Тепловые реле для защиты электродвигателей

Тепловая защита электродвигателя. Электротепловое реле.

17 Дек 2014г | Раздел: Электрика

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В предыдущей статье мы с Вами рассмотрели принципиальные схемы включения магнитного пускателя, обеспечивающие реверс вращения электродвигателя.

Продолжаем знакомиться с магнитным пускателем и сегодня рассмотрим типовые схемы подключения электротеплового реле типа РТИ, которое предназначено для защиты от перегрева обмоток электродвигателя при токовых перегрузках.

1. Устройство и работа электротеплового реле.

Электротепловое реле работает в комплекте с магнитным пускателем. Своими медными штыревыми контактами реле подключается к выходным силовым контактам пускателя. Электродвигатель, соответственно, подключают к выходным контактам электротеплового реле.

Внутри теплового реле находятся три биметаллические пластины, каждая из которых сварена из двух металлов, имеющих различный коэффициент теплового расширения. Пластины через общее «коромысло» взаимодействуют с механизмом подвижной системы, которая связана с дополнительными контактами, участвующими в схеме защиты электродвигателя:

1. Нормально-замкнутый NC (95 – 96) используют в схемах управления пускателем;
2. Нормально-разомкнутый NO (97 – 98) применяют в схемах сигнализации.

Принцип действия теплового реле основан на деформации биметаллической пластины при ее нагреве проходящим током.

Под действием протекающего тока биметаллическая пластина нагревается и прогибается в сторону металла, имеющего меньший коэффициент теплового расширения. Чем больший ток будет протекать через пластину, тем сильнее она будет греться и прогибаться, тем быстрее сработает защита и отключит нагрузку.

Допустим, что электродвигатель подключен через тепловое реле и работает в нормальном режиме. В первый момент времени работы электродвигателя через пластины течет номинальный ток нагрузки и они нагреваются до рабочей температуры, которая не вызывает их изгиб.

По какой-то причине ток нагрузки электродвигателя стал увеличиваться и через пластины потек ток выше номинального. Пластины начнут сильнее греться и прогибаться, что приведет в движение подвижную систему и она, воздействуя на дополнительные контакты реле (95 – 96), обесточит магнитный пускатель. По мере остывания пластины вернутся в исходное положение и контакты реле (95 – 96) замкнутся. Магнитный пускатель опять будет готов к запуску электродвигателя.

В зависимости от величины протекающего тока в реле предусмотрена уставка срабатывания по току, влияющая на силу изгиба пластины и регулирующаяся поворотным регулятором, расположенным на панели управления реле.

Помимо поворотного регулятора на панели управления расположена кнопка «TEST», предназначенная для имитации срабатывания защиты реле и проверки его работоспособности до включения в схему.

«Индикатор» информирует о текущем состоянии реле.

Кнопкой «STOP» обесточивается магнитный пускатель, но как в случае с кнопкой «TEST», контакты (97 – 98) не замыкаются, а остаются в разомкнутом состоянии. И когда Вы будете задействовать эти контакты в схеме сигнализации, то учитывайте этот момент.

Электротепловое реле может работать в ручном или автоматическом режиме (по умолчанию стоит автоматический режим).

Для перевода в ручной режим необходимо повернуть поворотную кнопку «RESET» против часовой стрелки, при этом кнопка слегка приподнимается.

Предположим, что сработало реле и своими контактами обесточило пускатель.
При работе в автоматическом режиме после остывания биметаллических пластин контакты (95 — 96) и (97 — 98) автоматически перейдут в исходное положение, тогда как в ручном режиме перевод контактов в исходное положение осуществляется нажатием кнопки «RESET».

Кроме защиты эл. двигателя от перегрузок по току, реле обеспечивает защиту и в случае обрыва питающей фазы. Например. При обрыве одной из фаз, электродвигатель, работая на оставшихся двух фазах, станет потреблять больше тока, отчего биметаллические пластины нагреются и реле сработает.

Однако электротепловое реле не способно защитить двигатель от токов короткого замыкания и само нуждается в защите от подобных токов. Поэтому при установке тепловых реле необходимо устанавливать в цепь питания электродвигателя автоматические выключатели, защищающие их от токов короткого замыкания.

При выборе реле обращают внимание на номинальный ток нагрузки электродвигателя, который будет защищать реле. В инструкции по эксплуатации, идущей в коробке, есть таблица, по которой выбирается тепловое реле для конкретной нагрузки:

Например.
Реле РТИ-1302 имеет предел регулировки тока уставки от 0,16 до 0,25 Ампер. Значит, нагрузку для реле следует выбирать с номинальным током около 0,2 А или 200 mA.

2. Принципиальные схемы включения электротеплового реле.

В схеме с тепловым реле используют нормально-замкнутый контакт реле КК1.1 в цепи управления пускателем, и три силовых контакта КК1, через которые подается питание на электродвигатель.

