3. 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 электроприемник. ТР, вследствие инерционности процесса нагрева, не реагирует на мгновенное нарастание тока, подобно максимальному реле мгновенного действия. Это позволяет предотвратить ложные отключения электроприемника при случайных набросах нагрузки, в том числе от пусковых токов, 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 возможно включать 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 используются тела с различными коэффициентами линейного расширения - термобиметаллические пластинки. Нагрев элемента осуществляется электрическим током, протекающим по электрической сети к защищаемому электроприемнику. В аварийном режиме электроприемника ток увеличивается и нагрев элемента будет более интенсивным.

Ток может протекать непосредственно через элемент или протекать через специальное сопротивление, осуществляя косвенный нагрев (применяется для более мощных электроприемников), также возможен комбинированный нагрев [2, разд. 20-4].

Биметаллическая пластинка состоит из двух слоев металлов с различным температурным коэффициентом расширения α1 и α2 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.

Времятоковая 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 ТР разорвет цепь протекания тока обмотки управления контактора и его главные контакты разорвут цепь питания обмоток статора электродвигателя) и электродвигатель остановится.

(3.7)

По оси абсцисс она стремится к номинальному току ТР (рис.3.3). Обычно зависимость (3.7) выражают через кратность тока по отношению к номинальному току теплового реле m.

(3.8)

Рис. 3.3. Времятоковая 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 совпадение время-токовых характеристик теплового реле и зависимости времени допустимого нагрева защищаемой установки от величины протекающего тока . При этом постоянные времени нагрева реле Т_Р и электродвигателя Т_М должны быть близки. На рис. 3.3 показан случай надежной защиты: пунктирная кривая 2 времени срабатывания теплового реле идет ниже характеристики времени 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 в области В, наоборот, защита срабатывает излишне быстро, так как . 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.

Рис. 3.4. 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.

Подбор теплового реле осуществляется в соответствии с номинальным током защищаемого электроприемника IH по условию: номинальный ток несрабатывания теплового реле должен быть не менее номинального тока электроприемника . 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, асимметрией питающего напряжения.

Тепловой расцепитель - устройство, механически связанное с контактным коммутационным аппаратом, которое освобождает удерживающие приспособления и тем самым допускает размыкание коммутационного аппарата, например 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 за счет джоулевых потерь, 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. 3.5 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 упрошения 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.

Рис. 3.5. Конструктивная схема механизма теплового реле типов РТЛ-1000 и РТЛ-2000: 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

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.

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

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, как правило, 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 для обеспечения необходимой чувствительности, 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. 3.4) 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. 3.6. 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. 3.6. Характеристики расцепления тепловых реле и расцепителей для нагрева при трехфазном (трехполюсном) режиме из холодного состояния

Таблица 3.1

Классы расцепления тепловых реле и тепловых расцепителей для защиты электродвигателей от перегрузки

Зоны перегрузки	Класс расцепления	Уровень (кратность) перегрузки, I/In	Время срабатывания (tсраб)
А	Все классы	1,0...1,05	Не более 2 ч
В	Все классы	1,2	Не менее 2 ч
С	10 А	1,5	Не менее 2 мин
	10	1,5	Не менее 4 мин
	20		Не менее 8 мин
	30		Не менее 12 мин
D	10А	7,2	2... 10 с
	10		4... 10 с
	20		6...20 с
	30		9...30 с

Как следует из табл. 3.1, реле и расцепители перегрузки выпускаются разных классов - 10А, 10, 20, 30. Это необходимо для возможно лучшего согласования защитной характеристики реле с перегрузочной характеристикой защищаемого двигателя.

Обычно в каталогах представляются защитные характеристики расцепителей как из холодного, так и из нагретого состояния, которые, естественно, должны располагаться ниже характеристики, соответствующей холодному состоянию.

В случае обрыва одной из фаз срабатывание реле, чувствительного к такому режиму, будет происходить за время, меньшее 2 ч, при кратности 1,15 в зоне перегрузки, а нечувствительного реле - при кратности 1,32 в той же зоне.

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. т. 2), управляющего работой обычного электромеханического реле, включенного своим размыкающим контактом последовательно с обмоткой контактора, коммутирующего цепь статора двигателя.

Расцепитель, в отличие от теплового реле механически связан с контактным коммутационным аппаратом. Возможны следующие конструктивные исполнения расцепителей: мгновенного действия и с задержкой времени.

Чувствительный элемент расцепителя приводится в действие при достижении уставки срабатывания - определенного значения контролируемого параметра (тока, напряжения, мощности).

Типичным примером максимального расцепителя тока с обратнозависимой выдержкой времени является биметаллический расцепитель, механизм которого аналогичен механизму теплового реле, рассмотренного ранее (см. рис. 3.5).

В любых типах расцепителей (электромагнитных, тепловых и механических) для перевода их в неустойчивое состояние обязательно необходимо создание определенных усилий при перемещении на соответствующее расстояние для снятия с защелки, удерживающей механизм в устойчивом состоянии, и нарушения механической связи привода и контактной системы.

Технические характеристики магнитных пускателей

Пускатели серии ПМЛ комплектуются ТР серий РТЛ, и ПМА – РТТ (ТР серий ТРН и ТРП сняты с производства).

Технические характеристики МП и ТР приведены в табл. 3.2 3.5 (более подробную информацию см. в [4, 5, 6, 7]).

Принципиальная схема управления АД с помощью МП тепловые реле которых подключены посредством трансформаторов тока приведена на рис.3.7. На рис.3.8 приведена однолинейная схема подключения электродвигателей к электрической сети и многолинейная схема для одного из двигателей.

Таблица 3.2

Технические характеристики электромагнитных пускателей серии ПМЛ и тепловых реле серии РТЛ (U_H = 380 В)

Величина	Номин. ток, А	Мощность потребл. кат. при вкл./удерж., В∙А	Пределы регулировки тока несрабатывания, А
1	10	84/9,5	0,1 ÷ 0,17 – 7 ÷ 10
2	25	115/9,5	7 ÷ 10; 9,5 ÷ 14; 13 ÷ 19; 18 ÷ 25
3	40	235/25	23 ÷ 32; 30 ÷ 41
4	63	235/25	30 ÷ 41; 38 ÷ 52; 47 ÷ 64; 54 ÷ 74
5	80	380/36	54 ÷ 74; 63 ÷ 85
6	125	510/46	75 ÷ 105; 90 ÷ 125
7	200	800/57	90 ÷ 125; 115 ÷ 160; 145 ÷ 200

Примечание: номинальный ток блок-контактов – 10А; число циклов срабатывания при номинальном токе не менее – (исп. А); время срабатывания (вкл./откл.), мс – 19 ÷ 63; номинальное напряжение катушки – 220, 380, 660В переменного тока; номинальное напряжение изоляции – 660В.

Таблица 3.3