Реле пусковое: устройство, принцип действия, классификация и применение

Пусковое реле (стартовое реле) – это электромеханическое или электронное коммутационное устройство, предназначенное для автоматического подключения и отключения пусковой обмотки однофазных асинхронных электродвигателей с расщепленной фазой в момент их запуска. Основная функция – обеспечение необходимого пускового момента для раскрутки ротора двигателя, после чего пусковая цепь должна быть разорвана для перехода двигателя в режим работы от основной (рабочей) обмотки. Корректная работа реле критически важна для надежности, энергоэффективности и долговечности компрессоров холодильных установок, насосов, вентиляторов и другого оборудования.

Принцип действия и физические основы

Однофазный асинхронный двигатель самостоятельно не создает вращающегося магнитного поля при старте. Для этого используется вспомогательная (пусковая) обмотка, смещенная в пространстве относительно основной и часто имеющая большее активное сопротивление. При подаче напряжения обе обмотки включены, создавая сдвиг фаз и, как следствие, пусковой момент. После разгона двигателя до 70-80% номинальной скорости пусковую обмотку необходимо отключить, иначе она перегреется и выйдет из строя, а КПД двигателя упадет. Пусковое реле выполняет функцию этого автоматического выключателя. Срабатывание происходит по контролируемому параметру: току (токовое реле) или напряжению на пусковой обмотке (напряженческое реле).

Классификация, типы и конструкция пусковых реле

1. Токовое реле (реле срабатывания по току)

Наиболее распространенный тип. Последовательно включено в цепь рабочей обмотки двигателя. Основной элемент – соленоид (катушка) с подвижным сердечником, механически связанным с контактной группой, замыкающей цепь пусковой обмотки.

• Принцип работы: В момент пуска ток через рабочую обмотку и катушку реле максимален (пусковой ток). Магнитное поле соленоида втягивает сердечник, замыкая контакты пусковой обмотки. По мере разгона двигателя ток падает до рабочего значения. Когда сила магнитного поля становится недостаточной для удержания сердечника против силы возвратной пружины, контакты размыкаются, отключая пусковую цепь.
• Конструкция: Открытый или в защитном кожухе. Имеет минимум три клеммы: Line (питание), Motor (рабочая обмотка), Start (пусковая обмотка).
• Достоинства: Простота, надежность, низкая стоимость.
• Недостатки: Чувствительность к колебаниям напряжения, износ механических контактов, необходимость точного подбора по пусковому току конкретного двигателя.

2. Напряженческое реле (реле срабатывания по напряжению)

Параллельно подключено к пусковой обмотке. Реагирует на изменение ЭДС самоиндукции в ней.

• Принцип работы: При неподвижном роторе ЭДС в пусковой обмотке мала. Реле находится в положении, когда его контакты замкнуты, и пусковая обмотка подключена. При разгоне двигателя в пусковой обмотке наводится возрастающая ЭДС (пропорциональная скорости). Когда ее значение достигает порога срабатывания (обычно при 80% номинальной скорости), электромагнит реле притягивает якорь и размыкает контакты, отключая пусковую обмотку.
• Конструкция: Часто имеет форму «таблетки». Контакты нормально-замкнутые (НЗ).
• Достоинства: Менее чувствительно к перегрузкам, более точно соответствует скорости вращения, а не току.
• Недостатки: Более высокая стоимость, сложность в настройке, применяется для двигателей с определенным соотношением витков обмоток.