При включении автоматического выключателя QF1 фаза «А», питающая цепи управления, через кнопку SB1 «Стоп» поступает на контакт №3 кнопки SB2 «Пуск», вспомогательный контакт 13НО пускателя КМ1, и остается дежурить на этих контактах. Схема готова к работе.

При нажатии на кнопку SB2 фаза через нормально-замкнутый контакт КК1.1 поступает на катушку магнитного пускателя КМ1, пускатель срабатывает и его все нормально-разомкнутые контакты замыкаются, а нормально-замкнутые размыкаются.

При замыкании контакта КМ1.1 пускатель встает на самоподхват. При замыкании силовых контактов КМ1 фазы «А», «В», «С» через контакты теплового реле КК1 поступают на обмотки электродвигателя и двигатель начинает вращение.

При увеличении тока нагрузки через силовые контакты термореле КК1, реле сработает, контакт КК1.1 разомкнется и пускатель КМ1 обесточится.

Если возникнет необходимость в простой остановке двигателя, то достаточно будет нажать на кнопку «Стоп». Контакты кнопки разорвутся, фаза прервется и пускатель обесточится.

На фотографиях ниже показана часть монтажной схемы цепей управления:

Следующая принципиальная схема аналогична первой и отличается лишь тем, что нормально-замкнутый контакт термореле (95 – 96) разрывает ноль пускателя. Именно эта схема получила наибольшее распространение из-за удобства и экономичности монтажа: ноль сразу заводят на контакт термореле, а со второго контакта реле бросают перемычку на катушку пускателя.

При срабатывании термореле контакт КК1.1 размыкается, «ноль» разрывается и пускатель обесточивается.

И в заключении рассмотрим подключение электротеплового реле в реверсивной схеме управления пускателем.

От типовой схемы она, как и схема с одним пускателем, отличается лишь наличием нормально-замкнутого контакта реле КК1.1 в цепи управления, и тремя силовыми контактами КК1, через которые запитывается электродвигатель.

При срабатывании защиты контакты КК1.1 разрываются и отключают «ноль». Работающий пускатель обесточивается и двигатель останавливается. При возникновении необходимости в простой остановке двигателя достаточно нажать на кнопку «Стоп».

Вот и подошел к логическому завершению рассказ о магнитном пускателе.
Понятно, что только одних теоретических знаний мало. Но если Вы будете практиковаться, то сможете собрать любую схему с применением магнитного пускателя.

И уже по сложившейся традиции небольшой видеоролик о применении электротеплового реле.

Как подобрать тепловое реле для защиты электродвигателя?

При длительной работе электрический двигатель имеет тенденцию перегреваться. Слишком большая мощность, проходящая по цепи, повышает температуру устройства. В результате обмотки перегреваются, а изоляция портится. Это приводит к замыканию между витками, которое провоцирует выгорание полюсов мотора. Даже возникновение одной из перечисленных проблем влечет за собой сбой в работе механизма и обязательный ремонт, который существенно ударит по бюджету.

Чтобы этого избежать, в цепь питания устанавливают тепловое реле для защиты. Оно “считывает” номинал тока, проходящий по цепи, и если он длительное время превышает норму – размыкает контакты. Прекращается подача тока, а электрический мотор останавливает работу. Но чтобы реле работало правильно, необходимо учитывать несколько особенностей.

Главное о конструкции.

Существуют разные виды реле, но основные элементы у них одинаковы. Главное – биметаллическая пластина, которая запускает работу механизма. Это самый чувствительный элемент в конструкции. В зависимости от температурных показателей, в которых находится прибор, меняется время срабатывания. Если температура растет, оно уменьшается. Это небольшая, но важная погрешность. Поэтому при выборе отдавайте предпочтение пластинам с большой температурой.

Сама биметаллическая деталь крепко зафиксирована на оси реле. Для регуляции значения тока используют шунты, которые закрепляются в корпусе. Иногда внутри реле можно найти нихромовые нагреватели. Их придется подключать отдельно, по одной из схем: параллельной или последовательной. Также в комплект включена пружина цилиндрической формы, которая одним концом касается пластины, а другим прикреплена к изоляционной колодке. Если ток перегрузки превышает уставной или равен ему длительное время, колодка поворачивается (под воздействием биметалла), разрывая контакт.

Основные обозначения.

Прежде чем решать, какой вид защиты подойдет, нужно узнать расшифровку маркировки прибора. На корпусе и в паспорте устройства указан:

1. Рабочий ток. Реле срабатывает, когда напряжение доходит до этого значения.

2. Номинал тока для биметаллической пластины. Это то значение, при превышении которого устройство не отключится сразу же.

3. Время-токовые характеристики. Время срабатывания устройства в зависимости от величины напряжения.

