Реле перегрузки

Реле перегрузки: принцип действия, конструкция, типы и применение

Реле перегрузки (тепловое реле, электротепловое реле) — это электромеханическое или электронное устройство, предназначенное для защиты электродвигателей и других нагрузок от недопустимых токовых перегрузок, возникающих при механических перегрузках, заклинивании ротора, фазном дисбалансе или обрыве фазы. Его основная функция — разрыв цепи управления пускателя после срабатывания, что приводит к отключению силовых контактов и прекращению подачи питания на оборудование. В отличие от автоматических выключателей, реле перегрузки не предназначено для защиты от коротких замыканий; эту функцию выполняют предохранители или автоматические выключатели в силовой цепи.

Принцип действия и физические основы

Принцип работы классического биметаллического реле перегрузки основан на явлении теплового расширения разнородных металлов. Ток, потребляемый электродвигателем, протекает через нагревательный элемент (калиброванный резистор) или непосредственно через биметаллическую пластину. Нагрев пластины пропорционален квадрату тока (I²). Биметаллическая пластина состоит из двух прочно соединенных металлов с разными коэффициентами линейного теплового расширения. При нагреве пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения. При достижении заданного уровня изгиба (соответствующего уставке тока) пластина воздействует на механизм расцепителя, который через толкатель размыкает нормально-замкнутый (NC) контакт в цепи управления магнитного пускателя. После остывания пластина возвращается в исходное состояние, и реле можно вернуть в рабочее положение ручным взводом или автоматически, в зависимости от конструкции.

Электронные реле перегрузки измеряют ток с помощью трансформаторов тока или датчиков Холла. Микропроцессор устройства анализирует величину и время протекания тока, вычисляя тепловую модель защищаемого двигателя (I²t). Это позволяет точно имитировать тепловые процессы в обмотках двигателя, учитывая их предварительный нагрев.

Конструкция и основные компоненты

Типичное биметаллическое реле перегрузки состоит из следующих элементов:

• Корпус: Изготавливается из дугостойкого и термостойкого материала.
• Биметаллические пластины: По одной на фазу. Могут быть с прямым нагревом (ток проходит через пластину) или косвенным (нагрев от отдельного нагревательного элемента).
• Нагревательные элементы: Сменные или несменные резисторы, рассчитанные на определенный диапазон токов. Позволяют регулировать номинальный ток реле в пределах одной рамки.
• Механизм расцепителя: Преобразует движение биметаллической пластины в движение контактов.
• Силовые контакты (вход/выход): Для включения в силовую цепь двигателя.
• Вспомогательные контакты: Нормально-замкнутый (95-96) для цепи управления и нормально-разомкнутый (97-98) для сигнализации. Контакт 95-96 размыкается при срабатывании.
• Органы регулировки: Регулятор уставки тока срабатывания в пределах класса (например, от 0.4 до 0.63 от номинала нагревателя).
• Кнопка или рычаг: Для ручного сброса (RESET) и тестирования (TEST).
• Дополнительные устройства: Реле для защиты от обрыва фазы, селектор режима ручного/автоматического сброса.

Классификация и типы реле перегрузки

Реле перегрузки можно классифицировать по нескольким ключевым признакам:

1. По принципу действия

• Тепловые биметаллические: Классический, наиболее распространенный тип. Отличаются надежностью, не требуют внешнего питания, но имеют зависимость времени срабатывания от температуры окружающей среды.
• Электронные (микропроцессорные): Высокая точность, стабильность характеристик, независимость от ambient температуры, широкий набор дополнительных функций (текущий мониторинг, связь по протоколам, защита от заклинивания ротора, контроль изоляции). Требуют внешнего или внутреннего питания для электроники.
• Магнитные (индукционные): Используют принцип электромагнитного притяжения. Встречаются реже, время-токовая характеристика определяется конструкцией индукционной катушки и демпфера.