3. Твердотельные реле (пусковые устройства, PTC-термисторы)

Бесконтактные электронные устройства. Основной элемент – позистор (PTC-термистор) с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

• Принцип работы: В холодном состоянии сопротивление позистора мало (единицы-десятки Ом), он пропускает ток в пусковую обмотку. Протекающий ток разогревает позистор, его сопротивление резко возрастает на несколько порядков (до нескольких кОм), что эквивалентно размыканию цепи. Позистор остается в «горячем» состоянии, поддерживая высокое сопротивление, пока двигатель работает. После отключения питания позистор остывает и возвращается в состояние низкого сопротивления, готовясь к следующему пуску.
• Конструкция: Компактная таблетка в изолированном корпусе с двумя выводами.
• Достоинства: Отсутствие движущихся частей и дуги, высокая надежность, не требует настройки, устойчивость к вибрации.
• Недостатки: Необходимость времени на остывание между повторными пусками (обычно 2-5 минут), зависимость от температуры окружающей среды, невозможность работы в режиме частых пусков, саморазогрев и потребление небольшой мощности в рабочем режиме.

Ключевые параметры и характеристики выбора

Подбор пускового реле осуществляется строго в соответствии с параметрами защищаемого электродвигателя. Неправильный выбор приводит к выходу из строя обмоток.

Таблица 1. Основные параметры для выбора пускового реле

Параметр	Описание	Единица измерения	Важность
Номинальное напряжение	Рабочее напряжение сети и двигателя (например, 230В, 400В).	Вольт (В)	Должно соответствовать напряжению сети.
Пиковый ток срабатывания (для токовых реле)	Ток, при котором реле надежно замыкает контакты пусковой обмотки. Должен быть ниже пускового тока двигателя на 10-15%.	Ампер (А)	Критический параметр. Определяет момент включения.
Ток отпускания (для токовых реле)	Ток, при котором реле размыкает контакты. Должен быть выше рабочего тока двигателя.	Ампер (А)	Критический параметр. Определяет момент отключения пусковой обмотки.
Напряжение срабатывания (для напряженческих реле)	Напряжение на пусковой обмотке, при котором контакты размыкаются.	Вольт (В)	Должно соответствовать характеристикам двигателя.
Номинальный ток контактов	Максимальный ток, который могут коммутировать контакты реле без разрушения.	Ампер (А)	Должен превышать ток в цепи пусковой обмотки.
Сопротивление в холодном состоянии (для PTC)	Сопротивление позистора при температуре 25°C.	Ом (Ω)	Влияет на начальный пусковой момент.
Время остывания (для PTC)	Время, необходимое для снижения сопротивления до номинального после отключения.	Минуты (мин)	Определяет минимальный интервал между пусками.

Схемы подключения

Стандартная схема подключения токового пускового реле для компрессора холодильника или кондиционера:

• Клемма L (Line) подключается к сети через защитный термостат.
• Клемма M (Motor) соединяется с выводом рабочей (основной) обмотки двигателя и одним выводом рабочего конденсатора (если есть).
• Клемма S (Start) соединяется с выводом пусковой обмотки двигателя и вторым выводом пускового конденсатора (если есть).
• Вторые концы обеих обмоток двигателя объединены и подключены к нейтрали сети (N).

Для PTC-термистора схема проще: он включается последовательно в разрыв цепи пусковой обмотки.

Диагностика неисправностей и методы проверки

Типичные признаки неисправности: двигатель гудит, но не запускается; двигатель запускается с посторонней помощью (толчком); срабатывание тепловой защиты; характерный щелчок реле без последующего запуска.

Таблица 2. Диагностика неисправностей пусковых реле

Тип реле	Метод проверки	Исправное состояние	Неисправное состояние
Токовое (электромеханическое)	Визуальный осмотр	Отсутствие оплавлений, нагара, коррозии контактов.	Оплавление корпуса, почернение, запах гари.
	Проверка омметром	Катушка (L-M): низкое сопротивление (единицы Ом). Контакты (L-S): в нормальном состоянии разомкнуты (бесконечное сопротивление), при принудительном втягивании сердечника – замкнуты (~0 Ом).	Обрыв катушки (∞ Ом), подгорание контактов (высокое сопротивление даже при замкнутом состоянии).
Напряженческое	Проверка омметром	В нормальном (холодном) состоянии контакты (между выводами пусковой обмотки) замкнуты (~0 Ом). При подаче номинального напряжения на катушку реле (имитация разгона) контакты должны разомкнуться.	Контакты постоянно разомкнуты или постоянно замкнуты независимо от напряжения.
PTC-термистор	Проверка омметром	В холодном состоянии (после 30 мин отключения) сопротивление соответствует паспортному (3-50 Ом). В горячем состоянии (после работы) сопротивление высокое (несколько кОм).	Сопротивление постоянно очень высокое (обрыв) или очень низкое (короткое замыкание) независимо от температуры.

