Принцип работы теплового реле

В общем понимании реле — это устройство, предназначенное для коммутации (соединения/разъединения) участков электрической цепи. Размыкание/замыкание должно происходить очень быстро (скачкообразно). Причиной срабатывания могут быть различные физические факторы: механические, тепловые, электромагнитные, акустические, оптические. Тепловое реле (англ. thermal relay) предохраняет полезную нагрузку, реагируя на изменение температуры, вызванное превышением контрольного значения рабочего тока, способствующего перегреву и последующему выходу из строя аппаратуры.

• Назначение и принцип работы
• Виды тепловых реле
• Сфера применения
• Схема подключения
• Выбор для конкретного двигателя
• Методы регулировки термореле
• Поверка
• Заключение

Назначение и принцип работы

Назначение

Основная функция теплового реле (термореле) — предотвращение аварийных ситуаций, спровоцированных токовыми перегрузками в сети, которые могут возникать по разным причинам. Возрастание тока до значений, превышающих номинальные величины, всегда приводит к нежелательному перегреву проводов и электрических компонентов с последующим разрушением изоляции, заклиниванию подвижных частей электродвигателей.

Правильно выбранное термореле предохраняет аппаратуру от нежелательного перегрева, расцепляя аварийный участок цепи. В результате полезная нагрузка (прибор, электродвигатель) защищается от перегрузок по току.

Принцип работы

Ключевым элементом термореле является элемент конструкции, изменение физических свойств которого (геометрических размеров или проводимости) при превышении допустимой температуры приводит к разрыву электрической цепи. Один из самых распространённых вариантов — биметаллическая пластина, представляющая собой деталь, состоящую из двух разных металлов, плотно соединённых друг с другом с помощью проката или сварки.

Рабочую пару должны составлять металлы, обладающие существенно разными коэффициентами температурного расширения (КТР). За счёт этой разницы при нагревании происходит деформация — изгибание такого «сэндвича» в сторону металла с меньшим КТР (см. Рис.1).

Рис.1 Принцип действия биметаллической пластины

Полоса металла синего цвета имеет КТР меньше, чем у металла красного цвета На Рис.1 приведен пример для пары медь-железо. В массово тиражируемых тепловых реле чаще всего используется металлическая пара, состоящая из инвара и хромоникелевой стали. Напомним, что инвар — это сплав железа и никеля, имеющий уникально низкий КТР. Применяются также комбинации: латунь-инвар, никель-сталь.

Нагрев биметаллической пластины, являющейся частью электрической цепи, происходит по закону Джоуля-Ленца за счёт тока, который через неё протекает. Один конец пластины жестко зафиксирован, а второй имеет электромеханический контакт за счёт пружинных свойств. При достижении определённой температуры изгиб (геометрическая деформация) приводит к расцеплению контакта — размыканию электрической цепи.

Нагрев биметаллической пластины обычно производится с помощью протекающего через неё тока нагрузки. В некоторых моделях для разогрева применяется дополнительный нагревательный элемент, через который тоже идёт нагрузочный ток. Оптимальным считается использование комбинированного нагрева: и рабочим током через пластину, и потоком тепла от нагревательного элемента. Изгиб пластины происходит не мгновенно, что может приводить к образованию электрической дуги. Поэтому конструкцию реле дополняют ускорителями размыкания, например, «прыгающим контактом» (см. Рис.2).

Рис.2 Принципиальная схема работы термореле

Возвращение реле в исходное состояние производится с помощью специальной кнопки либо автоматически после остывания биметаллической пластины до нормальной температуры.

Виды тепловых реле

Современный рынок электротехники предлагает большой выбор устройств тепловой защиты силовых электроагрегатов. Каждое устройств применимо для конкретного вида электрического оборудования. Основные виды тепловых реле:

• РТТ — применяются для обеспечения эффективной защиты трёхфазных асинхронных двигателей (380 В) с короткозамкнутым ротором от длительных токовых перегрузок, например, при пропадании одной из фаз. РТТ входят в качестве комплектующих в схемы управления электроприводов и магнитные пускатели ПМА и ПМЕ.
• РТЛ — используются для предохранения электродвигателей от продолжительных перегрузок или от возникшей асимметрии по току из-за дисбаланса питающих фаз. Кроме этого, РТЛ защищают от проблемы заклинивания ротора и временных задержек при пуске двигателя. Могут применяться как отдельно при наличии клеммника КРЛ, так и в комплекте с магнитными пускателями ПМЛ.
• РТИ — трёхфазный вариант термореле. Предохраняет двигатели от теплового разрушения обмоток, от затянутого пускового времени, от перекоса питающих фаз и от механических поломок вращающегося ротора. Монтируется на магнитных контакторах КМИ или КМТ.
• ТРН — двухфазные термореле, обеспечивающее контроль времени пуска и величины тока. После аварийного срабатывания возвращение контактов в начальное состояние возможно только вручную. Работа этого типа реле не зависит от температуры окружающей среды, что востребовано для условий жаркого климата и в горячих цехах. Применяются вместе с магнитными пускателями для защиты асинхронных электрических двигателей перегрева.
• РТК — тепловое реле, контролирующее температуру корпуса электроустановки. В случае выхода температуры за допустимые пределы происходит отключение электроустановки от напряжения питания.
• РТЭ — термореле, представляющее собой плавкий предохранитель, изготовленный из сплава с пониженной температурой плавления. При достижении критической температуры предохранитель плавится, происходит разрыв цепи и отключение полезной нагрузки. Монтаж РТЭ производится в корпус силовой установки.
• Твердотельное термореле — в конструкции этого устройства отсутствуют подвижные детали. Работа реле не зависит от температуры окружающей среды и прочих параметров воздушной атмосферы, что востребовано на взрывоопасных объектах.

