты, рекомендуется использовать предохранители или компактные автоматические выключатели модульного формата.

Установка, настройка и маркировка

Устройство для защиты от перегрузки, в отличие от электрического автомата, не обрывает силовую цепь, а лишь сигнализирует о необходимости временного отключения оборудования в аварийной ситуации. Сильный контакт при этом выполняет функцию кнопки «стоп» контактора и подключается последовательно.

Схема подключения устройств

При проектировании реле не обязательно дублировать все функции силовых контактов при их успешном срабатывании, поскольку оно подключается прямо к магнитному пускателю. Это упрощает конструкцию и позволяет сэкономить ресурсы на силовых контактах. Подключение маленького тока в управляющей цепи гораздо проще, чем отключение трех фаз с большим током.

В ряде схем подключения теплового реле применяют постоянно замкнутый контакт, который соединяется последовательно с кнопкой «стоп» на пульте управления. Такой контакт обозначается как НЗ (нормально замкнутый) или NC (normal connected).

Разомкнутый контакт в данной схеме может использоваться для активации тепловой защиты. Схемы подсоединения электродвигателей, в которых имеется реле тепловой защиты, могут значительно варьироваться в зависимости от дополнительных устройств или характеристик.

В стандартных упрощенных схемах ТР подключается к выходу низковольтного пускателя электродвигателя. Дополнительные контакты обязательно соединяются последовательно с катушкой пускателя.

Это обеспечивает надежную защиту от перегрузок в электрических системах. Если ток превысит допустимые пределы, реле разомкнет цепь, сразу отключая магнитный пускатель и двигатель от источника питания.

Установку и подключение теплового реле обычно выполняют одновременно с магнитным пускателем, который предназначен для включения и управления электрическим приводом. Однако существуют модели, которые устанавливаются на DIN-рейку или специальную панель.

Регулировка релейных элементов

Одним из ключевых требований для защиты электродвигателей является надежность работы устройств в условиях неполадок. Важно точно выбрать и настроить аппарат, так как ложные срабатывания недопустимы.

Электротепловое реле, как правило, подходит к определенному типу двигателя по всем техническим характеристикам и может хорошо защищать от перегрузок по каждой фазе, предотвращая длительный запуск и проблемы с заклиниванием ротора.

Среди основных преимуществ токовых защищающих элементов также выделяются высокая скорость срабатывания и удобство монтажа. Для timely отключения электродвигателя при перегрузке реле тепловой защиты следует настраивать на специальной платформе/стенде.

Это позволяет избежать погрешностей из-за естественного разброса номинальных токов в НЭ. Для тестирования защитного устройства на стенде используется метод фиктивных нагрузок.

Через термоэлемент проходит электрический ток пониженного напряжения, имитируя реальную тепловую нагрузку. После этого с помощью таймера точно определяют время срабатывания.

При настройке базовых параметров следует ориентироваться на следующие показатели:

• при 1,5-кратном токе устройство должно отключаться через 150 секунд;
• при 5…6-кратном токе отключение должно происходить в течение 10 секунд.

Если время срабатывания не соответствует установленным нормам, необходимо отрегулировать релейный элемент с помощью контрольного винта.

Для правильной работы нужно настроить аппарат на максимальный допустимый ток двигателя и температуру окружающей среды.

Это требуется когда значения номинального тока НЭ и мотора отличаются, а температура окружающей среды ниже номинала (+40 °C) более чем на 10 градусов по Цельсию.

При повышении температуры ток срабатывания электротеплового реле уменьшается, так как нагрев биметаллической полосы зависит от этого фактора. При значительных отклонениях необходимо дополнительно отрегулировать ТР или выбрать более подходящий термоэлемент.

Резкие изменения температур существенно влияют на работу токового реле. Поэтому важно выбирать НЭ, который эффективно выполняет свои функции с учетом актуальных значений.

Рекомендуется устанавливать ТР в том же помещении, где находится защищаемая электросистема. Их нельзя размещать рядом с теплогенераторами, печами и другими источниками тепла.