4. Токовый диапазон. Он определяет, при каких параметрах реле работает.

5. Крайние токовые уставки.

В паспорте указывают и дополнительные сведения, например, данные для монтажа или способности работы прибора при наличии опасных веществ.

Методика выбора.

Каждый электрический двигатель имеет свой диапазон мощности, в зависимости от этого и нужно выбирать реле. Ориентируемся на номинал тока, который обозначается символом In. Он написан на корпусе устройства и в инструкции. Обычно указывают две цифры, первую для сети мощностью 220 вольт, а вторую для 380 вольт. Далее анализируем характеристики прибора и реле, сравниваем их. При рассмотрении время-токовых параметров учитывайте, что время срабатывания их холодного и перегретого состояния будет разным.

Обычно перед покупкой просматривают специальную таблицу, в которой приведены технические характеристики реле различных видов. Так легче подобрать оптимальный вариант. И у мотора, и у реле защиты есть специальная кривая, на которой изображена зависимость токопрохождения от величины тока. Для бесперебойной работы обоих устройств эта кривая должна быть разной. У двигателя она должна находиться выше.

Главное правило: номинальный ток мотора = уставке тока срабатывания. То есть, чтобы механизм начал разрыв цепи, необходима перегрузка минимум в 20-30%.

Для этого ток несрабатывания реле должен хотя бы на 12% превышать номинал двигателя. Во всех таблицах с характеристиками реле данные приводятся в амперах.

Если данных нет в паспорте.

Бывают ситуации, когда номинальное напряжение устройства неизвестно. Паспорт может быть утерян, данные на корпусе смазаны. Обычно такое случается у тех, кто покупает с рук. Но положение можно исправить несколькими способами:

1. Использовать специальное оборудование, которое автоматически определяет время-токовые показатели (токовые клещи и мультиметр). Анализируют каждую фазу.

2. Если известна хотя бы часть данных, можно найти в Интернете полную информацию. На сайтах производителей часто предлагаются таблицы с характеристиками выпускаемых марок.

Возвращаясь к подбору тепловых реле стоит упомянуть, что важную роль играет страна производства. Европейские аппараты стандартно считаются качественными, но не всегда приспособлены для функционирования в наших условиях. Многие отечественные производители придерживаются мировых стандартов и при этом учитывают особенности местного климата и самих приборов. Кроме того, легче прочитать инструкцию на родном языке, чем мучиться с переводом. Хотя схема подключения реле стандартная, с небольшими нюансами в зависимости от вида устройства. Что касается китайских производителей, то многие из них, например компания CHINT, ориентируются на российского потребителя. При этом качество соответствует европейским брендам.

Электронные тепловые реле для защиты электродвигателей от перегрузки

Для чего нужны тепловые реле

С целью защиты электродвигателей от перегрузок применяют тепловые реле. Поскольку перегрев является следствием токовой перегрузки, то такое реле защищает двигатель и от токовой перегрузки как таковой, и от перегрева. То есть применение теплового реле целесообразно в тех ситуациях, когда токи в питающей сети и, соответственно, в питаемой нагрузке, могут по какой-нибудь причине превысить допустимый номинал до 1,11 – 7 раз, и тогда уставка реле позволит предотвратить разрушение оборудования.

Если оборудование отвечает за точные и ответственные работы, то оно обязательно должно быть защищено от перегрева, иначе случится отказ. По сути тепловое реле сравнит эффективную величину протекающего тока с уставкой, и защитит оборудование в случае превышения уставки — через строго заданный промежуток времени цепь нагрузки будет разомкнута, оборудование будет спасено.

Мощные цепи коммутируются контакторами, и тогда тепловое реле управляет лишь питанием контакторов, и не требуется высокой токовой устойчивости от самого реле. Реле в виде вспомогательного унифицированного блока подключается к контактору, а сам силовой контактор коммутирует нагрузку.

У реле имеются, как правило, нормально-разомкнутые и нормально-замкнутые контакты, первые отвечают за питание сигнальной лампы (например), вторые — за подачу питания на контактор.

При нахождении температуры электрооборудования в установленных разрешенных пределах, тепловое реле держит цепь замкнутой, а как только происходит превышение — осуществляется отключение через заданный промежуток времени, причем чем выше отношение тока перегрузки к номиналу, тем быстрее происходит срабатывание реле, ведь чем больше ток, тем быстрее происходит нагрев проводника, и нельзя допустить перегрева ни одного участка защищаемого оборудования.

Параметры тепловых реле

При высоких значениях перегрузки (в разы), характерных для короткого замыкания, размыкание осуществляет автоматический выключатель с электромагнитным расцеплением или плавкий предохранитель. Вообще причины перегрузок могут быть разными, например штатный тяжелый пуск электродвигателя или частые включения-выключения. Тогда срабатывание окажется ложным.

