Тепловые реле

Тепловое реле (ТР) служит для защиты электродвигателей от длительного тока перегрузки, превышающего номинальный ток двигателя. Действие теплового реле основано на принципе линейного расширения тел при нагревании. Оно срабатывает при определенной температуре чувствительного элемента и отключает электродвигатель. ТР, вследствие инерционности процесса нагрева, не реагирует на мгновенное нарастание тока, подобно максимальному реле мгновенного действия. Это позволяет предотвратить ложные отключения электродвигателя при случайных «набросах» нагрузки, в том числе и при пусковых токах, имеющих кратковременный характер. В схемах управления электродвигателями переменного тока тепловые реле служат также для отключения электродвигателя при обрыве одной из фаз питающей сети. Нагревательные элементы допустимо включать только в две фазы электродвигателя, так как при обрыве одной из фаз ток в двух других возрастает, что приводит к срабатыванию, по крайней мере, одного теплового реле.

Тепловое реле обычно устанавливается на одной панели с контактором или в кожухе магнитного пускателя.

В качестве чувствительного элемента теплового реле используются тела с различными коэффициентами линейного расширения - термобиметаллические пластинки. Нагрев элемента осуществляется электрическим током, протекающим по электрической сети к защищаемому электродвигателю. В аварийном режиме электродвигателя ток увеличивается, и нагрев элемента будет более интенсивным.

Ток может протекать непосредственно через элемент или протекать через специальное сопротивление, осуществляя косвенный нагрев (применяется для защиты более мощных электроприемников), также возможен комбинированный нагрев [1, разд. 7.1].

Биметаллическая пластинка состоит из двух слоев металлов с различным температурным коэффициентом расширения α 1 и α 2 и разной толщиной слоев. Слой с большим коэффициентом линейного расширения называется термоактивным слоем в отличие от слоя с меньшим коэффициентом линейного расширения, называемого термопассивным. При нагревании пластины происходит различное удлинение слоев, пластина изгибается в сторону термопассивного слоя. При этом в зависимости от конструкции ТР, либо размыкается контакт, связанный с пластиной, либо отпускается защелка, освобождающая подпружиненный шток, который воздействует на контакты.

Время-токовая характеристика теплового реле - зависимость времени срабатывания от тока, при котором происходит срабатывание.

Характеристика имеет обратнозависимый от тока характер. Чем выше значение тока I, тем быстрее произойдет срабатывание реле, (контакт реле разорвет цепь протекания тока через обмотку управления контактора и его главные контакты разорвут цепь питания обмоток статора электродвигателя) и электродвигатель остановится.

По оси абсцисс она стремится к номинальному току ТР (рис. 3.4). Обычно зависимость (3.7) выражают через кратность тока по отношению к номинальному току теплового реле m:

Рис. 3.4. Время-токовая характеристика срабатывания электротеплового реле
с холодного (1) и нагретого (2) состояния

Под номинальным током теплового реле I _нтр (ток несрабатывания) понимается такой ток, длительное протекание которого через реле не приводит к срабатыванию его при заданной неизменной температуре окружающей среды.

Тепловые реле, защищающие электрические машины от перегрузок, должны иметь определенные время-токовые характеристики, отвечающие следующим основным требованиям:

1) время срабатывания теплового реле должно быть таким, в течение которого перегрев защищаемой машины не превысит допустимой величины;

2) время срабатывания теплового реле не должно быть слишком мало, с тем, чтобы полнее использовать перегрузочную способность защищаемой машины;

3) обеспечивать прямой пуск от сети асинхронного электродвигателя.

