Пускатели с тепловым реле

Пускатели с тепловым реле: устройство, принцип действия, выбор и эксплуатация

Пускатель с тепловым реле (магнитный пускатель в сборе с тепловым реле перегрузки) представляет собой ключевой аппарат низковольтной коммутации и защиты, предназначенный для дистанционного пуска, остановки и защиты трехфазных асинхронных электродвигателей. Его основная функция — коммутация силовых цепей и обеспечение защиты двигателя от длительных токовых перегрузок, вызывающих недопустимый перегрев обмоток, их разрушение и выход из строя. Конструктивно это комбинация двух основных устройств: электромагнитного пускателя (контактора) и непосредственно теплового реле, механически и электрически связанных между собой.

Конструкция и основные компоненты

Устройство состоит из двух функционально самостоятельных, но смонтированных в едином комплекте модулей.

1. Электромагнитный пускатель (контактор)

Выполняет функцию силового коммутационного аппарата. Его основные элементы:

• Магнитная система: Состоит из неподвижной части (сердечник) и подвижного якоря. Изготавливается из наборных стальных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.
• Электромагнитная катушка: Медная обмотка, рассчитанная на определенное напряжение управления (24В, 36В, 110В, 220В, 380В). При подаче напряжения создает магнитный поток, притягивающий якорь.
• Силовая контактная система: Три пары главных нормально разомкнутых (замыкающихся) контактов для коммутации силовых цепей двигателя. Контакты изготавливаются из материалов с высокой износостойкостью и электропроводностью (серебросодержащие композиты, металлокерамика).
• Блок-контакты (вспомогательные контакты): Используются в цепях управления, сигнализации и блокировок. Могут быть нормально разомкнутыми (NO) и нормально замкнутыми (NC).
• Дугогасительная система: Гасит электрическую дугу, возникающую при размыкании контактов под нагрузкой. В пускателях на токи до 100А обычно используется камера с деионной решеткой.
• Возвратная пружина: Обеспечивает возврат якоря и размыкание силовых контактов при обесточивании катушки.

2. Тепловое реле перегрузки (ТРП)

Выполняет функцию защиты от перегрузки. Конструктивно включает:

• Биметаллические пластины (по одной на фазу): Основной чувствительный элемент. Состоит из двух прочно соединенных металлов с разным коэффициентом линейного расширения. При нагреве проходящим током пластина изгибается.
• Нагревательный элемент: Последовательно включен в цепь двигателя. Нагрев биметалла происходит как за счет тепла от нагревательного элемента (косвенный нагрев), так и за счет непосредственного прохождения тока через пластину (прямой нагрев) в комбинированных моделях.
• Механизм расцепителя: Преобразует изгиб биметаллической пластины в механическое перемещение, воздействующее на контактную группу.
• Контактная группа: Нормально замкнутый (NC) контакт, включенный последовательно в цепь катушки пускателя, и нормально разомкнутый (NO) контакт для сигнализации. При срабатывании реле NC-контакт размыкается, обесточивая пускатель, а NO-контакт замыкается.
• Устройство регулировки тока уставки: Позволяет в определенном диапазоне (обычно ±25% от номинала) устанавливать ток срабатывания.
• Кнопка или рычаг возврата: Для ручного возврата контактов в исходное состояние после остывания биметалла. Может быть с автоматическим или ручным возвратом (режим «AUTO/RESET»).
• Кнопка тестовой имитации срабатывания («Test»): Для проверки механической исправности реле.
• Дифференциальный механизм (в 3-полюсных реле): Обеспечивает срабатывание при перегрузке любой из фаз, предотвращая ложные отключения при обрыве одной фазы.

Принцип действия и характеристики срабатывания

При протекании тока нагрузки, превышающего установленное значение, через нагревательный элемент и биметаллические пластины теплового реле, происходит их нагрев. Биметаллическая пластина, изгибаясь, через определенное время воздействует на механизм расцепителя, который размыкает нормально замкнутый вспомогательный контакт в цепи управления пускателем. Катушка пускателя обесточивается, силовые контакты размыкаются, отключая двигатель от сети. Время срабатывания обратно зависит от величины перегрузки: чем больше ток, тем быстрее срабатывает реле. Эта зависимость описывается время-токовой характеристикой (ВТХ).

Тепловое реле обладает инерционностью, что является его важнейшим свойством. Оно не срабатывает на кратковременные и допустимые токовые броски (например, пусковые токи двигателя, которые могут в 5-8 раз превышать номинальный). Защитная характеристика теплового реле должна располагаться ниже характеристики перегрузочной способности защищаемого двигателя.

