Реле тепловые трехфазные
Реле тепловые трехфазные: устройство, принцип действия, выбор и применение
Трехфазное тепловое реле (ТР) – это электромеханическое или электронное устройство защиты, предназначенное для отключения трехфазного асинхронного электродвигателя при возникновении недопустимых перегрузок по току, а также при обрыве одной или двух фаз (неполнофазном режиме). Его основная функция – защита обмоток статора от перегрева и теплового разрушения изоляции, что напрямую влияет на срок службы электропривода. Тепловые реле не предназначены для защиты от коротких замыканий, для этой цели в цепь последовательно устанавливаются автоматические выключатели или предохранители.
Устройство и принцип действия биметаллического теплового реле
Наиболее распространенным типом является электромеханическое реле на основе биметаллической пластины. Конструктивно оно включает в себя следующие ключевые элементы:
- Биметаллические пластины (по одной на фазу): Сердечник устройства. Состоят из двух прочно соединенных металлов с разными коэффициентами линейного расширения. При нагреве пластина изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом.
- Нагревательные элементы: Последовательно включены в силовые цепи защищаемого двигателя. Протекающий ток нагрузки нагревает элемент, который, в свою очередь, передает тепло биметаллической пластине. В реле прямого нагрева ток проходит непосредственно через биметалл.
- Механизм толкателя (расцепителя): Преобразует изгиб биметаллической пластины в механическое перемещение.
- Система компенсации температуры окружающей среды: Дополнительная биметаллическая пластина или механическая регулировка, минимизирующая влияние внешней температуры на уставку срабатывания.
- Контакты управления (NO – нормально разомкнутый, NC – нормально замкнутый): NC-контакт включается в цепь катушки магнитного пускателя для его отключения, NO-контакт может использоваться для сигнализации.
- Устройство ручного/автоматического сброса: Позволяет вернуть реле в исходное состояние после остывания биметаллов.
- Регулятор уставки тока срабатывания (плавная или ступенчатая регулировка): Позволяет точно установить номинальный ток защищаемого двигателя в пределах рабочего диапазона реле.
- Измерительные трансформаторы: Обеспечивают гальваническую развязку и преобразование силового тока в низкий сигнал.
- Блок обработки сигнала (микропроцессор): Анализирует действующие значения токов, вычисляет тепловую модель двигателя, имитируя его нагрев и охлаждение.
- Программируемые уставки и функции: Позволяют задавать не только номинальный ток, но и класс срабатывания, время пуска, коэффициент несимметрии фаз, пороги защиты от обрыва фазы и заклинивания ротора.
- Цифровой интерфейс и индикация: Наличие дисплея для отображения тока, параметров, неисправностей. Возможность интеграции в системы АСУ ТП через интерфейсы (Modbus, Profibus).
- Выходные релейные и транзисторные ключи: Исполняющая часть устройства, отключающая пускатель.
- Монтаж производится на стандартную DIN-рейку или непосредственно на монтажную панель.
- Необходимо обеспечить естественную конвекцию воздуха вокруг реле для правильного теплообмена, особенно для биметаллических моделей.
- Сечение и тип подключаемых проводов должны соответствовать номинальному току реле.
- При использовании в цепях с частыми пусками, реверсом или динамическим торможением необходимо учитывать возможность «ложных» срабатываний из-за дополнительного нагрева и выбирать реле с соответствующим классом (20, 30) или использовать электронные модели с точными настройками.
- Надежность затяжки силовых и управляющих клемм.
- Отсутствие внешних повреждений и перегрева.
- Состояние контактов (для биметаллических).
- Правильность срабатывания путем имитации перегрузки (на специализированных стендах).
- Неверная установка уставки: Уставка тока ниже номинального тока двигателя. Проверить и отрегулировать.
- Влияние высокой температуры окружающей среды: Реле установлено вблизи источников тепла или в плохо вентилируемом шкафу. Обеспечить охлаждение или выбрать реле с более широким диапазоном температурной компенсации.
- Частые пуски: Накопление тепла в биметалле или в модели электронного реле. Выбрать реле более высокого класса (20, 30) или увеличить время пуска в электронном реле.
- Плохой контакт на клеммах: Приводит к локальному нагреву и передаче тепла на биметаллическую пластину. Проверить и затянуть соединения.