На реле с температурной компенсацией эти ограничения не распространяются. Токовая уставка защитного устройства может регулироваться в диапазоне 0,75-1,25х от значений номинального тока термоэлемента. Настройка осуществляется поэтапно.

Сначала вычисляют поправку E₁ без температурной компенсации:

• I_ном – номинальный ток нагрузки двигателя,
• I_нэ – номинальный ток рабочего нагревающего элемента в реле,
• c – цена деления шкалы, то есть эксцентрика (c=0,055 для защищенных пускателей, c=0,05 для открытых).

На следующем этапе определяют поправку E₂ в зависимости от температуры окружающей среды:

Где t_a (ambient temperature) – температура окружающей среды в градусах Цельсия.

Заключительный шаг – вычисление суммарной поправки:

Суммарная поправка E может быть с положительным или отрицательным знаком. Если результат оказывается дробным, его нужно округлить до целого числа в меньшую или большую сторону в зависимости от характера токовой нагрузки.

Для настройки реле эксцентрик устанавливается на значение, соответствующее суммарной поправке. Высокий порог температуры срабатывания уменьшает зависимость работы защитного устройства от внешних условий.

Реле тепловой защиты позволяет вручную плавно регулировать величину тока срабатывания в пределах ±25% от номинальной величины тока электромеханической установки.

Настройка этих параметров осуществляется с помощью специального рычага, перемещение которого меняет первоначальный изгиб биметаллической пластины. Широкий диапазон настройки тока срабатывания достигается заменой термоэлементов.

В современных защитных устройствах для предотвращения перегрузки предусмотрена тестовая кнопка, позволяющая проверять работоспособность прибора без специального стенда. Также имеется кнопка сброса всех настроек. Обнуление может производиться автоматически или вручную. Кроме того, изделие дополнительно оснащается индикатором состояния электрприборов.

Маркировка электротепловых реле

Выбор защитных устройств осуществляется в зависимости от мощности электрического двигателя. Основные характеристики часто скрыты в условном обозначении.

Так выглядит маркировка тепловых реле от завода КЭАЗ. При выборе важно обратить внимание на значение номинального тока конкретной модели, чтобы оно соответствовало требованиям.

Следует уделить внимание следующим аспекты:

1. Диапазоны токовых уставок (указаны в скобках) отличаются у различных производителей минимально.
2. Буквы в обозначениях конкретного исполнении могут варьироваться.
3. Климатическое исполнение часто представлено в виде диапазона. Например, УХЛ3О4 лучше читать как УХЛ3-О4.

На сегодняшний день можно приобрести разнообразные виды устройств: реле для переменного и постоянного тока, моностабильные и бистабильные, аппараты с задержкой при включении/выключении, реле тепловой защиты с ускоряющими элементами, а также ТР без удерживающей обмотки, с одной или несколькими обмотками.

Эти параметры не всегда могут быть выведены в маркировке устройств, но обязательно должны присутствовать в технической документации электротехнического оборудования.

С разновидностями и маркировкой электромагнитных реле можно ознакомиться в следующей статье, которая также будет полезной для изучения.

Заключение и видео по теме

Обзор устройства и принципа работы токового реле для качественной защиты электродвигателя на примере модели РТТ 32П:

Правильная защита от перегрузок и обрывов фаз обеспечивает длительную и надежную работу электрического мотора. В видео демонстрируется, как релейный элемент реагирует на нештатные ситуации в работе механизма:

Как подключить устройство тепловой защиты к МП, а также принципиальные схемы электротеплового реле:

Реле тепловой защиты от перегрузок представляет собой важный элемент любой системы управления электроприводом. Оно реагирует на ток, проходящий через двигатель, и активируется, когда температура электромеханической установки достигает предельных значений, что позволяет продлить срок службы безопасных для окружающей среды электродвигателей.

Пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже. Поделитесь своим опытом выбора и настройки теплового реле для собственного электродвигателя. Обменяйтесь полезной информацией, задавайте вопросы и прикрепляйте фото по теме статьи.