Тепловое реле: устройство, принцип работы, типы, схема подключения и настройка

Надежность и продолжительность службы любой установки, укомплектованной электрическим двигателем, зависят от множества факторов. Существенно на этот срок влияют перегрузки по току. Чтобы избежать подобных ситуаций, устанавливается тепловое реле, которое защищает ключевые компоненты электромашины.

В этой статье мы расскажем о том, как выбрать устройство, способное предсказать риск возникновения аварийных ситуаций в случае превышения допустимых значений тока. Также подробно объясним принцип работы, рассмотрим разновидности тепловых реле и их особенности. Вы найдете рекомендации по подключению и корректной настройке оборудования.

Назначение защитных устройств

Даже если электропривод спроектирован с учетом всех требований и используется с соблюдением основных правил, существует вероятность появления неисправностей.

К аварийным режимам можно отнести однофазные и многофазные короткие замыкания, перегрев оборудования, блокировку ротора и повреждение подшипников, а также обрывы фаз.

При работе в условиях повышенных нагрузок электрический двигатель потребляет большое количество электроэнергии, что при частом превышении номинальных значений приводит к сильному нагреву оборудования.

Это может привести к быстрой деградации изоляционных материалов, что сокращает срок службы электромеханических установок. Для предотвращения таких ситуаций в электрической цепи устанавливаются реле тепловой защиты, которые обеспечивают нормальные условия эксплуатации оборудования.

Они отключают двигатель через определенное время, а в некоторых случаях – мгновенно, чтобы защитить изоляцию и предотвратить повреждение отдельных компонентов установки.

Токовые реле могут защитить электрический двигатель от обрывов фазы и технологических перегрузок, а также остановить ротор. Это наиболее распространенные причины, вызывающие аварийные режимы.

Для предотвращения снижения изоляционного сопротивления используются устройства защитного отключения, а для борьбы с нарушением охлаждения – специальные аппараты, обладающие встроенной тепловой защитой.

Структура и принцип действия теплового реле

Стандартное электротепловое реле представляет собой компактный прибор, состоящий из чувствительной биметаллической пластины, нагревательной катушки, пружинно-рычажного механизма и электрических контактов.

Биметаллическая пластина изготовлена из двух различных металлов, как правило, инвара и хромоникелевой стали, которые прочно соединены сварным способом. Один из металлов обладает более высоким коэффициентом температурного расширения, что приводит к разной скорости нагрева.

При токовых перегрузках незафиксированная часть пластины изгибается в сторону металла с меньшим тепловым коэффициентом, что создает механическое воздействие на систему контактов защитного устройства и срабатывает отключение при перегреве.

Почти все механические тепловые реле имеют две группы контактов: одни из них нормально разомкнутые, а другие – постоянно замкнутые. Когда срабатывает защитное устройство, состояние контактов меняется: одни замыкаются, а другие размыкаются.

В электронных тепловых реле используются специализированные датчики и чувствительные элементы, которые реагируют на изменения тока. В микропроцессорах таких устройств запрограммированы параметры, по которым определяется необходимость отключения питания.

Ток определяется интегрированным трансформатором, после чего данные обрабатываются электроникой. Если текущий ток превышает установленный предел, мгновенно подается сигнал на отключение.

Размыкая внешний контактор, реле с электронным механизмом отключает нагрузку. Тепловое реле устанавливается на контактор.

Биметаллическая пластина может нагреваться как непосредственно за счет воздействия пиковой нагрузки тока, так и косвенно через отдельный термодатчик. Часто эти методы комбинируются в одном устройстве для повышения его рабочих характеристик.

После остывания пластина возвращается в исходное положение, и контакты автоматически замыкаются или требуется принудительное приведение их в замкнутое состояние.

Основные параметры теплового реле

Ключевой характеристикой коммутатора тепловой защиты является зависимость времени срабатывания от уровня тока – чем выше ток, тем быстрее устройство срабатывает. Это говорит о определенной инерционности релейного механизма.