- Неисправность двигателя: Повышенный ток из-за износа подшипников, задевания ротора, межвиткового замыкания. Проверить двигатель.
- Класс 10 (6-10 сек): Для двигателей с легкими условиями пуска (насосы, вентиляторы) с временем разгона до 5-6 секунд.
- Класс 20 (10-20 сек): Для двигателей с тяжелыми пусками (конвейеры, компрессоры, мешалки) с временем разгона до 10-15 секунд.
- Класс 30 (20-40 сек): Для особо тяжелых пусков (дробилки, центрифуги, поршневые насосы) или для двигателей, работающих в режиме частых пусков.
Принцип действия основан на тепловом моделировании нагрева двигателя. При длительном превышении тока над установленным значением биметаллические пластины, нагреваясь, изгибаются и через толкатель воздействуют на механизм расцепителя. Это приводит к переключению контактов управления и разрыву цепи катушки пускателя. Время срабатывания обратно зависит от величины перегрузки: чем больше ток, тем быстрее срабатывает реле. После остывания пластин реле можно вернуть в исходное состояние.
Устройство и принцип действия электронного (микропроцессорного) теплового реле
Современная альтернатива биметаллическим устройствам. В них отсутствуют подвижные механические элементы, связанные с нагревом. Принцип действия основан на постоянном измерении тока в каждой фазе с помощью трансформаторов тока (ТТ) или датчиков Холла и его цифровой обработке микропроцессором.
Электронные реле обеспечивают более высокую точность, повторяемость, имеют широкий диапазон регулировок и дополнительные функции диагностики.
Ключевые характеристики и параметры выбора
Выбор трехфазного теплового реле осуществляется на основе параметров защищаемого электродвигателя и условий эксплуатации.
Таблица 1: Основные параметры для выбора теплового реле
| Параметр | Описание | Типичные значения/примеры |
|---|---|---|
| Номинальный ток нагревательного элемента (Iн) | Максимальный длительный ток, который реле может пропускать без срабатывания при номинальной температуре. Должен соответствовать току защищаемого оборудования. | Диапазон от 0.1 до 630 А и более. Выбирается в зависимости от номинального тока двигателя (Iдв). |
| Уставка тока срабатывания (Iуст) | Регулируемый ток, при котором реле сработает за время, определяемое времятоковой характеристикой. Обычно регулируется в пределах ±25% от Iн. | Устанавливается равным номинальному току двигателя, указанному на его шильдике. |
| Времятоковая характеристика (класс срабатывания) | Определяет время срабатывания реле в зависимости от кратности перегрузки. Ключевой параметр для обеспечения запуска двигателя. | Класс 10А: срабатывание при 7.2*Iн за 2-10 сек (для легких пусков). Класс 10: срабатывание за 2-10 сек (стандарт). Класс 20: срабатывание за 4-20 сек (для тяжелых пусков). Класс 30: срабатывание за 6-30 сек (для особо тяжелых пусков). |
| Напряжение управления | Напряжение вспомогательной цепи, в которую включаются контакты реле. | ~24В, ~110В, ~220В, ~380В; =24В, =110В и др. |
| Количество и тип контактов | Контакты для отключения пускателя (NC) и для сигнализации (NO). | 1НО + 1НЗ (стандартно), 2НЗ, 2НО+2НЗ и др. |
| Степень защиты (IP) | Определяет защиту от проникновения пыли и влаги. | IP00 (для установки в шкаф), IP20, IP40. |
| Температурная компенсация | Диапазон температур окружающей среды, в котором уставка реле остается стабильной. | Обычно от -20°C до +60°C. |
| Функция защиты от обрыва фазы | Наличие и чувствительность функции. В биметаллических реле реализуется за счет дифференциального механизма. | Обязательная функция. Срабатывание при перекосе фаз более 30-50%. |
Таблица 2: Сравнение биметаллических и электронных тепловых реле
| Критерий | Биметаллическое реле | Электронное (микропроцессорное) реле |
|---|---|---|
| Принцип действия | Тепловой нагрев биметалла | Цифровое моделирование теплового процесса |
| Точность и повторяемость | Средняя, зависит от температуры среды, «усталости» металла | Высокая, стабильная |
| Диапазон регулировок | Ограничен (в основном Iуст) | Широкий (Iуст, класс, время пуска, пороги асимметрии) |
| Защита от обрыва фазы | Есть, но менее чувствительная | Есть, с точной настройкой порога |
| Индикация и диагностика | Минимальная (флажок срабатывания) | Ток по фазам, причина срабатывания, предупреждения |
| Интеграция в АСУ | Нет | Да, через цифровые интерфейсы |
| Стойкость к вибрации | Ниже (механическая система) | Выше |
| Цена | Ниже | Выше |
| Требование питания | Не требуется (автономное) | Требуется вспомогательное питание (не всегда) |
Схемы подключения и особенности монтажа
Тепловое реле всегда устанавливается после контактора магнитного пускателя и перед электродвигателем. Его силовые контакты (клеммы 1L1-2T1, 3L2-4T2, 5L3-6T3) включены последовательно в разрыв каждой из трех фаз. Нормально замкнутый (NC) контакт (обозначаемый, как правило, 95-96) включается в цепь управления катушки пускателя последовательно с кнопкой «Стоп». При срабатывании реле этот контакт размыкается, разрывая цепь катушки и отключая пускатель.
