Тепловые реле и термисторная зашита. Принцип действия, выбор реле.
1. Тепловые реле
Принцип действия тепловых реле
Определение. Тепловые реле — это электрические аппараты, предназначенные для защиты электродвигателей от токовой перегрузки. Наиболее распространенные типы тепловых реле — ТРП, ТРН, РТЛ и РТТ.
Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость длительности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надежная и длительная эксплуатация оборудования. Эта зависимость представлена на рис. 22 (кривая 1).
При номинальном токе допустимая длительность его протекания равна бесконечности. Протекание тока, большего, чем номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима. Кривая 1 на рис. 22 устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы.
При идеальной защите объекта зависимость tср (I) для теплового реле должна идти немного ниже кривой для объекта.
Для защиты от перегрузок, наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластиной.
Биметаллическая пластина теплового реле состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент линейного (объемного) расширения, другая — меньший. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за счет сварки.
Примечание. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим коэффициентом расширения. Именно это явление используется в тепловых реле.
Рис. 22. Времятоковые характеристики теплового реле и защищаемого объекта
Широкое распространение в тепловых реле получили материалы: инвар (малое значение a); немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение a).
Нагрев биметаллического элемента теплового реле может производиться за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки. Очень часто нагрев биметалла производится от специального нагревателя.
Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через биметалл, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, также обтекаемым током нагрузки.
Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему теплового реле, переключая его контакты и разрывая цепь питания.
Времятоковые характеристики теплового реле
Основной характеристикой теплового реле является времятоковая характеристика, представляющая собой зависимость времени срабатывания от тока нагрузки. В общем случае до начала перегрузки через реле протекает ток Iо, который нагревает пластину до температуры qо.
При проверке времятоковых характеристик тепловых реле следует учитывать, из какого состояния (холодного или перегретого) происходит срабатывание реле. При проверке тепловых реле надо иметь в виду, что нагревательные элементы тепловых реле термически неустойчивы при токах короткого замыкания.
Влияние температуры окружающей среды на работу теплового реле
Нагрев биметаллической пластинки теплового реле зависит от температуры окружающей среды, поэтому с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания реле уменьшается.
При температуре, сильно отличающейся от номинальной, необходимо:
- либо проводить дополнительную (плавную) регулировку теплового реле;
- либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды.
Примечание. Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания теплового реле, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась возможно больше.
Для правильной работы тепловой защиты реле желательно располагать в том же помещении, что и защищаемый объект. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла — нагревательных печей, систем отопления и т. д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией (серии ТРН).
Конструкция тепловых реле
Прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения, не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт. Наиболее распространенные серии тепловых реле: ТРП, ТРН, РТЛ, РТТ.
Тепловые реле токовые однополюсные реле серии ТРП с номинальными токами тепловых элементов от 1 до 600 А предназначены, главным образом, для защиты от недопустимых перегрузок трехфазных асинхронных электродвигателей, работающих от сети с номинальным напряжением до 500 В при частоте 50 и 60 Гц. Тепловые реле ТРП на токи до 150 А применяют в сетях постоянного тока с номинальным напряжением до 440 В.
Двухфазное тепловые реле ТРН (рис. 23) реле встраивается в магнитные пускатели. Реле ТРН состоит из пластмассового корпуса, разделенного на три ячейки. В крайних ячейках размещены нагревательные элементы, в средней — температурный компенсатор, регулятор тока срабатывания, механизм расцепителя, размыкающий контакт мостикового типа и рычаг ручного возврата.
Рис. 23. Тепловое реле ТРН
Шкала регулятора разбита на 10 делений: пять в сторону увеличения и пять в сторону уменьшения. Цена одного деления 5%. Вследствие этого ток уставки можно регулировать в пределах ±25% от номинального тока.
При протекании тока перегрузки через нагревательный элемент основная биметаллическая пластинка, деформируясь (показано пунктиром), перемещает вправо толкатель, связанный жестко с биметаллической пластинкой температурного компенсатора.
Направление деформации пластинки температурного компенсатора противоположно направлению деформации основной пластинки. Деформация незначительна по абсолютной величине.
Вследствие этого, несмотря на противодействие, пластинка температурного компенсатора начинает перемещаться тоже вправо. Защелка освобождается, и штанга расцепителя под действием пружины отходит вверх, а контакты реле размыкаются.
Тепловые реле РТЛ предназначены для обеспечения защиты электродвигателей от токовых перегрузок недопустимой продолжительности. Они также обеспечивают защиту от несимметрии токов в фазах и от выпадения одной из фаз. Выпускаются электротепловые реле РТЛ с диапазоном тока от 0,1 до 86 А.
Тепловые реле РТЛ могут устанавливаться как непосредственно на пускатели ПМЛ, так и отдельно от пускателей (в последнем случае они должны быть снабжены клеммниками КРЛ). Разработаны и выпускаются реле РТЛ и клеммники КРЛ, которые имеют степень защиты ІР20 и могут устанавливаться на стандартную рейку. Номинальный ток контактов равен 10 А.
Тепловые реле РТТ предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок недопустимой продолжительности, в том числе возникающих при выпадении одной из фаз, а также от несимметрии в фазах.
Реле РТТ применяют в качестве комплектующих изделий в схемах управления электроприводами, а также для встройки в магнитные пускатели серии ПМА в целях переменного тока напряжением 660 В частотой 50 или 60 Гц, в целях постоянного тока напряжением 440 В.