Движение носителей заряда в любом приборе, например, в циркуляционном насосе или электрическом котле, приводит к выделению тепла. При номинальном токе его допустимая продолжительность практически бесконечна.

Однако при превышении номинальных показателей температура в оборудовании возрастает и это может вызвать преждевременный износ изоляции.

Отключение цепи мгновенно останавливает дальнейшее повышение температуры, что позволяет избежать перегрева двигателя и предотвратить его аварийное отключение.

Номинальная нагрузка мотора – это важный показатель, определяющий выбор устройства. Значение в диапазоне 1,2-1,3 означает успешное срабатывание при перегрузке на 30% в течение 1200 секунд.

Продолжительность перегрузки может негативно повлиять на состояние оборудования – краткосрочное воздействие в 5-10 минут приведет к нагреву лишь обмотки, тогда как длительная перегрузка может повредить весь двигатель и потребовать его замену.

Для оптимальной защиты от перегруза следует применить тепловое реле, срабатывающее в соответствии с максимально допустимыми показателями конкретного электродвигателя.

На практике собирать реле для контроля напряжения под каждый тип мотора нецелесообразно. Один релейный элемент может быть использован для защиты различных двигателей. Тем не менее, гарантировать надежную защиту при всех рабочих условиях невозможно.

Повышение тока не всегда приводит к немедленному возникновению аварийной ситуации. Прежде чем ротор и статор нагреются до критической температуры, потребуется определенное время.

Следовательно, нет необходимости, чтобы устройство реагировало на каждое, даже незначительное повышение тока. Реле должно отключать двигатель только в тех случаях, когда существует реальная угроза быстрого повреждения изоляционного слоя.

Типы тепловых реле

Существует несколько типов реле, предназначенных для защиты электрических двигателей от обрывов фаз и токовых перегрузок. Все они имеют свои конструктивные особенности и могут применяться с различными моторами.

ТРП. Однополюсное реле с комбинированной системой нагрева, предназначенное для защиты асинхронных трехфазных электромоторов от перегрузок. Применяется в сетях постоянного тока с напряжением не более 440 В, отличается устойчивостью к вибрациям и ударам.

РТЛ. Эти устройства обеспечивают защиту двигателей в следующих случаях:

• при обрыве одной из трех фаз;
• при асимметрии токов и перегрузках;
• при затянутом пуске;
• при блокировке исполнительного механизма.

Их можно использовать с клеммами КРЛ отдельно от магнитных пускателей или монтировать прямо на ПМЛ. Устанавливаются на стандартные рейки, класс защиты – IP20.

РТТ. Эти устройства защищают асинхронные трехфазные машины с короткозамкнутым ротором от затянутых запусков, длительных перегрузок и асимметрии токов.

РТТ могут быть интегрированы в схемы управления электроприводами и используются совместно с пускателями серии ПМА.

ТРН. Двухфазные устройства, контролирующие пуск электроустановки и режим работы двигателя. Практически не зависят от температуры окружающей среды и имеют систему ручного возврата контактов. Могут использоваться в сетях постоянного тока.

РТИ. Эти переключающие аппараты имеют малое постоянное потребление электроэнергии и устанавливаются на контакторах серии КМИ. Работают в сочетании с предохранителями и автоматическими выключателями.

Твердотельные токовые реле. Это компактные электронные устройства на три фазы, не имеющие подвижных частей.

Они функционируют, основываясь на вычислении средних значений температуры двигателя, выполняя постоянный мониторинг рабочего и пускового токов. Эти устройства не чувствительны к изменениям окружающей среды и используются в потенциально взрывоопасных зонах.

РТК. Пусковые коммутаторы, контролирующие температуру в корпусе электрического оборудования. Используются в системах автоматизации, где тепловые реле служат в качестве комплектующих.

Для обеспечения надежной работы оборудования релейный элемент должен отличаться высокой чувствительностью, быстродействием и селективностью.

