Тепловое реле – это электрический аппарат, предназначенный для защиты электроприёмников (в основном электродвигателей) от токовой перегрузки.
Есть два основных типа тепловых реле:
- реле, в которых входной величиной является тепло;
- реле, в которых входной величиной является электрический ток.
С помощью реле первого типа температуру объекта контролируют напрямую. А в реле второго типа электрический ток сначала преобразуется в тепло, и только затем, при достижении определенной температуры внутреннего теплового элемента (и срабатывании реле) – в электрический выходной сигнал. Реле второго типа используется в качестве реле защиты от перегрузки по току. Эта статья посвящена реле второго типа, так как они наиболее распространены в промышленности и ещё не скоро выйдут из употребления.
Температура внутреннего нагревательного элемента реле второго типа зависит и от величины проходящего по нему тока, и от времени воздействия этого тока. Если перегрузка малая, такое реле допускает работу защищаемого объекта достаточно долго, не отключая его, поскольку такая перегрузка может быть временной, связанной с цикличностью работы объекта. Если же ток перегрузки большой, реле быстро отключает защищаемый объект, не допуская его выхода из строя. При этом, чем больше ток перегрузки, тем быстрее нагревается тепловой элемент и тем быстрее реле отключает защищаемый объект, см. рис. ниже.
Цифрой 1 на рисунке обозначена зона защитных характеристик при срабатывании реле из холодного состояния; 2 — при срабатывании реле из горячего состояния (после предварительного нагрева током нагрузки).
График изображённый на рисунке выше называется время-токовой характеристикой.
Рассмотрим принцип работы реле на основе биметаллического теплового элемента.
Биметаллический тепловой элемент представляет собой прямую или свернутую в спираль пластину изготовленную из двух слоев металлов с различными коэффициентами линейного расширения. При нагревании такая пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения, рис. 2.
Нагрев биметаллической пластины может осуществляться непосредственно током защищаемой (контролируемой) цепи, проходящим по пластине 1; или косвенно. При косвенном нагреве ток цепи проходит по нагревательному элементу 3 (рис. 2), теплота от нагревательного элемента передается пластине; при комбинированном способе нагрева ток цепи проходит по пластине и нагревательному элементу. При больших токах (50 А и более) используют токовый шунт для разгрузки биметаллической пластины от чрезмерного тока.
Механическое усилие, развиваемое такой пластиной при изгибании используется для воздействия на контакты реле. Поскольку изгибание биметаллической пластины происходит медленно, то прямого соединения такой пластины, как изображенная на рис. 2, с контактами обычно не делают, иначе они бы сильно обгорали при медленном расхождении.
Для ускорения расхождения контактов между ними и биметаллической пластиной устанавливают специальную пружину, рис. 3 (слева и справа), заставляющую подвижный контакт «прыгать», или выполняют саму биметаллическую пластину в виде «прыгающей» пружины, или снабжают контакты каким-либо другим элементом, обеспечивающим его мгновенное переключение при плавном возрастании воздействующего усилия.
В системе по рис. 3 (слева), биметаллическая пластина служит защелкой. Она же создает контактное нажатие за счет пружинящих свойств контактного рычага. При нагреве конец пластинки изогнется и освободит контактный рычаг. Под действием пружины 4 контакты разомкнутся. Движение контакта ограничивается упором 3. Эта система не имеет самовозврата, так как после остывания пластина не может вернуть контакты в исходное положение. Возврат реле здесь принудительный — обычно ручной.
В системе по рис. 3 (справа), биметаллическая пластина, при нагреве постепенно изгибается и её конец перемещается в направлении А, сжимая при этом пружину 4, перейдя через вертикальное мёртвое положение чуть правее сжатая пружина скачком распрямляется и переводит коромысло в противоположное состояние, размыкая контакт реле. Эта система имеет скачкообразный самовозврат.
Биметаллические тепловые реле получили очень широкое распространение как реле защиты электродвигателей (главным образом переменного тока) от недопустимого перегрева при длительных перегрузках. Надежность и эффективность этой защиты достигаются при совпадении временных характеристик по нагреву у реле и у двигателя. Биметаллическая пластина должна при данном токе перегрузки двигателя достигнуть температуры срабатывания за такое время, в течение которого двигатель может выдерживать данную перегрузку. Поэтому одной из основных характеристик теплового реле является времятоковая характеристика (рис. 1), выражающая зависимость времени срабатывания реле от тока, протекающего через него.
Рассмотрим подробнее наиболее широко применяемые конструкции тепловых реле.
Электротепловые реле серии РТИ
Электротепловое трёхполюсное реле серии РТИ предназначено для защиты электродвигателей от перегрузки, асимметрии фаз (в том числе асимметрии, вызванной обрывом одной из фаз), затянутого пуска и заклинивания ротора.
