Тепловые реле — устройство, принцип действия, технические характеристики
Тепловые реле — это электрические аппараты, предназначенные для защиты электродвигателей от токовой перегрузки. Наиболее распространенные типы тепловых реле — ТРП, ТРН, РТЛ и РТТ.
Принцип действия тепловых реле
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 рисунке (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 рисунке устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы.
Время-токовые характеристики теплового реле и защищаемого объекта
При идеальной защите объекта зависимость tср (I) для теплового реле должна идти немного ни-же 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 расширения, другая — меньший. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за счет сварки. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим. Именно это явление используется в тепловых реле.
Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение a) и 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, по которому протекает ток нагрузки. 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.
Устройство теплового реле: а — чувствительный элемент, б — прыгающий контакт, 1 — контакты, 2 — пружина, 3 — биметаллическая пластина, 4 — кнопка, 5 — мостик
Время-токовые характеристики теплового реле
Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). 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.
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 течении 20 минут.
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 больше 30 минут.
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.
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.
В обесточенном состоянии пружина 1 создает момент относительно точки 0, замыкающий контакты 2. Биметаллическая пластина 3 при нагреве изгибается вправо, положение пружины изменяется. Она создает момент, размыкающий контакты 2 за время, обеспечивающее надежное гашение дуги. Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепловыми реле ТРП (одно-фазное) и ТРН (двухфазное).
Тепловые реле ТРП
Тепловые 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.
Устройство теплового реле типа ТРП
Биметаллическая пластина теплового реле ТРП имеет комбинированную систему нагрева. Пластина нагревается как за счет нагревателя, так и за счет прохождения тока через саму пластину. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик.
Тепловое реле ТРП позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока уставки). Эта регулировка осуществляется ручкой, меняющей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка позволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя.
Возврат реле ТРП в исходное положение после срабатывания производится кнопкой. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла.
Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды.
Уставка теплового реле ТРП меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на КУС.
Высокая ударо- и вибростойкость теплового реле ТРП позволяют использовать его в самых тяжелых условиях.
Тепловые реле РТЛ
Реле тепловое РТЛ предназначено для обеспечения защиты электродвигателей от токовых перегрузок недопустимой продолжительности. Они также обеспечивают защиту от не симметрии 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
Реле топловые 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 предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в схемах управления электроприводами, а также для встройки в магнитные пускатели серии ПМА в целях переменного тока напряжением 660В частотой 50 или 60Гц, в целях постоянного тока напряжением 440В.
Статьи и схемы
Полезное для электрика
Основная функция таких аппаратов – меры профилактики для предотвращения последствий резких колебаний тока. Конструктивное устройство теплового реле самых разных модификаций остается оптимальным для продления срока службы установок. Многие негативные моменты нивелируются, и достигается значительный положительный эффект.
Схема устройства теплового реле.
Практически на всех объектах обнаруживается закономерность соответствия времени протекания тока от его параметров, которые напрямую способны обеспечить длительный период надежной эксплуатации данного объекта. Кривая 1 демонстрирует подобную предрасположенность.
Длительность периода перемещения тока с рабочим значением равняется бесконечности. Старение изоляционного слоя из-за повышения температуры происходит в случае превышения номинальных параметров. Следовательно, допустимость перегрузки по времени обратно пропорциональна ее величине. Требуемая продолжительность эксплуатационного периода оборудования – фактор установки на рисунке кривой 1. Можно сделать однозначный вывод, что небольшая длительность жизни обуславливает допустимость значительных перегрузок.
Время-токовые характеристики
Зависимость tcp для реле при оптимальной защите объекта всегда должна располагаться чуть ниже кривой для него. Модели с биметаллической пластиной – самые распространенные для противодействия перегрузкам.
Сама конструкция имеет две пластины с разным коэффициентом температурного расширения. Между собой эти элементы имеют жесткое сцепление за счет горячего проката или сварки. При неподвижном креплении одной из пластин ее нагревание приводит к изгибу в сторону элемента с меньшей температурой. Этот принцип и положен в основу функционирования теплового реле. Для большего значения чаще всего используется хромникелевая сталь, а меньшего – инвар.
Выделяемый в пластине ток приводит к повышению температуры биметаллического элемента. Довольно популярны конструкции с нагреванием биметалла от нагревателя, предназначенного для протекания тока. Идеальным на практике остается метод комбинированного нагрева. В этом случае на пластину воздействует тепло нагрева биметалла в сочетании с таким же показателем, исходящим от нагревателя. Свободный конец пластины во время прогибания касается контактной системы.
Характеристики теплового реле
Зависимость временного отрезка срабатывания от тока нагрузки – главный показатель любого подобного устройства. В нормальном состоянии можно говорить о протекании через реле тока io, способного нагревать материал пластины до температуры qo.
