Как работает и для чего предназначено тепловое реле?

В виду высокой стоимости электродвигателей вопрос их защиты от повреждения при нарушении нормального режима работы стоит достаточно остро. Среди наиболее популярных нарушений перегрузка, обрыв одной из фаз, снижение рабочего напряжения. И все они характеризуются большими рабочими  токами, протекающими в обмотках электрической машины, что приводит к перегреву, ухудшению диэлектрических свойств изоляции и перегоранию жил, если ситуацию пустить на самотек. Для защиты электрических двигателей от перегревания в схему питания электропривода вводят тепловое реле.

Конструкция

Современный рынок электрооборудования предлагает огромный выбор тепловых реле различного принципа действия, как следствие, будет отличаться и их конструктивное исполнение. Однако, в соответствии с  п.3.2. ГОСТ 16308-84 все технические параметры конкретной модели должны соответствовать данному типу по габаритам, исполнению и принципиальной схеме этого типа. Наиболее распространенным вариантом за счет простоты исполнения и относительной дешевизны является электротепловое реле на биметаллической пластине. Конструкция которого приведена на рисунке 1.

Как видите, в состав механизма входят:

• нагревательный элемент – токоведущая часть, пропускающая через себя рабочий ток электрической машины;
• биметаллическая пластина – выступает в роли действующего индикатора, реагирующего на превышение температуры;
• толкатель – выполняет функции жесткого рычага, передающего усилие от биметаллической пластины;
• температурный компенсатор – позволяет внести поправку на температуру окружающей среды для стабилизации величины тока срабатывания;
• защелка – предназначена для фиксации положения температурного реле;
• штанга расцепителя – подвижная часть механизма, предназначенного для перемещения контактов;
• контакты реле – передают питание в блок управления;
• пружина – создает усилие для перемещения реле в устойчивое положение.

На практике существуют и другие типы реле, конструкция которых будет принципиально отличаться. Данный вариант приведен в качестве примера для наглядности протекания процессов и пояснения принципа работы.

Принцип работы

В основу работы положен принцип разности температурного расширения различных металлов, описанных законом Джоуля-Ленца. При нагревании биметаллической пластины, состоящей из двух металлов с различным коэффициентом теплового расширения, произойдет ее геометрическая деформация. Именно такая пластина и устанавливается в термореле, она реагирует на превышение температуры более установленного предела.

Для рассмотрения принципа работы температурного реле воспользуемся трехмерной моделью реального устройства, приведенной на рисунке 2 ниже:

Как видите, подключенное в цепь электродвигателя тепловое реле пропускает основную нагрузку электрической машины через токоведущие шины. Если смоделировать ситуацию перегрузки, когда через них потечет ток в несколько раз превышающий номинальный, то шины начнут нагреваться и избыток тепла перейдет на биметаллическую пластину, подключенную к каждой из фаз электродвигателя. При достижении температуры уставки биметаллическая пластина изогнется и приведет в движение один из толкателей. Толкатель, в свою очередь, сместит рычаг защелки на несколько миллиметров, что отпустит пружинный механизм и даст ход штанге расцепителя.

После этого контакты теплового реле отключат питание цепи управления и перекроют контакты цепи сигнализации, которая оповестит об отключении защитного приспособления. После устранения причины перегрева реле возвращается в рабочее положение посредством нажатия механической кнопки. Следует отметить, что сразу после отключения теплового реле включить его не получиться, так как биметаллическая пластина еще не остыла и возможны ложные срабатывания. Поэтому процесс требует определенной выдержки времени, после которой электродвигатель можно запускать в работу.

Обозначение на схеме

При чтении схем важно ориентироваться в обозначении всех устройств, изображенных на них. Это позволяет обеспечивать точное подключение с соблюдением основных параметров работы электроустановки, селективности срабатывания защит и поддерживать нормальный режим электроснабжения. Изображение теплового реле на схемах определяется положениями двух нормативных документов. В соответствии с таблицей 3 ГОСТ 2.755-87 контакты данного вида оборудования изображаются следующим образом (рисунок 3):

В тоже время, само температурное реле имеет обозначение в соответствии с п.21 таблицы 1 ГОСТ 2.756-76, которое отображается на схеме следующим образом (см. рисунок 4):

Знание схематических изображений электротеплового реле позволит вам ориентироваться в принципиальных схемах уже действующих агрегатов. Или самостоятельно составлять и подключать оборудование через защитное приспособление.

Виды

Современное разнообразие тепловых реле охватывает довольно широкий ассортимент. Поэтому деление на виды производиться в соответствии с установленными критериями на основании п. 1.1. ГОСТ 16308-84. Так, по роду тока рабочей цепи все устройства подразделяются на две большие группы: реле переменного и постоянного тока. В зависимости от количества рабочих полюсов встречаются:

• однополюсные – применяются для двигателей постоянного тока и других однофазных моделей;
• двухполюсные – устанавливаются в трехфазную цепь, где контроль может осуществляться только по двум фазам;
• трехполюсные – актуальны для мощных асинхронных агрегатов с короткозамкнутым ротором.