Сфера применения

Чаще всего тепловые реле используются для защиты электродвигателей от перегрузок, когда величина рабочего тока выходит за пределы нормативных значений. Превышение этого технического параметра в течение длительного времени приводит к перегреву обмоток двигателя, растрескиванию изоляционных слоёв и окончательной поломке двигателя (см. Фото 1). Термореле применяются и в других областях промышленного производства, электроснабжении жилых и производственных помещений.

Необходимо иметь ввиду, что термореле защищает электрооборудование, работающее в режиме перегрузки продолжительное время. Этот тип защиты не реагирует на кратковременные броски тока, короткие замыкания (КЗ). Для защиты от КЗ требуется включение в схему защиты предохранителей или автоматических выключателей.

Фото 1. Обмотки «сгоревшего» электродвигателя

Схема подключения

При подключении термореле следует руководствоваться следующими правилами:

• Реле должно находиться в цепи после контакторов (магнитных пускателей), но перед полезной нагрузкой (электродвигателем, аппаратурой).
• В случае двигателя производится последовательное соединение обмотки двигателя или катушки магнитного пускателя к нормально разомкнутому контакту.
• В большинстве схем постоянно разомкнутый контакт работает при последовательном соединении с кнопкой «Стоп» («Stop»), размещённой на пульте управления. Этот контакт обозначается буквами Н3 (нормально замкнут) или NC (normal connected). Принципиальная схема подключения показана на Рис.3.

Рис.3 Принципиальная схема подключения термореле

Выбор для конкретного двигателя

При выборе подходящей марки реле следует учитывать следующие моменты:

• Величина номинального тока термореле I_НТР должна соответствовать номинальной нагрузке двигателя I_НД. Ток через реле должен быть на 20%-30% больше тока нагрузки, то есть I_НТР = 1,3 * I_НД.
• При такой перегрузке термореле срабатывает через 20-30 минут.
• Номинальное напряжение должно соответствовать указанному в паспорте прибора.
• Желательно наличие дополнительных контактов, предназначенных для управления.
• Наличие дополнительных датчиков и светодиодов, обозначающих состояния «включено»/«отключено», улучшает качество контроля.
• Возможность реагирования на перекос фаз.
• Наличие у термореле механизма возврата в исходное состояние: ручное или автоматическое.
• Обязательным условием является установка реле в одном помещении с защищаемым объектом.
• Условия эксплуатации должны соответствовать требованиям ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия», в котором указаны величины влажности, температуры и другие параметры воздействия внешней среды. Например, с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания реле будет снижаться. Если с помощью принудительной вентиляции снизить температуру не удаётся, необходимо использовать возможности настроек, заложенных в реле производителем.
• Там, где невозможно избежать высоких температур эксплуатации (районы с жарким климатом и горячие цеха), лучше всего подойдут реле, имеющие механизм компенсации температуры воздушной среды.

Методы регулировки термореле

С помощью регулировки удаётся избавиться от разброса номинальных токов в нагревательных элементах. Регулировка реле производится на специально оборудованных стендах с использованием измерительных приборов в следующей последовательности:

• На термоэлемент (биметаллическую пластину) подаётся напряжение, чтобы сымитировать тепловую нагрузку.
• С помощью таймера фиксируется время срабатывания.

В результате регулировки необходимо добиться следующих параметров:

• при токе в 1,5 раза превышающем номинальный реле должно отключить нагрузку (электродвигатель) через 150 с;
• при превышении тока в 5-6 раз реле должно сработать через 10 с;
• если время срабатывания не соответствует нормативу, необходимо произвести настройку с помощью контрольного винта, установленного на корпусе реле (см. Фото 2).

Фото 2. Пример регулировки термореле

Токовую уставку теплового реле можно варьировать в диапазоне 0,75-1,25-х от значений номинального тока, протекающего через термоэлемент. Для настройки требуется вычислить две поправки – Е₁ (без температурной компенсации) и Е₂ (поправка на температуру окружающего воздуха). В результате получают суммарную поправку Е = Е₁ + Е₂. Полученная величина используется для точной настройки реле.

Поверка

Перед установкой термореле необходимо убедиться в его работоспособности. На примере реле ТРН последовательность этапов поверки может быть следующей:

1. Визуально осмотреть состояния корпуса. При обнаружении сколов и трещин произвести отбраковку потенциально опасного реле.

2. Произвести разборку реле, проверить целостность рабочих контактов, убедиться в отсутствии на них нагара.

3. Убедиться в том, что нагревательные элементы не погнуты.

4. Измерить зазор между нагревательными элементами и биметаллической пластиной. Используя крепёжные винты, выставить одинаковый зазор по всей длине.

5. Проверить работоспособность при подключении нагрузки с номинальным током.

6. Через первый нагреватель подать ток, в 1,5 раза превышающий номинальный. По истечении 145 секунд постепенно проворачивается регулировочный эксцентрик в положение «-5», и реле должно сработать.

7. После охлаждения до начальной температуры таким же образом производится поверка второго нагревательного элемента.

Заключение

Тепловые реле выполняют важную функцию в системах защиты силовой электроаппаратуры. Данные устройства предохраняют электрооборудование от перегрузок, при этом кратковременные скачки тока не будут приводить к ложным срабатываниям в отличие от автоматических выключателей. Термореле можно использовать в паре с магнитным пускателем либо в качестве самодостаточного защитного устройства, размещённого в электрошкафу или на DIN-рейке.