При этом необходимо помнить, что ни одно из описанных устройств не предназначено для защиты цепей от короткого замыкания. Тепловые защитные устройства служат только для предотвращения аварийных режимов, возникающих в результате ненормальной работы механизмов или перегрузок.

Электрические устройства могут выйти из строя даже до того, как реле сработает. Для комплексного обеспечения защиты их стоит дополнить предохранителями или компактными автоматическими выключателями модульного типа.

Подключение, настройка и маркировка

Коммутационное устройство для защиты от перегрузок не отключает силовую цепь сразу, а лишь сигнализирует о необходимости временного отключения при возникновении аварийной ситуации. Нормально замкнутый контакт выполняет функцию кнопки «стоп» в контакторах и подключается последовательным образом.

Схема подключения устройств

При проектировании реле не нужно повторять все функции силовых контактов, так как оно напрямую соединяется с минимальным потреблением мощности. Это значительно сокращает расход материалов для силовых элементов. Настроить малый ток в управляющей цепи проще, чем отключать сразу три фазы с высоким током.

Во многих схемах подключения теплового реле к объекту используется нормально замкнутый контакт, который соединяется последовательно с кнопкой «стоп» управления и обозначается как НЗ (нормально замкнутый) или NC (normal connected).

Разомкнутый контакт в этой конфигурации может быть использован для активации тепловой защиты. Схемы подключения электрических моторов с реле тепловой защиты могут существенно варьироваться в зависимости от дополнительных устройств или их особенностей.

В стандартной простой схеме ТР подключаются к выходу низковольтного пускателя электродвигателя. Дополнительные контакты устройства обязательно соединяются последовательно с катушкой пускателя.

Это гарантирует надежную защиту от перегрузок электрических систем. При превышении допустимых значений тока реле автоматически разомкнет цепь, мгновенно отключая двигатель и устройство от электрической сети.

Установка и подключение теплового реле часто выполняются совместно с магнитным пускателем, который отвечает за запуск и управление электрическим приводом. Однако существуют виды реле, которые можно устанавливать на DIN-рейке или специализированной панели.

Особенности настройки релейных элементов

Одним из ключевых требований к устройствам защиты электродвигателей является их четкая работа в случае возникновения аварийных режимов. Важно правильно выбрать и провести настройку, так как ложные срабатывания недопустимы.

Электротепловое реле, идеально подходящее к конкретному типу электродвигателя по необходимым техническим характеристикам, обеспечивает надежную защиту от перегрузок по каждой фазе и помогает избежать длительного запуска установки или ситуации с заклиниванием ротора.

К числу преимуществ применения токовых защитных элементов можно отнести их высокую скорость реакции и широкий диапазон срабатывания, а также простоту установки. Для обеспечения своевременного отключения электродвигателя при перегрузке необходимо настраивать реле тепловой защиты на специальной стендовой платформе.

Такой подход исключает возможные ошибки, возникающие из-за естественного разброса номинальных токов. Для тестирования защитного устройства на стенде применяется метод фиктивных нагрузок.

Через термоэлемент пропускается электрический ток низкого напряжения для имитации реальной тепловой нагрузки. Затем по таймеру точно определяют время, необходимое для срабатывания.

Настраивая основные параметры, следует стремиться к следующим показателям:

• при 1,5-кратном токе устройство должно отключать двигатель за 150 секунд;
• при 5…6-кратном токе оно должно отключать мотор за 10 секунд.

Если время срабатывания не соответствует нормам, релейный элемент нужно отрегулировать при помощи контрольного винта.

Для корректного функционирования важно правильно настроить прибор на максимальный допустимый ток двигателя и температуру окружающей среды.

Это нужно, если значения номинального тока электродвигателя и реле отличаются, или когда температура окружающей среды ниже стандартной (+40 °C) более чем на 10 градусов по Цельсию.

С повышением температуры вокруг рассматриваемого устройства ток срабатывания электротеплового коммутатора снижается, так как нагрев биметаллической планки зависит от этой величины. Если имеется значительное расхождение, может потребоваться дополнительная регулировка ТР или более подходящего термоэлемента.