Пример зависимости времени срабатывания от тока перегрузки (класс 10А)

Кратность тока (I/Iном)	Время срабатывания	Примечание
1.05	Более 2 часов	Не срабатывает в установившемся режиме
1.2	Менее 2 часов	Стандартная точка проверки
1.5	От 45 сек до 2 мин	Защита от умеренной перегрузки
6.0	Более 3 сек	Защита от тяжелой перегрузки, но с выдержкой времени для исключения реакции на пуск

Класс срабатывания определяет время до срабатывания при 7.2-кратном токе. Наиболее распространены:

• Класс 10А: Срабатывание за 2-10 секунд. Стандартный класс для двигателей общего назначения.
• Класс 20: Срабатывание за 4-20 секунд. Для двигателей с повышенным моментом инерции или тяжелыми условиями пуска.
• Класс 30: Срабатывание за 6-30 секунд. Для специальных приводов с очень длительным временем разгона.

Критерии выбора пускателя с тепловым реле

Правильный выбор аппарата определяет надежность и долговечность как самого пускателя, так и защищаемого электродвигателя.

1. Выбор номинального тока пускателя и теплового реле

Основной параметр — номинальный рабочий ток двигателя (I_ном.дв), указанный на его шильдике. Выбор производится в следующем порядке:

• Тепловое реле: Номинальный ток реле (I_ном.тп) выбирается равным или ближайшим большим к I_ном.дв. Ток уставки затем регулируется в диапазоне ±25% для точной настройки на I_ном.дв. Для двигателей с тяжелым пуском (поршневые компрессоры, центрифуги) рекомендуется выбирать реле на одну ступень выше, но с соответствующей регулировкой уставки.
• Пускатель (контактор): Выбирается по категории применения. Для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором основная категория — АС-3 (пуск, отключение двигателя без тока, работа в номинальном режиме). Номинальный ток контактора для категории АС-3 должен быть не менее I_ном.дв. Для частых пусков (более 30 в час) или тяжелых режимов (АС-4 — пуск, торможение противовключением) необходим запас по току.

Пример соответствия пускателей и тепловых реле для защиты двигателей ~380В, 50Гц (категория АС-3)

Мощность двигателя, кВт	Номинальный ток двигателя, А (прибл.)	Типоразмер пускателя (пример)	Номинальный ток контактора, А (АС-3)	Диапазон регулировки теплового реле, А
4.0	8.5	ПМЛ-1100	12.5	7-10
7.5	15.5	ПМЛ-2100	25	14-18
11.0	22.5	ПМЛ-3100	32	19-25
15.0	30.5	ПМЛ-4100	40	25-32
18.5	37.5	ПМЛ-5100	50	30-38

2. Напряжение катушки управления

Выбирается в соответствии с цепью управления. Стандартные значения: 24В AC/DC, 110В, 220В, 380В AC.

3. Наличие и тип вспомогательных контактов

Проверяется достаточность нормально разомкнутых и нормально замкнутых контактов для реализации схемы управления (самоподхват, сигнализация, блокировки). При необходимости используются приставки с дополнительными контактами.

4. Климатическое исполнение и степень защиты (IP)

Для установки в шкафу управления достаточно IP00 или IP20. Для монтажа в местах с возможным попаданием пыли и брызг требуется IP54, IP65.

Схемы подключения и особенности монтажа

Стандартная схема подключения нереверсивного пускателя с тепловым реле включает две цепи: силовую и цепь управления.

• Силовая цепь: Трехфазное питание (L1, L2, L3) подается на входные клеммы пускателя (часто обозначаются 1L1, 3L2, 5L3). Выход пускателя (2T1, 4T2, 6T3) соединяется с входными клеммами теплового реле. Выходные клеммы реле подключаются к клеммам электродвигателя.
• Цепь управления: Питание катушки (А1, А2) организуется через цепь кнопок «Пуск» (нормально разомкнутая) и «Стоп» (нормально замкнутая), а также через нормально замкнутый контакт теплового реле (95-96 или NC). При нажатии «Пуск» катушка получает питание, пускатель включается, и его блок-контакт (NO) шунтирует кнопку «Пуск», осуществляя самоподхват. При срабатывании теплового реле контакт 95-96 размыкается, разрывая цепь катушки и отключая пускатель.

Важные требования при монтаже:

• Строго соблюдать момент затяжки клемм, указанный производителем.
• Обеспечивать естественную конвекцию воздуха вокруг аппарата для отвода тепла. Не монтировать вплотную друг к другу.
• При использовании в одном шкафу нескольких пускателей устанавливать их с зазором или использовать специальные теплоотводящие перегородки.
• При подключении гибких многопроволочных проводников обязательно использовать наконечники.
• Настройку тока уставки теплового реле производить по фактическому номинальному току двигателя под нагрузкой, используя токоизмерительные клещи.

Обслуживание, диагностика неисправностей и тестирование

Регулярное техническое обслуживание повышает надежность и продлевает срок службы аппарата.

