Toplotni rele: princip delovanja, vrste, shema priključitve + nastavitev in označevanje

Trajnost in zanesljivost obratovanja katere koli naprave z električnim motorjem sta odvisni od različnih dejavnikov. Vendar na življenjsko dobo motorja v veliki meri vplivajo tokovne preobremenitve. Da bi jih preprečili, se priključi toplotni rele, ki ščiti glavni delovni element električnega stroja.

Povedali vam bomo, kako izbrati napravo, ki predvidi nastanek nevarnih razmer ob prekoračitvi največjih dovoljenih vrednosti toka. V predstavljenem članku je opisano načelo delovanja, predstavljene so različice in njihove značilnosti. Podani so nasveti za priključitev in pravilno nastavitev.

Zakaj so potrebne zaščitne naprave?

Tudi če je električni pogon skrbno načrtovan in se uporablja brez kršitev temeljnih pravil obratovanja, vedno obstaja možnost nastanka okvar.

Med izredna obratovalna stanja spadajo enofazni in večfazni kratki stiki, toplotne preobremenitve elektroopreme, zablokiranje rotorja, uničenje ležajnega sklopa in prekinitev faze.

Pri delovanju v načinu povečanih obremenitev električni motor porabi ogromno električne energije. Ob rednem preseganju nazivne napetosti pa se oprema močno segreva.

Posledično se izolacija hitro obrabi, kar vodi do znatnega skrajšanja življenjske dobe elektromehanskih naprav. Da bi preprečili tovrstne situacije, se v električni tokokrog vključijo toplotni zaščitni releji. Njihova osnovna funkcija je zagotoviti normalno delovanje porabnikov.

Motor odklopijo z določeno časovno zakasnitvijo, v nekaterih primerih pa takoj, da preprečijo uničenje izolacije ali poškodbo posameznih delov električne naprave.

Tokovni rele neprestano ščiti električni motor pred prekinitvijo faze, obratovalnimi preobremenitvami in zaviranjem rotorja. To so glavni vzroki za nastanek izrednih obratovalnih stanj.

Za preprečitev zmanjšanja izolacijske upornosti se uporabljajo naprave za zaščitni odklop. Če pa je treba preprečiti motnje hlajenja, se priključijo posebni aparati z vgrajeno toplotno zaščito.

Zgradba in načelo delovanja TR

Konstrukcijsko gledano je standardni elektrotoplotni rele majhen aparat, ki je sestavljen iz občutljive bimetalne ploščice, grelne spirale, vzvodno-vzmetnega sistema in električnih kontaktov.

Bimetalna plošča je izdelana iz dveh različnih kovin, praviloma invarja in kromnikljevega jekla, ki sta med seboj trdno spojena v postopku varjenja. Ena kovina ima večji temperaturni koeficient raztezanja kot druga, zato se segrevata z različno hitrostjo.

Pri tokovni preobremenitvi se nefiksirani del plošče upogne proti materialu z manjšim koeficientom toplotnega raztezanja. To povzroči silovit vpliv na sistem kontaktov v zaščitni napravi in aktivira izklop električne napeljave ob pregrevanju.

Večina modelov mehanskih toplotnih relejev ima dve skupini kontaktov. En par je normalno odprt, drugi pa stalno zaprt. Ko se zaščitna naprava sproži, se stanje kontaktov spremeni. Prvi se zaprejo, drugi pa postanejo odprti.

Pri elektronskih TR se uporabljajo posebni senzorji in občutljive sonde, ki se odzivajo na povišanje toka. V mikroprocesorju takih zaščitnih naprav so programirani parametri, ki določajo situacije, v katerih je treba izključiti napajanje.

Tok zazna integrirani transformator, nato pa elektronika obdela pridobljene podatke. Če je trenutna vrednost toka večja od nastavitve, se impulz takoj prenese neposredno na stikalo.

Z odpiranjem zunanjega kontaktorja rele z elektronskim mehanizmom blokira breme. Samo toplotni rele za elektromotor se namesti na kontaktor.

Bimetalna plošča se lahko segreje neposredno – zaradi vpliva vršnega toka bremena na kovinski trak ali posredno, s pomočjo ločenega termoelementa. Pogosto se ta načela združijo v eni napravi toplotne zaščite. Pri kombiniranem segrevanju ima naprava boljše delovne lastnosti.

Po ohladitvi se plošča vrne v prvotno stanje. Preklopni kontakti se samodejno zaprejo ali pa jih je treba prisilno spraviti v zaprto stanje.

