Реле тепловое

Реле тепловое: принцип действия, конструкция, типы, расчет и применение

Реле тепловое (тепловое реле, расцепитель тепловой) – это электромеханический аппарат защиты, предназначенный для отключения электрооборудования, преимущественно асинхронных электродвигателей, при возникновении недопустимых перегрузок по току. Его основная функция – защита от перегрева обмоток, вызванного длительным протеканием тока, превышающего номинальный. В отличие от мгновенных электромагнитных расцепителей, тепловое реле реализует выдержку времени, обратно зависимую от величины тока перегрузки, что позволяет корректно согласовать время срабатывания защиты с тепловой стойкостью защищаемого объекта.

Принцип действия и физические основы

Принцип действия основан на явлении теплового расширения материалов при нагреве. Нагрев происходит за счет выделения тепловой энергии (по закону Джоуля-Ленца) при протекании тока через чувствительный элемент – биметаллическую пластину или специальный нагреватель. Биметаллическая пластина состоит из двух прочно соединенных металлических полос с различными коэффициентами линейного расширения. При нагреве пластина изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом расширения. Этот изгиб через механическую систему (толкатель, рычаг) воздействует на контактную группу, вызывая ее переключение. Чем больше ток перегрузки, тем интенсивнее нагрев и быстрее изгиб, что и обеспечивает обратно-зависимую выдержку времени.

Конструкция и основные компоненты

Типичное тепловое реле состоит из следующих ключевых элементов:

• Биметаллические пластины (пластины): Сердце устройства. Могут нагреваться непосредственно током нагрузки (прямой нагрев) или от отдельного нагревательного элемента (косвенный нагрев). Современные реле чаще используют комбинированный нагрев.
• Нагревательный элемент: Представляет собой резистивный проводник, намотанный на изоляционный каркас или размещенный вблизи биметалла. Изготавливается из сплавов с высоким удельным сопротивлением (нихром, константан). Нагреватели часто являются сменными для регулирования номинального тока реле.
• Механизм расцепления (толкатель, рычаг): Передает движение от изогнувшейся биметаллической пластины к контактной системе.
• Контактная группа (сигнальные контакты): Включает нормально-замкнутый (NC, размыкающий) и нормально-разомкнутый (NO, замыкающий) контакты. НЗ контакт используется в цепи катушки магнитного пускателя для его отключения, НО – для сигнализации.
• Механизм регулировки тока уставки (плавная или ступенчатая): Позволяет в определенном диапазоне изменять расстояние между биметаллом и толкателем, тем самым корректируя ток срабатывания.
• Устройство компенсации температуры окружающей среды: Дополнительная биметаллическая пластина или специальный механизм, минимизирующий влияние внешней температуры на ток и время срабатывания.
• Кнопка или рычаг управления: Для ручного сброса («RESET») после срабатывания и перевода контактов в исходное состояние. Существуют реле с автоматическим возвратом (после остывания биметалла).
• Испытательная (тестовая) кнопка: Для имитации срабатывания и проверки механической части.

Классификация и типы тепловых реле

По способу нагрева биметалла:

• С прямым нагревом: Ток нагрузки протекает непосредственно через биметаллическую пластину. Простая конструкция, но меньшая чувствительность и стабильность.
• С косвенным нагревом: Биметалл нагревается от отдельного нагревательного элемента, через который проходит ток нагрузки. Более распространенная схема.
• С комбинированным нагревом: Сочетает оба способа, что улучшает время-токовые характеристики.

По наличию компенсации окружающей температуры:

• Компенсированные: Имеют устройство, минимизирующее влияние температуры окружающей среды в рабочем диапазоне (обычно от -20°C до +40°C).
• Некомпенсированные: Ток срабатывания существенно зависит от температуры окружающего воздуха.

По способу возврата в исходное состояние:

• С самовозвратом: Контакты возвращаются в исходное положение автоматически после остывания биметалла. Требует контроля со стороны оператора.
• С ручным возвратом: Возврат осуществляется нажатием кнопки только после устранения причины перегрузки и остывания реле. Более безопасный и распространенный вариант.

По функциональному исполнению:

• Независимые (универсальные) реле: Устанавливаются отдельно от пускателей, имеют собственный корпус и клеммы.
• Присоединяемые реле (аппараты защиты двигателей): Предназначены для механического присоединения к конкретным сериям магнитных пускателей (например, реле серии РТТ, РТИ, LR2, TDR).
• Встроенные расцепители: Являются частью конструкции автоматических выключателей двигателей (мотор-автоматов) или модульных автоматических выключателей.