Чтобы ложные срабатывания исключить, уставка выставляется без запасов, разница лишь в классах самих реле от 5 до 40, обозначающих время срабатывания: class 5 – 3 секунды при десятикратной перегрузке, class 10 – 6 секунд при десятикратной перегрузке и т. д. Унификация по классам определяется при температуре окружающей среды в 20°С, при симметричном трехфазном режиме работы, для перегрузки в холодном состоянии. Уставка обозначает ток перегрузки, а класс — максимальное время срабатывания в секундах.

Важная характеристика теплового реле — граничные значения кратности длительной перегрузки — порядка часа. Это условие при котором реле гарантированно сработает или не сработает. Так, если порог задан как 1,14±0,06, то при 1,2 реле гарантированно сработает, а при 1,06 уже точно не сработает.

Этот параметр чрезвычайно важен, он определяет точность и надежность защиты, а также позволяет предотвратить ложные срабатывания. Наиболее качественные реле обладают термокомпенсацией для обеспечения устойчивых рабочих характеристик при любой температуре окружающей среды.

В соответствии с особенностями защищаемого оборудования выбирают и время срабатывания теплового реле, принимая во внимание и допустимую кратность перегрузки. Большие кратности — до 10 раз — требуют более щепетильного подхода. Например class10 считается универсальным, и подойдет для электродвигателей с легким пуском.

При тяжелых пусках лучше подойдут class20, class30 или class40. Class5 – если требуется высокая точность, например, если нагрузка малоинерционна. Как правило, производители тепловых реле в сопроводительной документации указывают наиболее подходящее оборудование, для которого лучше всего придется класс данной токо-временной защитной характеристики.

Здесь важно реальное время срабатывания реле, оно должно соответствовать стандартной зависимости. Лучшие тепловые реле при перегрузках от 3 до 7,2 крат, обладают максимальным отклонением времени расцепления от стандарта не более чем на 20% в меньшую и в большую сторону. С ростом температуры, к примеру из-за предварительного разогрева номинальным током, время расцепления сокращается в 2,5 — 4 раза по сравнению со стандартом при 20°С.

Недостатки простых тепловых реле

Трехфазные тепловые реле более универсальны, они отслеживают токи во всех трех фазах, и применимы для однофазных цепей, для переменного и для постоянного тока.

Но если фазы нагружены сильно несимметрично? Тогда температура по одной из фаз будет нарастать быстрее, и оборудование опасно перегреется, поскольку действующее значение тока трех фаз не позволит выявить опасность. В итоге время расцепления и критический ток уставки теплового реле окажутся реально ниже фактического положения.

Для решения проблемы более оперативно, необходимо тепловое реле более совершенное, с интегрированной защитой от токовой асимметрии в фазах. В таких реле при перекосе или при потере фазы время и ток срабатывания соответствующим образом изменятся, и защита все равно останется надежной.

Обычно тепловые реле изготавливаются на базе биметаллических разъединителей. Пластина при нагреве током изгибается, и приводит в движение механизм разъединения, реле срабатывает — переключается в состояние «выключено». Когда пластина остынет, механизм вернется в исходное состояние «включено». Простота конструкции обычных реле подкупает малой стоимостью и хорошей помехоустойчивостью. Но для более тонкого оборудования требуются более точные тепловые реле – электронные.

Электронные тепловые реле

Электронные энергонезависимые тепловые реле, такие как например Siemens серий 3RB20 и 3RB21, оснащены встроенными системами измерения на токи до 630 А. Эти реле являются токонезависимыми, и способны защитить нагрузки при любом режиме, даже при тяжелом пуске, и при обрыве или несимметрии фаз.

При токовой перегрузке, при обрыве одной из фаз или при перекосе, ток, например в двигателе, нарастает, и становится выше уставки. Интегрированный токовый трансформатор регистрирует ток, а электроника обрабатывает измеренное в текущий момент значение, и если оно превышает уставку, импульс отключения передается на выключатель, который отсоединяет нагрузку, размыкая внешний контактор. Само реле монтируется на контактор. Время разъединения строго связано с соотношением тока расцепления и тока уставки.

Электронное тепловое реле Siemens 3RB21 способно не только защитить от перегрева вследствие асимметрии фаз, перегрузки по току или обрыве фазы, оно имеет еще и внутреннюю систему обнаружения замыкания на землю (за исключением комбинаций звезда — треугольник). Например неполные замыкания на землю из-за повреждения изоляции или влажности будут мгновенно зафиксированы, и цепь нагрузки разомкнется.

При срабатывании реле загорится индикатор сигнализирующий о состоянии расцепления. Имеется возможность автоматического сброса или сброса вручную. Автоматический сброс происходит через определенное время, спустя которое реле снова замкнет контактор.

{SOURCE}