Выбор тепловых реле
Номинальный ток теплового реле выбирают исходя из номинальной нагрузки электродвигателя. Выбранный ток теплового реле составляет (1,2–1,3) номинального значения тока электродвигателя (тока нагрузки), т. е. тепловое реле срабатывает при 20–30% перегрузке в течение 20 минут:
Iном.т.р ≥ (1,2–1,3) Iном.дв..
Примечание. При выборе теплового реле с регулируемым током срабатывания необходимо стремиться к тому, чтобы ток уставки находился в центре диапазона регулирования.
При выборе тепловых реле предпочтительнее выбирать трехполюсное реле серии РТЛ, а при больших токах — 3 однополюсных реле серии РТТ.
Постоянная времени нагрева электродвигателя зависит от длительности токовой перегрузки. При кратковременной перегрузке в нагреве участвует только обмотка электродвигателя и постоянная нагрева 5–10 минут.
При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса электродвигателя и постоянна нагрева 40–60 минут. Поэтому применение тепловых реле целесообразно лишь тогда, когда длительность включения превышает 30 минут.
2. Термисторная (позисторная) защита электродвигателей
Назначение термочувствительных защитных устройств
Сложность конструкции тепловых реле, недостаточно высокая надежность систем защиты на их основе, привели к созданию тепловой защиты, реагирующей непосредственно на температуру защищаемого объекта. При этом датчики температуры устанавливаются на обмотке двигателя.
В качестве датчиков температуры используют термисторы и позисторы.
Определение. Термисторы и позисторы — полупроводниковые резисторы, изменяющие свое сопротивление от температуры.
Термисторы представляют собой полупроводниковые резисторы с большим отрицательным ТСК (температурным коэффициентом сопротивления). При увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается, что используется для схемы отключения двигателя. Для увеличения крутизны зависимости сопротивления от температуры, термисторы на три фазы включаются параллельно (рис. 24, б).
Позисторы являются нелинейными резисторами с положительным ТСК. При достижении определенной температуры сопротивление позистора скачкообразно увеличивается на несколько порядков.
Для усиления этого эффекта позисторы разных фаз соединяются последовательно. Зависимость сопротивления позисторов от температуры показана на рис. 24, а.
Рис. 24. Зависимость сопротивления позисторов и термисторов от температуры: а — последовательное соединение позисторов; б — параллельное соединение термисторов
Защита с помощью позистоpoв является более совершенной. В зависимости от класса изоляции обмоток двигателя берутся позисторы на температуру срабатывания 105, 115, 130, 145 и 160 °С. Эта температура называется классификационной.
Гарантийный срок службы позисторов 20000 ч. Конструктивно позистор представляет собой диск диаметром 3,5 мм и толщиной 1 мм, покрытый кремнеорганической эмалью, обеспечивающей влагостойкость и электрическую прочность изоляции.
Работа схем позисторной защиты
Рассмотрим схему позисторной защиты, показанную на рис. 25.
К контактам 1, 2 схемы (рис. 25, а) подключаются позисторы, установленные на всех трех фазах двигателя (рис. 25, б). Транзисторы VТ1, VT2 включены по схеме триггера Шмидта. В цепь коллектора транзистора VT3 оконечного каскада включено реле К, которое воздействует на обмотку пускателя.
При нормальной температуре обмотки двигателя и связанных с ним позисторов сопротивление последних мало. Сопротивление между точками 1-2 схемы также мало. Транзистор VT1 закрыт (на базе малый отрицательный потенциал), транзистор VТ2 открыт. Отрицательный потенциал на коллекторе транзисторе VT3 мал, и он закрыт. Ток в обмотке реле К недостаточен для его срабатывания.
б
Рис. 25. Аппарат позисторной защиты с ручным возвратом: а — принципиальная схема; б— схема подключения к двигателю
При нагреве обмотки двигателя сопротивление позисторов увеличивается. При определенном значении этого сопротивления отрицательный потенциал точки 3 достигает напряжения срабатывания триггера. Релейный режим триггера обеспечивается эммитерной обратной связью (сопротивление в цепи эммитера VТ1) и коллекторной обратной связью между коллектором VT2 и базой VT1.
При срабатывании триггера VТ2 закрывается, а VT3 — открывается. Срабатывает реле К, замыкая цепи сигнализации и размыкая цепь электромагнита пускателя, после чего обмотка статора отключается от сети.
После охлаждения двигателя его пуск возможен после нажатия кнопки
«Возврат», при котором триггер возвращается в начальное положение.
Применение термозащиты
В современных электродвигателях позисторы защиты устанавливаются на лобовой части обмоток двигателя. В двигателях прежних разработок позисторы можно приклеивать к лобовой части обмоток.
Термочувствительная защита электродвигателей предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру электродвигателя. Это касается, прежде всего, электродвигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременный режим работы) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты).
Примечание. Термисторная защита эффективна также при сильном загрязнении электродвигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения.
Недостатками термисторной защиты является то, что с термисторами или позисторами выпускаются далеко не все типы электродвигателей. Это особенно касается электродвигателей отечественного производства.
Термисторы и позисторы могут устанавливаться в электродвигатели только в условиях стационарных мастерских. Температурная характеристика термистора достаточно инерционна и сильно зависит от температуры окружающей среды и от условий эксплуатации электродвигателя.
Термисторная защита требует наличия специального электронного блока: термисторного устройства защиты электродвигателей, теплового или электронного реле перегрузки, в которых находятся блоки настройки и регулировки, а также выходные электромагнитные реле, служащие для отключения катушки пускателя или электромагнитного расцепителя.