Время-токовые характеристики (ВТХ) и их анализ

Время-токовая характеристика – это зависимость времени срабатывания реле от величины протекающего через него тока. Она является основной технической характеристикой. Для тепловых реле защиты двигателей стандартизированы несколько классов (типов) ВТХ, определяющих зону срабатывания.

Классы (типы) время-токовых характеристик тепловых реле

Класс (Тип) ВТХ	Область применения	Время срабатывания при 7.2 x Iн	Описание
10A	Двигатели с легкими условиями пуска (насосы, вентиляторы).	2 – 10 с	Быстродействующая характеристика.
10	Стандартные асинхронные двигатели с прямым пуском.	2 – 10 с	Наиболее распространенный класс.
20	Двигатели с тяжелыми условиями пуска (дробилки, мельницы, транспортеры).	4 – 20 с	Позволяет выдерживать длительные пусковые токи.
30	Двигатели с очень тяжелыми условиями пуска (поршневые компрессоры, центрифуги).	6 – 30 с	Максимальная стойкость к пусковым токам.

Характеристика является обратно-зависимой и имеет вид гиперболы. Важными точками на ВТХ являются:

• Зона несрабатывания: При токах до 1.05 x Iн реле не должно срабатывать неограниченно долго.
• Зона срабатывания: При токах 1.2 x Iн реле должно сработать в течение времени, указанного в характеристике (обычно менее часа). При токах 1.5 x Iн – за время несколько минут. При токах 7.2 x Iн – за время, соответствующее классу ВТХ (см. таблицу).

Расчет и выбор теплового реле

Выбор осуществляется по нескольким ключевым параметрам:

1. Номинальный ток нагревательного элемента (Iн): Должен соответствовать номинальному току защищаемого электродвигателя (Iдв), указанному на его шильдике. Как правило, выбирается из стандартного ряда: 0.11, 0.16, 0.25, 0.4, 0.63, 1, 1.6, 2.5, 4, 6.3, 10, 16, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160 А и т.д.
2. Диапазон регулировки уставки: Должен перекрывать рабочий ток двигателя с учетом возможных колебаний. Обычно регулировка составляет ±15-25% от номинала нагревателя.
3. Класс ВТХ (10, 20, 30): Выбирается исходя из условий пуска и инерции механизма. Время пуска двигателя (tпуск) должно быть меньше времени срабатывания реле при пусковом токе (Iпуск ≈ 5-7 x Iдв).
4. Напряжение цепи управления: На которое рассчитана контактная группа (обычно ~24-660 В).
5. Наличие компенсации: Обязательно для установок, где температура окружающей среды может значительно отклоняться от +20°C.
6. Способ монтажа: Совместимость с магнитным пускателем (для присоединяемых реле) или возможность самостоятельной установки.

Пример упрощенного выбора: Для двигателя мощностью 5.5 кВт, 380 В, Iдв = 11 А, с легким пуском (вентилятор).
Выбираем реле с Iн = 12.5 А (ближайшее стандартное значение). Уставка регулируется в диапазоне 10-12.5 А. Класс ВТХ – 10А или 10. Проверяем условие пуска: Iпуск = 11

• 6.5 = 71.5 А. Для класса 10 время срабатывания при 7.2 x Iн (86.4 А) составляет 2-10 с. Пуск вентилятора длится 3-5 с, что меньше времени срабатывания – условие выполняется.

Схемы подключения

Тепловое реле всегда включается последовательно в силовую цепь двигателя после магнитного пускателя. Его силовые контакты (клеммы 1/L1-2/T1, 3/L2-4/T2, 5/L3-6/T3) пропускают через себя фазные токи двигателя. Нормально-замкнутый (NC) вспомогательный контакт (обозначаемый, как правило, 95-96) включается в цепь управления последовательно с катушкой пускателя. При срабатывании реле этот контакт размыкается, обесточивая катушку и отключая пускатель. Нормально-разомкнутый контакт (NO, 97-98) может использоваться для подачи сигнала в систему АСУ ТП или световой сигнализации.

Обслуживание, проверка и диагностика

• Внешний осмотр: Проверка отсутствия механических повреждений, следов перегрева, подгаров на клеммах.
• Проверка механизма сброса: Работоспособность кнопки «RESET».
• Проверка уставки: Сверка установленного значения тока с паспортными данными двигателя.
• Электрическая проверка: Измерение сопротивления изоляции. Проверка срабатывания с помощью испытательной кнопки.
• Контроль состояния контактов: Очистка от окислов, проверка силы нажатия.
• Проверка времени срабатывания (при наличии оборудования): С помощью специальных испытательных установок, подающих ток перегрузки и фиксирующих время отключения.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота и надежность конструкции.
• Низкая стоимость.
• Наличие обратно-зависимой выдержки времени, идеально подходящей для защиты двигателей от перегрузки.
• Устойчивость к кратковременным броскам тока (пусковым токам) при правильном выборе класса ВТХ.