При ознакомлении с параметрами отдельно взятого элемента обязательно обращайте внимание на специфику его срабатывания – в перегретом или холодном состоянии.
Также очень важно в процессе проверки учитывать термическую неустойчивость тепловых реле в ситуациях с токами короткого замыкания .
Особенности выбора
Номинальная нагрузка самого двигателя – приоритетный фактор, влияющий на выбор аналогичного тока устройства. Этот показатель реле в пределах 1,2-1,3 обозначает срабатывание при перегрузке в 20-30% на отрезке времени в 20 минут. Длительность самой перегрузки обуславливает характеристику постоянной времени нагрева.
На коротком отрезке данного параметра в процедуре нагрева принимает участие обмотка двигателя, и он равен 5-10 минут. А вот более продолжительное время постоянная равна 40-60 минут, и вся масса электродвигателя подвергается нагреву. Следовательно, можно говорить о целесообразности использования тепловых реле при длительности включения не менее получаса.
Влияние наружной температуры на работу
Устройство теплового реле ТРТ.
Ток срабатывания устройства уменьшается по мере роста температуры воздуха вокруг прибора, так как нагрев пластины зависит и от данного параметра. Резкие колебания этого значения требуют подбора элемента, способного выполнять свои функции с учетом реальных показателей, или же производить соответствующую регулировку теплового реле.
В подобной ситуации уменьшить влияние наружных факторов на ток срабатывания можно подбором возможно большей заданной температуры для самого устройства.
Обеспечить идеальную работу поможет установка защиты в одном помещении с объектом. Запрещается расположение рядом с концентрированными источниками теплового излучения.
Стоит отметить выпуск современных модификаций с компенсацией температурного вида серии ТРН.
Конструкция ТР
Сам процесс прогибания – процедура довольно растянутая и медлительная. Непосредственное соединение подвижного контакта с этим элементом приводит к тому, что незначительная скорость не в состоянии выполнить своевременное гашение при отключении цепи образующейся дуги. Следовательно, требуется применение ускоряющего устройства. Одним из самых распространенных вариантов является «прыгающая» модель контакта.
Пружина реле 1 относительно точки 0, замыкающей контакты 2, создает определенный момент. Положение пружины изменится при изгибе биметаллического элемента 3 вправо. Создается размыкающий контакты момент, способный обеспечить идеальное гашение дуги. Последние модификации пускателей и контакторов укомплектованы двух- и однофазными реле теплового типа.
Однополюсные токовые модели со значением номинального тока 1-600 А применяются для асинхронных трехфазных двигателей с параметрами частоты 50 и 60 Гц и напряжением до 500 В. При токах до 150 А подобные реле можно использовать в сетях с протеканием постоянного тока с рабочим напряжением до 440 В.
Тепловое реле ТРН: 1 — нагревательный элемент; 2 — кнопка возврата; 3 — контакты теплового реле; 4 — биметаллическая пластина; 5 — шкала регулировочного рычага; 6 — рычаг-регулятор.
Одна из главных особенностей – наличие пластины с комбинированной системой. Во время нагревания конец данного элемента оказывает воздействие на прыгающий мостик 3.
Присутствует плавная регулировка тока, составляющая ±25% от номинальных установочных параметров. Это значительно минимизирует количество ненужных срабатываний. Есть варианты возвращения в исходное положение после остывания материала пластины.
Превышающая 200°С температура срабатывания снижает зависимость от влияния окружающей среды.
Схема принципа работы теплового реле РТТ.
Эти образцы служат для защиты от перегрузок с большой продолжительностью. Диапазон тока – 0,1-86 А.
Клеммники и реле обустроены защитой степени IP20устанавливаются на рейках стандартного типа.
Главная функция – работа с асинхронными трехфазными двигателями. Применяются как комплектующие в управлении электроприводами и в конструкциях магнитных пускателей.
Очень часто приходится встречать в электрохозяйствах в качестве максимальной токовой защиты электротепловые реле типов ТРН, ТРП. Подробно об этих реле я уже писал ранее. Однако, в данных реле необходимо периодически проводить настройку и регулировку уставок срабатывания. Именно об этом сегодня и поговорим.
Перед проверкой и регулировкой тепловых реле необходимо:
– произвести ревизию тепловых реле;
– создать необходимые температурные условия (не ниже +20 о С) в помещении, где они установлены. В случае невозможности создания нормальных температурных условий в помещении, где установлены тепловые реле, проверку данных реле необходимо проводить в лабораторных условиях.
Произвести внешний осмотр тепловых реле. При осмотре проверяют:
1) надежность затяжки контактов, присоединения тепловых элементов;
2) исправное состояние нагревательных элементов, состояние биметаллических пластин;
3) четкость работы механизма, связанного с контактами реле и самих контактов, отсутствие заеданий, задержек;
4) чистоту контактов и биметаллических пластин, условия охлаждения реле;
5) отсутствие вблизи реле реостатов, нагревательных приборов, возможность обдувания от вентиляторов.