• Визуальный осмотр: Проверка на отсутствие механических повреждений, следов перегрева (оплавление, изменение цвета пластика), загрязнения, коррозии.
• Очистка: Удаление пыли и загрязнений с помощью сжатого воздуха низкого давления. Контакты при сильном подгаре зачищаются специальным напильником или заменяются.
• Проверка механической части: Контроль свободного хода подвижных частей, отсутствия заеданий, состояния пружин.
• Проверка изоляции: Измерение сопротивления изоляции мегомметром (напряжение 500-1000В) между силовыми выводами, а также между выводами и землей. Значение должно быть не менее 1 МОм.
• Проверка теплового реле: Имитация срабатывания кнопкой «Test». Проверка тока уставки с помощью первичного (прогон номинального и повышенного тока через силовые полюса) или вторичного (с помощью специальных испытательных наборов) метода.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем разница между тепловым реле и автоматическим выключателем с тепловым расцепителем? Почему нельзя защищать двигатель только автоматом?

Автоматический выключатель (АВ) с характеристикой «D» или «K» может использоваться для защиты от КЗ и, с оговорками, от перегрузки. Однако тепловое реле имеет важные преимущества: более точную и плавную регулировку тока уставки под конкретный двигатель; возможность ручного или автоматического возврата после срабатывания (АВ требует ручного взвода); наличие раздельных сигнальных контактов; лучшую совместимость с пускателем. Чаще используется комбинация: АВ — защита от КЗ, тепловое реле — защита от перегрузки.

2. Почему тепловое реле не срабатывает при обрыве одной фазы?

При обрыве одной фазы трехфазный двигатель переходит в однофазный режим. Токи в двух оставшихся фазах резко возрастают (до 1.73 раза от номинального). Качественное трехполюсное тепловое реле с дифференциальным механизмом на такой перекос должно сработать, так как перегрузка по току в двух фазах будет значительной. Однако время срабатывания может быть велико. Для гарантированной защиты от обрыва фазы рекомендуется использовать специальные реле контроля фаз.

3. Как правильно настроить ток уставки теплового реле?

Идеальный способ — измерение фактического тока полной нагрузки двигателя во время его нормальной работы с помощью токоизмерительных клещей. Регулятор на реле устанавливается на это значение. Если измерение невозможно, уставка выставляется по номинальному току с шильдика двигателя. После настройки необходимо дать двигателю поработать в нормальном режиме и убедиться в отсутствии ложных срабатываний.

4. Можно ли использовать одно тепловое реле для защиты двух параллельно включенных двигателей?

Категорически не рекомендуется. Ток уставки реле будет равен сумме номинальных токов двигателей. При перегрузке или заклинивании ротора только одного двигателя общий ток может не достичь уставки, и поврежденный двигатель не будет отключен. Каждый двигатель должен быть защищен собственным тепловым реле.

5. Что означает класс срабатывания 10, 20, 30? Какой выбрать?

Класс указывает время срабатывания при 7.2Iн. Класс 10 (стандартный) подходит для большинства двигателей. Класс 20 и 30 выбирают для электродвигателей с длительным временем пуска (например, приводы вентиляторов с большим маховым моментом, центробежные сепараторы, конвейеры под большой нагрузкой), чтобы реле не срабатывало во время разгона.

6. Почему после срабатывания теплового реле нельзя сразу его включить?

После срабатывания биметаллическая пластина горячая и находится в изогнутом состоянии. Для возврата контактов в исходное положение необходимо, чтобы пластина остыла и приняла первоначальную форму. Принудительный возврат (если он механически возможен) и повторное включение на горячую могут привести к неточной работе, повреждению механизма и отсутствию защиты, так как реле может сработать при токе ниже уставки. Необходимо выдержать паузу 3-5 минут для остывания.

7. В чем отличие реле с ручным (H) и автоматическим (A) возвратом?

При срабатывании реле с режимом «AUTO» (автоматический возврат) его контакты возвращаются в исходное состояние самостоятельно после остывания биметалла. В режиме «RESET» (ручной возврат) для восстановления цепи необходимо нажать кнопку возврата. Для безопасности персонала и оборудования, а также для визуальной фиксации факта срабатывания, в схемах управления двигателями практически всегда используется режим ручного возврата.

Заключение

Пускатель с тепловым реле остается неотъемлемым и технически обоснованным решением для управления и защиты асинхронных электродвигателей в промышленных условиях. Его эффективность базируется на четком соответствии время-токовой характеристики реле перегрузочной способности двигателя. Правильный выбор, настройка, монтаж и регулярное обслуживание данного аппаратного комплекса являются критически важными для обеспечения бесперебойной работы технологического оборудования, предотвращения дорогостоящих простоев и аварий, вызванных выходом из строя электропривода. Понимание принципов работы, характеристик и ограничений теплового реле позволяет инженерно-техническому персоналу грамотно эксплуатировать электроустановки и оперативно устранять возникающие неисправности.