Для надёжной защиты электродвигателя от перегрузок необходимо согласование времятоковых характеристик t _ср = f (I) теплового реле и характеристик повреждаемости (зависимость времени допустимого нагрева электродвигателя от величины протекающего тока t_x = f (I)). Для лучшего согласования постоянные времени нагрева реле Т _р и электродвигателя Т _м должны быть близки. На рис. 3.5 показан случай надежной защиты: пунктирная кривая 2 времени срабатывания теплового реле идет ниже характеристики времени допустимого нагрева защищаемого электродвигателя (имеется в виду допустимый нагрев электродвигателя при токах, превышающих номинальный). Обычно существующие тепловые реле имеют Т _р < Т _м за счет отличных друг от друга материалов и масс двигателя и теплового реле. Этому условию соответствует кривая 3. В области А защита двигателя отсутствует, так как t _ср > t_x, в области В, наоборот, защита срабатывает излишне быстро, так как t _ср < t_x. Особые трудности возникают при защите вращающихся машин, работающих в повторно-кратковременных режимах, так как у них постоянная времени нагрева при работе и постоянная времени при остановке двигателя могут сильно отличаться друг от друга за счет отсутствия обдува двигателя. Поэтому тепловое реле рекомендуется для защиты двигателя, работающего в длительном режиме (не менее получаса).

Рис. 3.5. Согласование время-токовых характеристик и идеального (2) и реального (3) теплового реле с характеристикой защищаемого объекта (1)

Существенным недостатком теплового элемента является зависимость времени его действия от температуры окружающей среды. При отсутствии специальных мер такой элемент будет отключать магнитный пускатель при температуре окружающей среды 80–90°С даже при отсутствии тока в нагревательном элементе. Поэтому для получения благоприятной защитной характеристики необходимо стремиться, чтобы температура окружающей среды для защищаемого объекта и реле совпадали, чего не всегда можно достичь на практике. Другим путем стабилизации защитных характеристик тепловых реле является введение термокомпенсации, а также выполнение термоэлемента с высокой температурой срабатывания (более 200°С), что уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды (более подробно – ниже).

Подбор теплового реле осуществляется в соответствии с номинальным током защищаемого электроприемника I _н по условию: номинальный ток несрабатывания теплового реле должен быть не менее номинального тока электроприемника I _нтр ≥ I _н. Лучшая по чувствительности защита обеспечивается при равенстве этих токов.

Рассмотрим в чем заключается сходство и различие теплового реле и электротеплового расцепителя.

Тепловое реле предназначено для защиты двигателя от перегрева при длительном протекании недопустимо больших токов перегрузки затяжного пуска, вызванного недопустимо большим снижением напряжения или асимметрией питающего напряжения путем размыкания слаботочного контакта в цепи управления катушкой контактора.

Тепловой расцепитель - устройство, механически связанное с контактным коммутационным аппаратом, которое освобождает удерживающие приспособления и тем самым вызывает размыкание силовых контактов, например у автоматического выключателя, при протекании токов перегрузки или короткого замыкания, создающих опасный нагрев токоведуших элементов электрической сети.

Принцип действия тепловых реле и расцепителей основан на использовании явления изменения линейных геометрических размеров металлов при нагревании.

Чувствительный элемент теплового реле и расцепителя - биметаллическая пластина - включается последовательно в силовую цепь. Биметаллическая пластина состоит из двух металлов (термоактивного и термопассивного) с различными коэффициентами линейного расширения, соединенных по поверхности в процессе проката.

При протекании тока происходит нагревание биметаллической пластины согласно закону Джоуля-Ленца, при этом термоактивный слой удлиняется значительно больше термопассивного. Если один конец такой пластины жестко закреплен, то неравное удлинение слоев пластины вызывает ее деформацию - изгиб в сторону термопассивного слоя металла. Поскольку процесс деформации носит медленный характер (тепловая инерция), а размыкание контактов или срабатывание расцепителя должно происходить мгновенно, необходим некоторый механизм преобразования. Поэтому биметаллическая пластина должна обладать определенной жесткостью для создания необходимого усилия по приведению в действие этого механизма. Механизм преобразования может быть как простейшим в виде перебрасывающегося рычага с контактами, так и более сложным.