Оно устанавливается непосредственно на контакторах серии КМИ. Для защиты от короткого замыкания должны быть предусмотрены предохранители или автоматические выключатели на соответствующее значение номинального тока срабатывания, так как тепловое реле не обеспечивает защиты от токов короткого замыкания.
Реле оснащены дополнительными контактами – размыкающим (нормально-замкнутым) для отключения контактора и замыкающим (нормально-разомкнутым) для сигнализации срабатывания.
Основным элементом реле РТИ является биметаллическая пластина. В данной серии реле применены три пластины, благодаря чему контролируются токи во всех трёх фазах. Тепловую энергию биметаллическим пластинам сообщают нагревательные элементы, по которым протекает ток нагрузки (например, ток двигателя). При нормальной нагрузке (при номинальном токе) биметаллические пластины успевают охлаждаться окружающим воздухом и почти не нагреваются. При токе, превышающем номинальный, пластины охлаждаться не успевают и поэтому нагреваются выше температуры окружающей среды. Нагреваясь, они изгибаются и толкают планку, воздействующую на защёлку механизма расцепления контактов. При достаточной степени изгиба защёлка высвобождается и под действием пружин контактная система реле приводится в действие: нормально-замкнутые контакты размыкаются, а нормально-разомкнутые – замыкаются. Нормально-замкнутый контакт теплового реле подключается последовательно с катушкой контактора, управляющего двигателем. При размыкании этого контакта (в случае перегрузки) катушка контактора отключается, следовательно, и отключается двигатель, управляемый данным контактором.
Поворотом переключателя повторного взвода можно выбрать режим работы реле – с самовозвратом или без самовозврата.
Если реле работает в режиме без самовозврата, то после его срабатывания, необходимо нажать кнопку «Возврат» (переключатель повторного взвода). Нажатием на данную кнопку обслуживающий персонал подтверждает, что принял к сведению тот факт, что контактор отключился от теплового реле, то есть, что в цепи двигателя протекал ток, больший номинального. Эта операция нажатия на кнопку «Возврат» называется квитирированием (от слова квитанция – подтверждение).
Электротепловое реле серии ТРН
Реле электротепловые токовые двухполюсные ТРН предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от токовых перегрузок недопустимой продолжительности. Реле могут быть использованы в сетях постоянного тока. От КЗ реле не защищают. Реле предназначены для встраивания в электромагнитные пускатели ПМЕ или ПМА и для индивидуальной установки.
Общий вид реле изображён на рис. 9, схематическое изображение, поясняющее принцип действия – на рис. 10.
Тепловое реле данной серии имеет только один контакт – нормально-замкнутый. Этот контакт подключается последовательно с катушкой контактора, управляющего двигателем. Ток двигателя (две любые фазы из трёх) протекает по нагревательным элементам теплового реле. Нагревательных элементов два. Этого достаточно, чтобы защитить двигатель от обрыва фазы. Если произойдёт обрыв, то ток возрастёт в оставшихся двух, из которых как минимум одна будет проходить через нагревательный элемент теплового реле.
Основным элементом реле ТРН является биметаллическая пластина. Тепловую энергию биметаллическим пластинам сообщают нагревательные элементы, по которым протекает ток нагрузки (например, ток двигателя). При нормальной нагрузке (при номинальном токе) биметаллические пластины успевают охлаждаться окружающим воздухом и почти не нагреваются. При токе, превышающем номинальный (при токовой перегрузке), пластины охлаждаться не успевают и поэтому нагреваются выше температуры окружающей среды. Нагреваясь, они изгибаются и воздействуют на толкатель. Толкатель поворачивается и компенсатором давит на рычаг механизма расцепления контактов. При достаточной степени изгиба биметаллической пластины рычаг освобождается из-под защёлки и под действием пружины (которая снизу штанги) контактный мостик размыкает контакт. При этом обесточивается катушка контактора, последовательно с которой включён контакт теплового реле; контактор отключается и отключает нагрузку (двигатель) от сети.
У данного реле нет самовозврата, и после его срабатывания, необходимо нажать кнопку «Возврат» (сквитировать реле), чтобы замкнуть контакт, так как сам он не замкнётся и включить катушку контактора невозможно без его замыкания. Нажатием на данную кнопку обслуживающий персонал подтверждает, что принял к сведению тот факт, что контактор отключился от теплового реле, то есть, что в цепи двигателя протекал ток, больший номинального.
Заключительные замечания
Тепловые реле РТИ и ТРН предназначены преимущественно для защиты электродвигателей от токовых перегрузок. Они не защищают от коротких замыканий из-за своей инерционности.
Нормально-закрытый контакт реле соединяется последовательно с катушкой контактора, управляющего двигателем, а нагревательные элементы реле соединяются с силовыми контактами контактора, последовательно с фазными обмотками двигателя.
Если электродвигатель отключился и не включается при нажатии на кнопку "Пуск", то в первую очередь следует обратить внимание на тепловое реле, не сработало ли оно и не нужно ли его сквитировать.