Важные правила монтажа:
Настройка, эксплуатация и проверка
Настройка заключается в установке регулятора уставки тока на значение, равное номинальному току двигателя (Iдв). Для электронных реле дополнительно настраиваются: класс срабатывания, время пуска (допустимое время разгона без срабатывания), уровень защиты от дисбаланса фаз.
В процессе эксплуатации необходимо периодически проверять:
После аварийного отключения повторное включение возможно только после полного остывания тепловой модели двигателя (индикатор на реле). Причину перегрузки необходимо устранить.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Почему тепловое реле срабатывает при нормальном токе двигателя?
2. В чем разница между тепловым реле и автоматическим выключателем с тепловым расцепителем?
Автоматический выключатель (АВ) предназначен для защиты кабельной линии от перегрузок и КЗ. Его тепловой расцепитель калибруется на номинальный ток кабеля. Тепловое реле специализировано для защиты двигателя: его времятоковая характеристика точно повторяет кривую нагрева электродвигателя, позволяя пропускать пусковые токи, и обеспечивает защиту от обрыва фазы, что АВ делает менее эффективно. В схемах управления двигателем они используются совместно: АВ защищает линию и обеспечивает защиту от КЗ, а ТР – от перегрузок.
3. Как правильно выбрать класс срабатывания теплового реле (10, 20, 30)?
Класс определяет время срабатывания при 7.2-кратной перегрузке (условно – пусковом токе).
4. Можно ли использовать трехфазное тепловое реле для защиты однофазного двигателя или другой нагрузки?
Для защиты однофазного двигателя следует использовать специальное однофазное реле. Использование трехфазного неэффективно, так как ток будет протекать только через один полюс, и защита от дисбаланса фаз окажется бесполезной. Для защиты осветительных или нагревательных цепей применение ТР нецелесообразно, так как их нагрузка не имеет пусковых бросков тока. Здесь применяются автоматические выключатели.
5. Что такое функция «Test» (тест) на электронном реле и как часто нужно проверять срабатывание?
Функция «Test» имитирует условие перегрузки и проверяет исправность логики обработки и выходного контакта реле без подачи реального тока. Это проверка именно электронной части. Механическую часть биметаллического реле таким способом не проверить. Проверку работоспособности всей цепи защиты (пускатель + реле) рекомендуется проводить по графику планово-предупредительного ремонта (ППР), но не реже 1 раза в 6-12 месяцев, а также после каждого серьезного срабатывания. Полную характеристику срабатывания с измерением времени при различных перегрузках проводят на специальных стендах.
Заключение
Трехфазное тепловое реле остается критически важным и востребованным элементом в схемах управления асинхронными электродвигателями. Несмотря на рост популярности частотных преобразователей, имеющих встроенные защиты, применение реле в паре с магнитными пускателями в простых и надежных схемах массово распространено. Правильный выбор типа реле (биметаллическое или электронное), его номинальных параметров и класса срабатывания, грамотный монтаж и настройка под конкретный двигатель и условия его пуска – обязательные условия для обеспечения долговечной и безотказной работы электропривода. Современный тренд смещается в сторону цифровых устройств, которые благодаря своей гибкости, точности и диагностическим возможностям позволяют реализовать более качественную защиту и снизить риски дорогостоящих простоев из-за выхода из строя электродвигателя.