На рис. 3.6 представлено устройство, в котором реализован механизм преобразования действия биметаллического расцепителя на исполнительные контакты в тепловых реле типов РТЛ-1000, РТЛ-2000. Ток силовой цепи протекает по биметаллическим пластинам 5 (трехфазное исполнение). Одна сторона пластин жестко закреплена в изоляционном корпусе реле, а другая сторона упирается в подвижную изоляционную рейку 6. Для упрощения выводы внешнего подключения силовой цепи не показаны. Своим выступом рейка 6 действует на фигурный кулачок 2, который может поворачиваться вокруг оси 3. При повороте кулачок 2 воздействует на пластину рычага 1, одновременно являющегося элементом защелки 7, удерживающей подвижную систему 8 с установленными в ней контактами в фиксированном положении. На рисунке положение подвижной системы соответствует ненагруженному реле. При срабатывании реле происходит освобождение зацепления рычага 1 и подвижной системы 8, которая под действием отключающей пружины 9 перемещается влево, и происходит замыкание контактов 97 - 98 и размыкание контактов 95 - 96 (использована электрическая маркировка рис. 3.6, а).

Приведение реле в рабочее состояние осуществляется при воздействии на кнопку возврата 10, которая механически производит перемещение подвижной системы 8 вправо до зацепления с рычагом 1. При этом, если биметалл еще недостаточно остыл, данная операция будет неуспешной. Существуют конструкции реле с самовозвратом системы в рабочее состояние после остывания биметалла. На рис. 3.6 а. изображена электрическая схема теплового реле DeKraft серии РТ-01. Это реле имеет дополнительный переключатель, который позволяет установить способ возврата теплового реле в исходное положение после срабатывания (повторный взвод). При ручном положении (Руч.) возврат осуществляет эксплуатирующий персонал путем воздействия на кнопку 10. При автоматическом положении (Авто) происходит самовозврат системы в рабочее состояние после остывания биметалла. Дополнительно существуют еще две кнопки воздействия на положение электрических контактов не зависимо от теплового состояния биметаллических пластин (Тестирование, Остановка). Следует обратить внимание, что кнопка «Остановка» воздействует только на контактную группу с выводами 95 и 96. Это позволяет использовать ее при необходимости экстренной остановки электродвигателя.

Одним из существенных недостатков тепловых реле является влияние окружающей температуры на время его срабатывания.

а)
б)
Рис. 3.6. Электрическая схема (а) и конструктивная схема (б) механизма теплового реле: 1 - рычаг; 2 - фиксирующий кулачок; 3 - ось вращения рычага 1 и кулачка 2; 4 - дополнительный нагревательный элемент; 5 - биметаллический элемент; 6 - изоляционная рамка; 7 - защелка; 8 -подвижная система с контактами; 9 - пружина отключающая; 10 - кнопка взвода механизма в рабочее состояние; 95- 98 - контакты

Для снижения этого влияния рекомендуется выполнять биметаллические пластины из материала с рабочей температурой срабатывания около 200°С, значительно превышающей температуру окружающей среды 40°С, например, из хромоникелевой стали (латуни). Кроме этого, в конструкцию механизма передачи воздействия от биметалла включают еще один пассивный, не нагреваемый током нагрузки биметаллический элемент, чем и достигается компенсация изменения температуры окружающей среды. В рассматриваемом механизме реле эту функцию выполняет рычаг 1. При этом пассивный слой является нижней стороной рычага. Поэтому при увеличении температуры окружающей среды рабочие элементы биметалла 5 получат некоторую деформацию и переместят пластину 6 и, соответственно, кулачок 2, но при этом рычаг 1 тоже деформируется вниз, так что расстояние между элементами конструкции 2 и 1 не изменится.

Существуют различные способы нагрева биметаллической пластины - прямой, косвенный и комбинированный.