При регулировке необходимо учитывать, что тепловые элементы на заводе изготовителе калибруются при температуре 20 о ± 5 о С для тепловых реле серии ТРН и при температуре 40 о С для тепловых реле серии ТРП, поэтому при испытании реле необходимо скорректировать подаваемый на реле номинальный ток с учетом окружающей температуры.
Реле серии ТРН – двухполюсные с температурной компенсацией, выпускаются на ток 0,32 – 40 А с регулятором тока уставки; для реле типа ТРН-10а в пределах от –20 до +25%, для реле ТРН-10, ТРН-25 – в пределах от –25 до +30%.
Реле имеют только ручной возврат, осуществляемый нажатием на кнопку через 1 – 2 мин. после срабатывания реле. Благодаря температурной компенсации ток уставки практически не зависит от температуры воздуха и может изменяться в пределах +3% на каждые 10 о С изменения температуры окружающего воздуха от +20 о С.
Реле серии ТРП – однофазные, без температурной компенсации, выпускаются на ток 1-600 А, с регулятором тока уставки. Механизм имеет шкалу, на которой нанесено по пять делений в обе стороны от нуля.
Цена деления 5% для открытого исполнения и 5,5% – для защищенного. При температуре окружающей среды +30 о С вносится поправка в пределах шкалы реле: одно деление шкалы соответствует изменению температуры на 10 о С. При отрицательных температурах стабильность защиты нарушается.
Деление шкалы, соответствующее току защищаемого электродвигателя и окружающей температуре, выбирают следующим образом; определяется деление шкалы уставок тока без температурной поправки по выражению:
где: Iэл – номинальный ток электродвигателя, А;
Io – ток нулевой уставки реле, А;
с – цена деления, равная 0,05 для открытых пускателей и 0,055 – для защищенных.
Дополнительно по этой теме: Энергетический паспорт. Требования к энергетическому паспорту, составленному по результатам энергетического обследования и энергетическому паспорту, составленному на основании проектной документации.
Затем, для реле без температурной компенсации вводится поправка на окружающую температуру:
где: tокр – температура окружающей среды, о С.
Поправка на температуру вводится только при понижении температуры от номинальной (+40 о С) на величину более 10 о С.
Результирующее расчетное деление шкалы ±N=(±N1)+(±N2), если оказывается дробным числом, его следует округлить до целого в большую или меньшую сторону, в зависимости от характера нагрузки.
Для реле с температурной компенсацией N2 отсутствует.
Самовозврат реле осуществляется пружиной после остывания биметалла или вручную (ускоренный возврат) рычагом с кнопкой.
Согласно требованиям ГОСТов настройка тепловых реле серии ТРН и ТРП производиться следующим образом:
1. Для включения реле в главную цепь должны применяться медные или алюминиевые проводники длиной не менее 1,5 м с сечением, соответствующим номинальному току. Применяемые приборы должны быть классом не ниже 1,0 и подбираются так, чтобы значение измеряемой величины находилось в пределах от 20 до 35 о шкалы прибора.
2. Проверяют срабатывание реле при нагреве с холодного состояния при 6-и кратном номинальном токе уставки теплового реле.
Время срабатывания реле при нагреве с холодного состояния 6-и кратным номинальному току несрабатывания реле, при любом положении регулятора уставки и температуре окружающего воздуха, равной 40 о С – для реле без температурной компенсации и 20 о С – для реле с температурной компенсацией должно быть в пределах: от 0,5 до 4 секунд – для реле малой инертности, свыше 4 до 25 секунд – для реле большой инерционности.
Время срабатывания реле (каждого типа) должно указываться в стандартах или ТУ на данное изделие.
3. Через последовательно включенные полюса реле пропускают ток несрабатывания элементов, равный 1,05*Iном. двигателя в течении 40 минут для реле ТРН, 50 минут – для реле серии ТРП, для приведения реле в установившееся тепловое состояние.
4. Затем, ток повышают до 1,2Iном двигателя и проверяют время срабатывания. Реле должно сработать в течении 20 минут. Если через 20 минут со времени повышения тока реле не сработает, то следует постепенным снижением уставки найти такой положение, при котором реле сработает.
Для контроля полученной уставки испытание рекомендуется повторить.
Сдача тепловых реле после проверки.
Данные настройки должны заноситься в протокол с указанием:
– места установки;
– технические данные защищаемого оборудования;
– рабочая уставка;
– кратность тока прогрузки;
– время срабатывания теплового реле.
На механизме регулировки тока уставки наносится красной краской метка, соответствующая рабочей уставке теплового реле, согласно вышеуказанного протокола.
Источники: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/295-teplovye-rele-ustrojjstvo-princip.html, http://jelektro.ru/covety-elektrika/устройство-теплового-реле.html, http://www.nov-electro.com/2011/progruzka_trn_trp