2. По способу установки

• Независимые (отдельно стоящие): Монтируются на DIN-рейку или панель, подключаются проводами к пускателю.
• Встраиваемые в пускатель (совместимые): Конструктивно предназначены для механического присоединения к конкретной серии магнитных пускателей (например, к пускателям IEK, Schneider Electric, ABB).
• Комбинированные (в сборе с пускателем): Пускатель и реле перегрузки поставляются как единый агрегат.

3. По количеству полюсов и типу защиты

• Двухполюсные: Защищают по двум фазам. Применяются реже, в основном для маломощных двигателей в однофазных сетях.
• Трехполюсные: Стандарт для защиты трехфазных асинхронных двигателей. Могут иметь функцию дифференциальной защиты от обрыва фазы.
• С защитой от обрыва нуля (для трехфазных сетей 230/400В): Специальные модели, чувствительные к исчезновению напряжения в нейтрали.

Время-токовые характеристики (ВТХ) срабатывания

Критически важный параметр — зависимость времени срабатывания от величины тока перегрузки. Характеристики стандартизированы под классы срабатывания.

Класс срабатывания	Время срабатывания при 7.2 x Iн	Область применения	Тип нагрузки
10	2 – 10 сек	Двигатели без повышенного момента инерции при пуске, частые пуски.	Насосы, вентиляторы, станки с ЧПУ.
20	4 – 20 сек	Стандартные асинхронные двигатели с прямым пуском. Наиболее распространенный класс.	Конвейеры, компрессоры, генераторы.
30	6 – 30 сек	Двигатели с высоким моментом инерции, длительным временем разгона.	Поршневые насосы, мешалки, центрифуги.
40	9 – 40 сек	Особо тяжелые условия пуска, очень высокий момент инерции.	Дробилки, мельницы, лебедки.

График ВТХ представляет собой логарифмическую кривую, показывающую, что при незначительной перегрузке (1.05-1.2 x I_н) время срабатывания может составлять десятки минут и даже часов, в то время как при значительной (более 6 x I_н) — секунды. Это соответствует тепловой инерции обмоток двигателя.

Критерии выбора и расчет номинала

Правильный выбор реле перегрузки является обязательным условием надежной защиты.

1. Определение номинального тока двигателя (I_дв): Указывается на шильдике двигателя. Для трехфазного двигателя: I_дв = P / (√3 U cosφ
2. η).
3. Учет условий пуска и окружающей температуры: При тяжелых условиях пуска или высокой температуре в помещении выбирается реле с более высоким номинальным током или классом срабатывания.
4. Выбор номинального тока реле (I_р): Как правило, I_р выбирается в диапазоне (1.0 – 1.15)
5. I_дв. Точное значение устанавливается регулятором уставки в пределах, указанных для нагревательного элемента.
6. Выбор нагревательного элемента: Номинальный ток нагревательного элемента должен быть равен или немного больше расчетного тока I_р. Производители предоставляют таблицы соответствия между мощностью двигателя, напряжением и номером требуемого нагревателя.
7. Выбор класса срабатывания: На основе анализа пусковых характеристик двигателя и механизма (см. таблицу выше).
8. Дополнительные функции: Необходимость защиты от обрыва фазы, сигнализации, дистанционного сброса, интерфейса связи.

Схемы подключения

Реле перегрузки всегда включается последовательно в силовую цепь после магнитного пускателя (контактора). Его нормально-замкнутый контакт (95-96) включается последовательно в цепь катушки пускателя. При срабатывании реле контакт 95-96 размыкается, обесточивая катушку, что приводит к отключению силовых контактов пускателя и двигателя. Нормально-разомкнутый контакт (97-98) может использоваться для подачи сигнала в систему АСУ ТП (например, зажигание лампы «Авария»).

Настройка, эксплуатация и обслуживание

После монтажа производится настройка уставки тока. Регулятор устанавливается на значение, соответствующее номинальному току двигателя. Важно учитывать, что биметаллические реле чувствительны к изменению температуры окружающей среды. При установке в горячих цехах требуется коррекция уставки в сторону увеличения, в холодных — уменьшения. Некоторые модели имеют температурную компенсацию. В процессе эксплуатации необходимо периодически проверять механическую часть на отсутствие заеданий, очищать от пыли и загрязнений, контролировать надежность электрических соединений. Электронные реле требуют проверки параметров питания и калибровки согласно регламенту производителя.