Прямой нагрев используется в области токов нагрузки 5 - 25 А, так как при этом мощность тепловых потерь уже достаточна для обеспечения нагрева до необходимых температур, а размеры биметаллических пластин еще не столь значительны.

Рост номинальных токов вызывает увеличение, как поперечных сечений, так и линейных размеров биметаллических пластин, что приводит к увеличению габаритных размеров всего реле. Поэтому прибегают к другому способу нагрева биметалла - косвенному. При этом ток протекает не по биметаллической пластине, а по параллельному ей участку токоведущей системы с уменьшенным сечением, расположенному настолько близко от этой пластины, чтобы создать на данном участке повышенную температуру, достаточную для нагрева биметалла за счет известных способов теплопередачи. Такое решение позволяет выполнить биметаллическую пластину оптимальных размеров, согласующихся с требованиями механизма реле.

При очень больших токах (более 200 А) вновь находит применение прямой способ нагрева биметалла, но уже вторичным током трансформатора тока, первичная обмотка которого включена последовательно в силовую контролируемую цепь.

Естественно, применение комбинированного нагрева (см. рис. 3.5, б) используется в тех случаях (малые токи нагрузки), когда не удается обеспечить создание усилий, необходимых для работы механизма реле. Тогда сечение и линейные размеры биметаллической пластины выбираются так, чтобы выполнить требования к величине необходимой деформации и усилию для срабатывания механизма реле, а недостающая мощность джоулевых потерь обеспечивается дополнительным элементом 4, имеющим большое электрическое сопротивление и включенным последовательно с биметаллом (конструктивно - например, в виде навитой спирали, максимально охватывающей биметаллическую пластину).

Электрическая изоляция спирали и пластины друг от друга может обеспечиваться как за счет дополнительно проложенного между ними твердого диэлектрика, так и за счет создания на поверхности нагревателя окисной пленки, имеющей электрическую прочность, достаточную для данных условий.

Защитные характеристики тепловых реле и расцепителей представлены на рис. 3.7. В табл. 3.1. приведены ограничения значений времен срабатывания для разных зон перегрузки стандартизованных классов расцепления тепловых реле и расцепителей из холодного состояния в соответствии с ГОСТ Р 50030.4.1-2002.

Рис. 3.7. Характеристики расцепления тепловых реле и расцепителей для нагрева при трехфазном (трехполюсном) режиме нагрузки из холодного состояния

Разные классы реле и расцепителей перегрузки (10А, 10, 20, 30) необходимы для возможно лучшего согласования защитной характеристики реле с перегрузочной характеристикой защищаемого двигателя.

Обычно в каталогах представляются защитные характеристики расцепителей при нагреве как из холодного, так и из нагретого состояния, которые, расположены ниже характеристики, соответствующей холодному состоянию.

В случае обрыва одной из фаз срабатывание реле будет происходить быстрее, чем при трехполюсной работе. На рис. 3.7 пунктирной линией приведена характеристика реле класса 10А, она располагается ниже характеристики соответствующей трехфазному режиму.

Как следует из принципа действия теплового реле, несмотря на использование температурной компенсации и различные классы исполнения реле, невозможно строго согласовать защитную характеристику реле с перегрузочной характеристикой двигателя.

Такое согласование может быть достигнуто при использовании позисторной защиты. Позисторы - это терморезисторы из сегнетоэлектрических растворов на основе титаната бария, электрическое сопротивление которых на определенном небольшом интервале температур резко изменяется. Позисторы конструктивно встраиваются непосредственно в статорную обмотку двигателя в процессе ее изготовления, что позволяет контролировать непосредственно температуру нагрева обмотки в режиме перегрузки. Терморезисторы включаются на вход электронного реле (см. [1, том 2]), управляющего работой обычного электромеханического реле, включенного своим размыкающим контактом последовательно с обмоткой контактора, коммутирующего цепь статора двигателя.

Таблица 3.1

Поиск по сайту: