Реле тока тепловые

Реле тока тепловые: принцип действия, конструкция, расчет и применение

Тепловое реле тока (ТРТ), часто называемое тепловым расцепителем или реле перегрузки, является электромеханическим аппаратом защиты, предназначенным для отключения электрооборудования, преимущественно асинхронных электродвигателей, при возникновении недопустимых по величине и длительности токовых перегрузок. Его основная функция – имитация теплового состояния защищаемого объекта, предотвращение перегрева обмоток, изоляции и токоведущих частей, что является основной причиной выхода оборудования из строя. Защита от токов короткого замыкания не является задачей ТРТ, для этого используются автоматические выключатели с электромагнитными расцепителями или предохранители.

Принцип действия и физические основы

Принцип действия основан на физическом явлении теплового расширения материалов при нагреве протекающим электрическим током. Ток, превышающий номинальный, протекает через чувствительный элемент реле, вызывая его нагрев. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока (закон Джоуля-Ленца: Q = I²Rt). Это тепло передается биметаллической пластине или специальному сплаву, который, деформируясь, через механическую систему воздействует на силовые контакты или независимый расцепитель. Время срабатывания обратно зависит от величины перегрузки: чем выше ток, тем быстрее происходит нагрев и деформация, и тем быстрее реле отключает цепь. Эта зависимость называется время-токовой характеристикой (ВТХ).

Конструктивное исполнение

Современные тепловые реле состоят из нескольких ключевых узлов:

• Чувствительный элемент (тепловой расцепитель): Биметаллическая пластина, состоящая из двух прочно соединенных металлов с разными коэффициентами линейного расширения (например, инвар и нихром). При нагреве пластина изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом. В некоторых конструкциях используется сплав с точкой плавления (эвтектический сплав), который при перегреве плавится, освобождая механизм.
• Система нагрева: Бывает двух типов: косвенного нагрева (биметаллическая пластина нагревается от отдельной нагревательной спирали, через которую протекает ток нагрузки) и прямого нагрева (ток нагрузки протекает непосредственно через биметалл, что повышает быстродействие и точность). В мощных реле применяется комбинированный (прямой + косвенный) нагрев.
• Механизм расцепления: Преобразует механическое движение биметаллической пластины в воздействие на контактную систему. Включает в себя рычаги, пружины, защелки.
• Контактная система: Как правило, включает в себя нормально замкнутый (NC, 95-96) и нормально разомкнутый (NO, 97-98) вспомогательные контакты. Контакт NC используется в цепи управления двигателем для разрыва цепи катушки магнитного пускателя. Контакт NO может использоваться для сигнализации.
• Устройство регулировки тока срабатывания (плавная или ступенчатая): Позволяет в определенном диапазоне (обычно ±25% от номинального тока) корректировать уставку с учетом фактических условий эксплуатации.
• Кнопка или рычаг управления: Для ручного сброса (возврата в исходное состояние после срабатывания) и тестирования механизма. Различают реле с ручным возвратом (требуют остывания биметалла и ручного нажатия) и с самовозвратом (автоматически возвращаются в исходное состояние после остывания).
• Дополнительные элементы: Компенсационная биметаллическая пластина для минимизации влияния температуры окружающей среды, механизм защиты от обрыва фазы (разбаланса токов), кнопка перевода из режима «Авто» в режим «Ручной».

Время-токовые характеристики (ВТХ) и их классификация

ВТХ – это графическая зависимость времени срабатывания реле от величины протекающего через него тока. Характеристики стандартизированы по международным (IEC) и национальным стандартам (ГОСТ). Основные классы:

Классы расцепления тепловых реле для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Класс	Время срабатывания при 7.2 x Iн	Область применения
10A	2 – 10 с	Двигатели, не допускающие больших пусковых токов и времени разгона (например, при частых пусках, с центробежными нагрузками).
10	4 – 10 с	Стандартные двигатели общего назначения, где пусковые условия умеренные.
20	6 – 20 с	Двигатели с повышенным моментом инерции, длительным временем пуска (вентиляторы, центробежные насосы, компрессоры).
30	9 – 30 с	Двигатели с очень тяжелыми условиями пуска (поршневые насосы, мешалки, подъемные механизмы).

Выбор класса определяется временем пуска двигателя и его тепловой стойкостью. Реле должно не срабатывать во время штатного пуска, но гарантированно отключать нагрузку при длительной перегрузке.

Расчет и выбор теплового реле

Выбор ТРТ является критически важным этапом проектирования защиты. Процесс включает несколько шагов:

1. Определение номинального тока защищаемого оборудования (Iн): Для электродвигателя – берется из паспортной таблички. Для другой нагрузки – рассчитывается по мощности и напряжению.
2. Учет условий окружающей среды и монтажа: При высокой температуре окружающей среды или установке в замкнутом пространстве с плохой вентиляцией номинальный ток реле должен выбираться с запасом. Используются реле с температурной компенсацией.
3. Выбор номинального тока нагревательного элемента (Iн.эл.) реле: Ток уставки реле (регулируемый) должен быть равен или незначительно превышать номинальный ток двигателя: Iуст ≈ (1.0 – 1.05)
4. Iн.двиг. Номинальный ток самого реле (рамы) должен быть больше Iн.эл.
5. Проверка несрабатывания при пуске: Пусковой ток двигателя (обычно 5-7 Iн) и время пуска не должны вызывать срабатывание реле. Для этого используется ВТХ выбранного класса. Время пуска (tпуск) должно быть меньше времени срабатывания реле при пусковом токе (Iпуск) на ВТХ.
6. Проверка срабатывания при перегрузке: Реле должно надежно сработать при длительной перегрузке, типично 1.2 x Iн. Время срабатывания при таком токе можно определить по ВТХ.
7. Учет режима работы (продолжительный, повторно-кратковременный): В повторно-кратковременном режиме (ПВ%) необходим учет эквивалентного теплового воздействия.