В зависимости от типа контактов вторичных цепей все тепловые приборы подразделяются на модели:

• только с замыкающим контактом;
• только с размыкающим контактом;
• и с замыкающим, и с размыкающим контактом;
• с переключающими;

В зависимости от способа возврата теплового реле в исходное положение существуют варианты с включением вручную или с самостоятельным возвратом. Также в моделях может реализовываться функция перевода с одного вида работы на другой.

Также существует разделение по наличию или отсутствию приспособления для компенсации температуры окружающего пространства. И модели с возможностью регулировки тока несрабатывания или с отсутствием таковой функции.

Назначение

Основным назначением теплового реле является защита электродвигателя от перекоса фаз, перегрева на затяжных пусках, заклинивании вала или подачи чрезмерной нагрузки. Для решения всех этих задач на практике выпускаются различные типы реле, имеющие узкую специализацию по конкретному направлению, рассмотрим далее более детально каждый из них.

• РТЛ используется для защиты трехфазных асинхронных электрических машин от воздействия токов перегрузки, перегрева при обрыве или перекосе фаз, проблем с вращением вала. Может применяться как самостоятельно, так и с установкой на пускатель ПМЛ.
• РТТ предназначено для работы с трехфазными агрегатами с короткозамкнутым ротором, обеспечивает полный охват аварийных режимов, приводящих к перегреванию обмоток. Также может устанавливаться на магнитный пускатель ПМА, ПМЕ или самостоятельно на монтажную панель.
• РТИ – трехфазное тепловое реле с возможностью монтажа на пускатели серии КМТ, КМИ. Отличаются стабильным низким расходом электроэнергии, включаются в работу совместно с предохранителями.
• ТРН – применяется для контроля пуска и режима работы электродвигателя, мало зависит от внешних температурных факторов. Является двухполюсной моделью, которую можно использовать для пуска двигателей постоянного тока.
• Твердотельные — в отличии от предыдущих, не имеет контактных групп и перемещающихся элементов внутри. Применяется в трехфазных цепях, где устанавливаются повышенные требования к пожарной безопасности.
• РТК – контролирует температурные показатели не через рабочие токи, а путем размещения датчика в корпусе мотора. Поэтому весь процесс взаимодействия осуществляется только по величине температуры.
• РТЭ – представляет собой подобие предохранителя, так как отключение происходит за счет плавления проводника. Само тепловое устройство монтируется непосредственно с электродвигателем.

Технические характеристики

Корректная работа релейной защиты обеспечивается за счет соответствия параметров теплового устройства заданным условиям работы электрической машины. Поэтому важно изучить основные рабочие параметры реле еще до его приобретения. К основным техническим данным теплового реле относятся:

• величина номинального  напряжения и частота на которые оно рассчитано;
• время-токовая характеристика – определяет  время срабатывания при установленной кратности превышения;
• время возврата теплового элемента в исходное положение;
• диапазон изменения тока уставки;
• тепловая устойчивость к превышению рабочей величины;
• климатическое исполнение и степень пыле- влагозащищенности.

Схемы подключения

Подключение вышеперечисленных моделей тепловых реле может производиться по нескольким схемам, отличающихся в зависимости от конкретного типа оборудования. Рассмотрим наиболее актуальные из них.

Как видите на рисунке 5, трехфазное реле RT1 подключается последовательно к двигателю M. Питание к ним подается через контактор KM. В нормальном режиме работы контакты RT1 нормально замкнуты и через катушку КМ протекает ток. Как только возникнет аварийный режим, тепловая защита разомкнет контакты и катушка контактора обесточится, питание двигателя прекратиться.

Аналогичным образом происходит включение двухполюсного реле, с той разницей, что контакты защитного устройства включаются последовательно только в две фазы из трех, как показано на рисунке ниже:

Помимо этого существует схема включения теплового реле для мощных электродвигателей, рабочий ток которых в разы превышает допустимый предел для защитного приспособления. В таких ситуациях используется трансформаторное преобразование, а схема включения выглядит следующим образом:

Критерии выбора

Основным критерием при выборе конкретной модели является соответствие номинальной нагрузки допустимому интервалу самого теплового реле. Для нормальной работы электрической машины вам понадобиться срабатывание при 20 – 30% перегрузке не более, чем в 5 минутный интервал. Величина тока вычисляется по формуле:

I_сраб = 1,2*I_ном

Это означает, что допустимый предел регулирования должен включать в себя полученную величину тока срабатывания. Затем, проверьте на время-токовой характеристике (см. рисунок 8), за какой промежуток времени будет срабатывать защита при такой кратности:

В данном случае время будет равно 4 минутам при 20% теплового превышения, что вполне удовлетворяет критериям поставленной задачи.

Использованная литература

• Родштейн Л.П. «Электрические аппараты» 1989
• Гуревич В.И. «Электрические реле. Устройство, принцип действия и применения. Настольная книга инженера» 2011
• Фигурнов Е. П. «Релейная защита» 2004
• Басс Э.И., Дорогунцев В.Г. «Релейная защита электроэнергетических систем» 2002
• Кацман М.М. «Электрические машины»  2013
• Агейкин Д.И. Костина Е.Н. Кузнецова Н.Н. «Датчики систем автоматического контроля и регулирования» 1959