Электронные тепловые реле для защиты электродвигателей от перегрузки

Головкова Ольга Николаевна, ОГАПОУ «Белгородский индустриальный колледж» город Белгород, преподаватель

Электронные тепловые реле для защиты электродвигателей от перегрузки

С целью защиты электродвигателей от перегрузок применяют тепловые реле. Поскольку перегрев является следствием токовой перегрузки, то такое реле защищает двигатель и от токовой перегрузки как таковой, и от перегрева. То есть применение теплового реле целесообразно в тех ситуациях, когда токи в питающей сети и, соответственно, в питаемой нагрузке, могут по какой-нибудь причине превысить допустимый номинал до 1,11 - 7 раз, и тогда уставка реле позволит предотвратить разрушение оборудования.

Если оборудование отвечает за точные и ответственные работы, то оно обязательно должно быть защищено от перегрева, иначе случится отказ. По сути тепловое реле сравнит эффективную величину протекающего тока с уставкой, и защитит оборудование в случае превышения уставки — через строго заданный промежуток времени цепь нагрузки будет разомкнута, оборудование будет спасено.

Рисунок 1. Схема теплового реле

Мощные цепи коммутируются контакторами, и тогда тепловое реле управляет лишь питанием контакторов, и не требуется высокой токовой устойчивости от самого реле. Реле в виде вспомогательного унифицированного блока подключается к контактору, а сам силовой контактор коммутирует нагрузку.

У реле имеются, как правило, нормально-разомкнутые и нормально-замкнутые контакты, первые отвечают за питание сигнальной лампы (например), вторые — за подачу питания на контактор.

При нахождении температуры электрооборудования в установленных разрешенных пределах, тепловое реле держит цепь замкнутой, а как только происходит превышение — осуществляется отключение через заданный промежуток времени, причем чем выше отношение тока перегрузки к номиналу, тем быстрее происходит срабатывание реле, ведь чем больше ток, тем быстрее происходит нагрев проводника, и нельзя допустить перегрева ни одного участка защищаемого оборудования.

Параметры тепловых реле

При высоких значениях перегрузки (в разы), характерных для короткого замыкания, размыкание осуществляет автоматический выключатель с электромагнитным расцеплением или плавкий предохранитель. Вообще причины перегрузок могут быть разными, например штатный тяжелый пуск электродвигателя или частые включения-выключения. Тогда срабатывание окажется ложным.

Чтобы ложные срабатывания исключить, уставка выставляется без запасов, разница лишь в классах самих реле от 5 до 40, обозначающих время срабатывания: class 5 - 3 секунды при десятикратной перегрузке, class 10 – 6 секунд при десятикратной перегрузке и т. д. Унификация по классам определяется при температуре окружающей среды в 20°С, при симметричном трехфазном режиме работы, для перегрузки в холодном состоянии. Уставка обозначает ток перегрузки, а класс — максимальное время срабатывания в секундах.

Важная характеристика теплового реле — граничные значения кратности длительной перегрузки — порядка часа. Это условие при котором реле гарантированно сработает или не сработает. Так, если порог задан как 1,14±0,06, то при 1,2 реле гарантированно сработает, а при 1,06 уже точно не сработает.

Этот параметр чрезвычайно важен, он определяет точность и надежность защиты, а также позволяет предотвратить ложные срабатывания. Наиболее качественные реле обладают термокомпенсацией для обеспечения устойчивых рабочих характеристик при любой температуре окружающей среды.

В соответствии с особенностями защищаемого оборудования выбирают и время срабатывания теплового реле, принимая во внимание и допустимую кратность перегрузки. Большие кратности — до 10 раз — требуют более щепетильного подхода. Например class10 считается универсальным, и подойдет для электродвигателей с легким пуском.

При тяжелых пусках лучше подойдут class20, class30 или class40. Class5 – если требуется высокая точность, например, если нагрузка малоинерционна. Как правило, производители тепловых реле в сопроводительной документации указывают наиболее подходящее оборудование, для которого лучше всего придется класс данной токо-временной защитной характеристики.

Здесь важно реальное время срабатывания реле, оно должно соответствовать стандартной зависимости. Лучшие тепловые реле при перегрузках от 3 до 7,2 крат, обладают максимальным отклонением времени расцепления от стандарта не более чем на 20% в меньшую и в большую сторону. С ростом температуры, к примеру из-за предварительного разогрева номинальным током, время расцепления сокращается в 2,5 — 4 раза по сравнению со стандартом при 20°С. 

Рисунок 2. График перегрузки реле по току

Недостатки простых тепловых реле:

Трехфазные тепловые реле более универсальны, они отслеживают токи во всех трех фазах, и применимы для однофазных цепей, для переменного и для постоянного тока.

Но если фазы нагружены сильно несимметрично? Тогда температура по одной из фаз будет нарастать быстрее, и оборудование опасно перегреется, поскольку действующее значение тока трех фаз не позволит выявить опасность. В итоге время расцепления и критический ток уставки теплового реле окажутся реально ниже фактического положения.

Для решения проблемы более оперативно, необходимо тепловое реле более совершенное, с интегрированной защитой от токовой асимметрии в фазах. В таких реле при перекосе или при потере фазы время и ток срабатывания соответствующим образом изменятся, и защита все равно останется надежной.

Обычно тепловые реле изготавливаются на базе биметаллических разъединителей. Пластина при нагреве током изгибается, и приводит в движение механизм разъединения, реле срабатывает — переключается в состояние «выключено». Когда пластина остынет, механизм вернется в исходное состояние «включено». Простота конструкции обычных реле подкупает малой стоимостью и хорошей помехоустойчивостью. Но для более тонкого оборудования требуются более точные тепловые реле - электронные.

Электронные тепловые реле

Электронные энергонезависимые тепловые реле, такие как например Siemens серий 3RB20 и 3RB21, оснащены встроенными системами измерения на токи до 630 А. Эти реле являются токонезависимыми, и способны защитить нагрузки при любом режиме, даже при тяжелом пуске, и при обрыве или несимметрии фаз.

При токовой перегрузке, при обрыве одной из фаз или при перекосе, ток, например в двигателе, нарастает, и становится выше уставки. Интегрированный токовый трансформатор регистрирует ток, а электроника обрабатывает измеренное в текущий момент значение, и если оно превышает уставку, импульс отключения передается на выключатель, который отсоединяет нагрузку, размыкая внешний контактор. Само реле монтируется на контактор. Время разъединения строго связано с соотношением тока расцепления и тока уставки.

Электронное тепловое реле Siemens 3RB21 способно не только защитить от перегрева вследствие асимметрии фаз, перегрузки по току или обрыве фазы, оно имеет еще и внутреннюю систему обнаружения замыкания на землю (за исключением комбинаций звезда — треугольник). Например неполные замыкания на землю из-за повреждения изоляции или влажности будут мгновенно зафиксированы, и цепь нагрузки разомкнется.

При срабатывании реле загорится индикатор сигнализирующий о состоянии расцепления. Имеется возможность автоматического сброса или сброса вручную. Автоматический сброс происходит через определенное время, спустя которое реле снова замкнет контактор.