Схемы подключения и взаимодействие с магнитным пускателем

Тепловое реле практически всегда работает в паре с контактором (магнитным пускателем). Силовые контакты реле (главная цепь) включаются последовательно в разрыв фазных цепей двигателя после контактора. Вспомогательный нормально замкнутый контакт (95-96) включается последовательно в цепь катушки управления контактора. При срабатывании ТРТ этот контакт размыкается, обесточивая катушку, что приводит к отключению контактора и, следовательно, двигателя от сети. Такая схема обеспечивает безопасность, так как для повторного пуска после устранения перегрузки требуется ручной сброс реле и нажатие кнопки «Пуск».

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота, надежность и низкая стоимость.
• Высокая стойкость к перегрузкам по току.
• Инерционность, обеспечивающая устойчивость к кратковременным броскам тока (пуск).
• Прямая имитация теплового процесса в защищаемом объекте.
• Возможность регулировки уставки.

Недостатки:

• Зависимость времени срабатывания от температуры окружающей среды (нивелируется компенсацией).
• «Усталость» биметалла при частых перегрузках, ведущая к изменению ВТХ.
• Необходимость времени на остывание перед повторным включением.
• Относительно низкая точность (±20-25%) по сравнению с электронными устройствами.
• Не защищает от короткого замыкания (требует установки предохранителей или автоматов).

Современные тенденции и электронные аналоги

Традиционные биметаллические реле постепенно вытесняются электронными (микропроцессорными) термомагнитными реле перегрузки и защитными устройствами двигателей (УЗД). Эти устройства, используя датчики тока (трансформаторы тока) и микропроцессор, моделируют тепловую модель двигателя с гораздо большей точностью. Они предоставляют: точные и настраиваемые ВТХ, защиту от обрыва фазы, заклинивания ротора, асимметрии токов, контроль изоляции, цифровые интерфейсы для мониторинга. Однако, традиционные тепловые реле сохраняют свои позиции в простых и бюджетных решениях, а также в условиях, где важна стойкость к электромагнитным помехам и перепадам напряжения.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается тепловое реле от автоматического выключателя?

Автоматический выключатель (автомат) совмещает в себе две функции: защиту от перегрузки (с помощью теплового расцепителя, аналогичного ТРТ) и защиту от токов короткого замыкания (с помощью электромагнитного расцепителя мгновенного действия). Тепловое реле – это специализированный аппарат только для защиты от перегрузки, и он требует обязательной установки перед собой аппарата защиты от КЗ (предохранителей или автомата). Кроме того, ТРТ управляет цепью через вспомогательный контакт, а автомат разрывает силовую цепь непосредственно.

Почему тепловое реле срабатывает при пуске двигателя, хотя ток уставки подобран правильно?

Наиболее вероятные причины: 1) Класс расцепления реле (10А) выбран слишком низким для данного двигателя, время пуска превышает время срабатывания реле при пусковом токе. Необходимо реле класса 20 или 30. 2) Слишком высокий пусковой ток из-за тяжелых условий пуска или неисправности двигателя/механической части. 3) Неправильная регулировка уставки. 4) Неисправность реле (усталость биметалла).

Как правильно настроить (отрегулировать) ток уставки теплового реле?

Регулировка производится плавным поворотом регулировочного диска в пределах, указанных на шкале. Исходная уставка должна быть равна номинальному току защищаемого двигателя, указанному на его шильдике. В условиях повышенной температуры окружающей среды (+40°C и выше) или при плохом охлаждении уставку можно увеличить на 5-10%. В условиях пониженной температуры или при частых пусках – уменьшить. Окончательная корректировка часто проводится в рабочих условиях по фактическому току нагрузки, измеренному клещами.

Можно ли использовать одно трехполюсное тепловое реле для защиты двигателя от перекоса фаз?

Стандартное трехполюсное ТРТ с общим механизмом расцепления от одного биметалла обеспечивает лишь общую тепловую защиту. При обрыве одной фазы ток в двух оставшихся фазах резко возрастает (до √3 раз), что в большинстве случаев приведет к срабатыванию реле, но не мгновенно. Для гарантированной и быстрой защиты от обрыва фазы необходимо использовать реле со специальной дифференциальной механической системой (рычагом разбаланса) или, что более эффективно, электронные устройства защиты двигателя, которые отслеживают токи по каждой фазе отдельно.

Что означает маркировка контактов 95-96 и 97-98?

Это стандартная маркировка вспомогательных контактов теплового реле согласно МЭК/ГОСТ. Контакты 95-96 – это нормально замкнутый (NC) контакт, который размыкается при срабатывании реле. Он используется в цепи управления для отключения контактора. Контакты 97-98 – это нормально разомкнутый (NO) контакт, который замыкается при срабатывании. Он используется для цепей сигнализации (например, включения аварийной лампы или подачи сигнала на ПЛК).

Как проверить исправность теплового реле?

Проверка включает несколько этапов: 1) Внешний осмотр на отсутствие механических повреждений и подгаров. 2) Проверка сопротивления изоляции мегомметром (не менее 1 МОм). 3) Механическая проверка:
ручное срабатывание и возврат кнопки/рычага. 4) Электрическая проверка ВТХ на специальном стенде – наиболее точный метод. В полевых условиях можно использовать метод пропускания тока повышенного значения (например, 2-3 Iн) от регулируемого источника и замера времени срабатывания, сверяя его с паспортной ВТХ. Проверка должна проводиться квалифицированным персоналом с соблюдением правил безопасности.