Резкие колебания температурных условий значительно влияют на работу токового реле. Поэтому необходимо выбирать электродвигатели, способные выполнять свои функции эффективно, учитывая реальные значения.

ТР желательно устанавливать в одном помещении с защищаемой электроустановкой. Их не следует монтировать рядом с источниками тепла, такими как теплогенераторы или печи.

Эти ограничения не относятся к реле с температурной компенсацией. Регулировка токовой уставки защитного устройства может производиться в диапазоне 0,75-1,25 от значений номинального тока термоэлемента. Настройка выполняется поэтапно.

Сначала вычисляют поправку E₁ без учета температурной компенсации:

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

Следующий этап – определение поправки E₂ с учетом температуры окружающего воздуха:

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

Финальный шаг – определение совокупной поправки:

Суммарная поправка E может иметь знак «+» или «-». Если результат оказывается дробным, его следует округлить до целого значения в меньшую или большую сторону, в зависимости от поведения токовой нагрузки.

Для настройки реле эксцентрик устанавливают на значение полученной суммарной поправки. Более высокая температура срабатывания уменьшает влияние внешних условий на работу защитного устройства.

Реле тепловой защиты допускает ручную плавную настройку величины токового срабатывания устройства в пределах ±25% от номинального тока электромеханической установки.

Эта корректировка проводится при помощи специального рычага, который меняет первоначальный изгиб биметаллической пластины. Для более выраженной настройки тока срабатывания может потребоваться замена термоэлементов.

Современные устройства защиты от перегрузки оснащены тестовой кнопкой, которая позволяет проверить работоспособность устройства без стенда. Также в них присутствует клавиша для сброса всех настроек, которую можно выполнить автоматически или вручную. Прибор дополнительно комплектуется индикатором текущего состояния электроприбора.

Маркировка электротепловых реле

Выбор защитных устройств зависит от мощности электрического двигателя. Большинство ключевых характеристик отражается в условном обозначении.

Так представлена маркировка тепловых реле от заводов КЭАЗ. При выборе важно учитывать значение номинального тока данной модели, чтобы оно было достаточным.

Следует обратить внимание на несколько моментов:

1. Диапазоны значений токов уставки (указанные в скобках) могут различаться у разных производителей незначительно.
2. Буквенные обозначения конкретного типа исполнения могут отличаться.
3. Климатическое исполнение обычно указывается в диапазоне. Например, УХЛ3О4 следует интерпретировать как УХЛ3-О4.

На текущий момент существует множество вариантов данного устройства: реле для переменного и постоянного тока, моностабильные и бистабильные версии, устройства с замедлением при включении или отключении, реле тепловой защиты с дополнительными ускоряющими элементами, а также реле без удерживающей обмотки, с одной или несколькими обмотками.

Эти параметры не всегда указываются в маркировке, однако должны быть прописаны в техническом паспорте электротехнических изделий.

В следующей статье мы подробно рассмотрим устройство, разновидности и маркировку электромагнитного реле.

Заключение и полезные видеоматериалы по теме

Структура и принцип работы токового реле для эффективной защиты электроустановок на примере устройства РТТ 32П:

Правильная защита от перегрузки и разрывов фаз – основа долгой и бесперебойной работы электрического мотора. Видеоматериал о реагировании релейного элемента на нестандартную работу механизма:

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

Реле тепловой защиты от перегрузок – неотъемлемая составляющая любой системы управления электроприводом. Оно отслеживает ток, протекающий к двигателю, и срабатывает, когда температура электромеханического устройства достигает критических значений. Это способствует значительному увеличению срока службы экологически чистых электродвигателей.

Пожалуйста, оставляйте ваши комментарии в разделе ниже. Расскажите, каким образом вы выбирали и настраивали тепловое реле для своего электромотора. Делитесь полезной информацией, задавайте вопросы, прикрепляйте фотографии по теме статьи.

Видео:

Реле Контроля Фаз. Тест реле. Схема подключения и принцип работы реле контроля фаз ЕЛ — 11М.