Преимущества и недостатки различных типов

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем реле перегрузки отличается от автоматического выключателя?

Автоматический выключатель предназначен для защиты кабелей и проводки от перегрузок и коротких замыканий. Он имеет электромагнитный расцепитель для мгновенного отключения при КЗ и тепловой расцепитель с общей ВТХ. Реле перегрузки специализировано для защиты электродвигателя, точно имитирует его тепловую модель, имеет регулируемую уставку и класс срабатывания, соответствующий пусковым токам двигателя. Для полной защиты требуется совместное использование автоматического выключателя (защита от КЗ) и реле перегрузки (защита от рабочих перегрузок).

Почему реле перегрузки не срабатывает при коротком замыкании?

Биметаллическая пластина обладает тепловой инерцией и для нагрева и изгиба при токах КЗ требуется время (сотни миллисекунд — секунды), за которое двигатель или проводка могут быть разрушены. Токи КЗ должны отключаться мгновенно устройствами с электромагнитным расцепителем (автоматическими выключателями, предохранителями).

Как правильно выбрать нагревательный элемент для реле?

Выбор осуществляется строго по таблицам производителя, где указывается зависимость номинального тока нагревателя от мощности и напряжения защищаемого электродвигателя. Необходимо найти строку с мощностью/током вашего двигателя и соответствующий ей тип (номер) нагревателя. Использование нагревателя с неверным номиналом приведет к ложным срабатываниям или отсутствию защиты.

Что такое «компенсация окружающей температуры» и зачем она нужна?

Характеристики биметаллического реле изменяются при отклонении температуры окружающей среды от калибровочной (обычно +20°C). В жарком помещении реле сработает раньше, в холодном — позже. Реле с температурной компенсацией имеют дополнительную компенсационную биметаллическую пластину, которая корректирует движение основной, делая время срабатывания практически независимым от внешней температуры в определенном диапазоне (например, от -20°C до +60°C).

Можно ли использовать одно трехполюсное реле для защиты двух двигателей, работающих параллельно?

Категорически не рекомендуется. Ток, протекающий через реле, будет суммой токов обоих двигателей. При перегрузке одного из них общий ток может оставаться ниже уставки, и защита не сработает, что приведет к выходу из строя перегруженного двигателя. Каждый двигатель должен быть защищен собственным реле перегрузки.

Почему после срабатывания контакт 95-96 не замыкается сразу после остывания?

Это нормальная конструктивная особенность. После остывания биметаллическая пластина возвращается в исходное положение, но механизм расцепителя обычно остается в сработавшем состоянии до момента ручного нажатия кнопки «RESET». Это обеспечивает визуальную и тактильную индикацию аварии и предотвращает самопроизвольный повторный пуск оборудования, что важно для безопасности персонала.

В чем преимущество электронных реле для частотно-регулируемых приводов (ЧРП)?

Стандартные биметаллические реле могут некорректно работать на выходе ЧРП из-за несинусоидальной формы тока (высокочастотные гармоники). Электронные реле, особенно специально разработанные для работы с ЧРП, используют True RMS-измерение тока, что обеспечивает точное определение действующего значения независимо от формы сигнала, и тем самым гарантирует надежную защиту двигателя.

Заключение

Реле перегрузки остается критически важным и обязательным элементом в цепи управления электродвигателем. От корректности его выбора, настройки и эксплуатации напрямую зависит ресурс и безотказная работа дорогостоящего силового оборудования. Современный рынок предлагает спектр решений от простых и надежных биметаллических устройств до многофункциональных микропроцессорных систем защиты и мониторинга. Понимание принципов работы, характеристик и правил применения каждого типа позволяет инженеру-проектировщику и обслуживающему персоналу обеспечить оптимальный баланс между надежностью защиты, экономической эффективностью и функциональностью системы электропривода.