Недостатки:

• Зависимость характеристик от температуры окружающей среды (у некомпенсированных моделей).
• «Усталость» биметалла при частых перегрузках, приводящая к изменению ВТХ.
• Неспособность защитить от короткого замыкания (требуется установка предохранителей или автоматических выключателей с электромагнитным расцепителем).
• Однофазный режим (обрыв фазы) обнаруживается только при значительной перегрузке оставшихся фаз, не всегда эффективно.
• Относительно низкая точность по сравнению с электронными защитными устройствами.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему тепловое реле не защищает от короткого замыкания?

Биметаллическая пластина обладает значительной тепловой инерцией. При токах КЗ (в сотни и тысячи ампер) время, необходимое для ее нагрева и изгиба (десятки-сотни миллисекунд), неприемлемо велико. За это время проводка и обмотки двигателя будут необратимо повреждены. Поэтому защиту от КЗ обеспечивают предохранители или электромагнитные расцепители автоматических выключателей, срабатывающие за время менее 0.1 с.

2. Как правильно настроить (отрегулировать) уставку тока на реле?

Уставка выставляется регулятором на лицевой панели по шкале в амперах. Исходное значение – номинальный ток двигателя (Iдв). После первого запуска двигателя под нагрузкой, в нормальном рабочем режиме, необходимо проверить фактический ток по фазам с помощью клещей. Если он стабилен и близок к Iдв, уставку можно оставить. Если рабочий ток отличается, уставку корректируют до этого значения. Важно, чтобы рабочий ток не превышал 1.05 x Iуст.

3. Что делать, если тепловое реле срабатывает без видимой перегрузки двигателя?

Возможные причины: 1) Неправильная уставка (занижена) – проверить и откорректировать. 2) Неисправность реле («усталость» биметалла, заедание механизма) – заменить. 3) Повышенная температура окружающей среды (для некомпенсированных реле) – обеспечить вентиляцию или установить компенсированное реле. 4) Плохой контакт на клеммах реле или пускателя, вызывающий локальный нагрев. 5) Обрыв фазы – проверить напряжение и ток по всем фазам.

4. В чем отличие теплового реле от электронного защитного устройства (УЗО двигателя, софтстартера со встроенной защитой)?

Электронные устройства используют микропроцессоры и датчики тока (трансформаторы тока). Они обладают более высокой точностью, стабильностью характеристик, не зависят от температуры среды, имеют широкий набор функций (защита от обрыва фазы, дисбаланса токов, заклинивания ротора, контроль изоляции). Однако они существенно дороже и сложнее. Тепловое реле остается экономически оптимальным решением для стандартных задач защиты двигателей небольшой и средней мощности.

5. Можно ли использовать одно трехполюсное тепловое реле для защиты двигателя при несимметричной нагрузке?

Да, стандартное трехполюсное реле реагирует на нагрев, вызванный током в каждой из фаз. При значительном перекосе фаз (обрыв одной, несимметрия напряжения) ток в одной или двух фазах возрастает, вызывая более быстрый нагрев соответствующей биметаллической пластины и срабатывание реле. Однако для эффективной защиты от незначительного, но длительного дисбаланса (более 30%) предпочтительнее использовать электронные устройства с функцией защиты от перекоса фаз.

6. Как часто нужно проверять и обслуживать тепловые реле?

Плановый осмотр и проверку механического срабатывания (тестовой кнопкой) рекомендуется проводить не реже 1 раза в 6 месяцев. Проверку уставки и времени срабатывания с помощью измерительного оборудования – не реже 1 раза в 2 года, а также после каждого срабатывания на перегрузку. В условиях интенсивной эксплуатации и частых пусков/остановов периодичность проверок следует увеличить.

Заключение

Тепловое реле остается фундаментальным, проверенным временем аппаратом защиты асинхронных электродвигателей от перегрузок. Его эффективность основана на физическом моделировании процесса нагрева обмоток. Понимание принципов работы, характеристик, правил выбора и настройки является обязательным для инженерно-технического персонала, занимающегося проектированием, монтажом и эксплуатацией электропривода. Несмотря на появление современных электронных аналогов, благодаря своей надежности, простоте и низкой стоимости, тепловые реле продолжают массово применяться в промышленности и инфраструктуре, составляя основу защиты стандартных электродвигателей.