Области применения и особенности эксплуатации

Пусковые реле являются ключевым компонентом в системах с однофазными асинхронными двигателями:

• Холодильная и климатическая техника: Компрессоры бытовых и коммерческих холодильников, морозильников, кондиционеров, чиллеров. Наиболее распространенная область.
• Насосное оборудование: Скважинные, циркуляционные, дренажные насосы с однофазным питанием.
• Станки и оборудование: Заточные, сверлильные станки, вентиляционные установки малой и средней мощности.

Важные эксплуатационные аспекты: Реле должно быть установлено в правильной пространственной ориентации (обычно вертикально, клеммами вверх), как указано на корпусе, чтобы гравитация не влияла на движение сердечника. Необходимо обеспечить хороший теплоотвод, особенно для PTC-термисторов. Замена производится только на реле с идентичными или рекомендованными производителем двигателя параметрами.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается пусковое реле от контактора или магнитного пускателя?

Пусковое реле – специализированное устройство для однофазных двигателей, срабатывающее по конкретному параметру (току или напряжению) и предназначенное для коммутации только одной цепи – пусковой обмотки. Контактор/магнитный пускатель – устройство общего назначения для дистанционного включения/выключения силовых цепей по сигналу от кнопки, датчика или контроллера, обычно не имеет встроенной зависимости от параметров нагрузки.

Что будет, если пусковое реле не отключит пусковую обмотку?

Пусковая обмотка, рассчитанная на кратковременный режим работы, начнет перегреваться из-за высокого тока. Это приведет к термическому разрушению изоляции, межвитковому замыканию и, в конечном итоге, к полному сгоранию обмотки. Двигатель при этом будет работать с низким КПД, повышенным шумом и перегревом.

Можно ли заменить токовое реле на PTC-термистор и наоборот?

Прямая замена не всегда возможна. PTC-термистор подбирается по сопротивлению и току срабатывания под конкретный двигатель. Замена электромеханического реле на PTC часто возможна, но требует проверки по характеристикам двигателя. Обратная замена (PTC на токовое) сложнее, так как требует точной настройки тока срабатывания и отпускания, и без соответствующих данных может привести к повреждению двигателя.

Почему новое реле щелкает, но двигатель не запускается?

Щелчок указывает на срабатывание электромагнита реле. Причина может быть не в реле, а в других компонентах: неисправность пускового или рабочего конденсатора (если он есть), межвитковое замыкание или обрыв в обмотках двигателя, механическая заклинивание ротора. Необходима комплексная диагностика.

Как часто выходят из строя пусковые реле и каков их ресурс?

Ресурс электромеханических реле определяется в основном износом контактов (числом срабатываний) и составляет в среднем от 100 тыс. до 1 млн. циклов. На практике срок службы сокращают частые пуски, перегрузки, скачки напряжения и агрессивная среда. PTC-термисторы имеют больший механический ресурс, но их характеристики могут деградировать со временем из-за циклов нагрева-остывания.

Что такое реле с встроенной защитой от перегрузки?

Это комбинированные устройства, объединяющие в одном корпусе пусковое реле (токовое или напряженческое) и тепловое реле защиты. Тепловой элемент, обычно биметаллическая пластина, размыкает цепь питания обеих обмоток при длительной перегрузке или заклинивании ротора, предотвращая перегрев и возгорание. После остывания контакты защиты автоматически или вручную возвращаются в исходное положение.