Osnovne značilnosti tokovnega releja

Glavna značilnost stikala toplotne zaščite je izrazita odvisnost odzivnega časa od toka, ki teče skozenj – večja kot je vrednost, hitreje se bo sprožilo. To kaže na določeno vztrajnost relejnega elementa.

Usmerjeno gibanje nosilcev naboja skozi katerokoli električno napravo, obtočno črpalko in električni kotel, ustvarja toploto. Pri nazivnem toku se njegova dopustna trajnost približuje neskončnosti.

Pri vrednostih, ki presegajo nazivne vrednosti, pa se v opremi temperatura poviša, kar povzroči prezgodnjo obrabo izolacije.

Prekinitev tokokroga takoj prepreči nadaljnje zviševanje temperaturnih vrednosti. To omogoča, da preprečimo pregrevanje motorja in preprečimo izredni izpad električne napeljave.

Nazivna obremenitev motorja je ključni dejavnik pri izbiri naprave. Vrednost v območju 1,2–1,3 pomeni uspešen odziv pri tokovni preobremenitvi 30 % v časovnem obdobju 1200 sekund.

Trajanje preobremenitve lahko negativno vpliva na stanje električne opreme – pri kratkotrajnem delovanju 5–10 minut se segreje samo navitje motorja, ki ima majhno maso. Pri daljših preobremenitvah pa se segreje cel motor, kar lahko povzroči resne okvare. Lahko pa je celo potrebna zamenjava pregorele opreme z novo.

Da bi objekt čim bolj zaščitili pred preobremenitvijo, je treba uporabiti toplotni zaščitni rele, katerega odzivni čas bo ustrezal največjim dovoljenim vrednostim preobremenitve določenega elektromotorja.

V praksi ni smotrno sestavljati releja za nadzor napetosti za vsak tip motorja. En relejni element se uporablja za zaščito motorjev različnih konstrukcijskih izvedb. Pri tem ni mogoče zagotoviti zanesljive zaščite v celotnem delovnem območju, omejenem z minimalno in maksimalno obremenitvijo.

Povišanje tokovnih vrednosti ne povzroči takoj nevarnega izrednega stanja opreme. Preden se rotor in stator segrejeta na mejno temperaturo, preteče nekaj časa.

Zato ni nujno, da se zaščitna naprava odzove na vsako, tudi majhno povišanje toka. Rele naj izklopi elektromotor le v primerih, ko obstaja nevarnost hitre obrabe izolacijske plasti.

Vrste relejev za toplotno zaščito

Obstaja več vrst relejev za zaščito električnih motorjev pred izpadom faz in tokovnimi preobremenitvami. Vsi se razlikujejo po konstrukcijskih značilnostih, vrsti uporabljenih MP in uporabi v različnih motorjih.

TRP. Enopolna stikalna naprava s kombiniranim sistemom ogrevanja. Namenjena je zaščiti asinhronih trifaznih elektromotorjev pred tokovnimi preobremenitvami. TRP se uporablja v enosmernih električnih omrežjih z osnovno napetostjo pri normalnem delovanju največ 440 V. Odlikuje ga odpornost na vibracije in udarce.

RTL. Motorjem zagotavljajo zaščito v naslednjih primerih:

• pri izpadu ene od treh faz;
• pri asimetriji tokov in preobremenitvah;
• pri podaljšanem zagonu;
• pri blokadi izvršilnega mehanizma.

Lahko jih namestite s sponkami KRL ločeno od magnetnih zaganjalnikov ali pa jih namestite neposredno na PML. Nameščajo se na standardne letvice, stopnja zaščite – IP20.

RTT. Ščitijo asinhrone trifazne stroje s kratkostičnim rotorjem pred zapoznelim zagonom mehanizma, dolgotrajnimi preobremenitvami in asimetrijo, to je faznim zamikom.

RTT lahko uporabimo kot sestavne dele v različnih shemah krmiljenja električnih pogonov, pa tudi za integracijo v zaganjalnike serije PMA

TRN. Dvofazna stikala, ki nadzorujejo zagon električne napeljave in način delovanja motorja. Skoraj niso odvisna od temperature okolice, imajo le sistem ročnega vračanja kontaktov v začetno stanje. Uporabljajo se lahko v enosmernih omrežjih.

RTI. Električne preklopne naprave s stalno, čeprav majhno porabo električne energije. Montirajo se na kontaktorje serije KMI. Delujejo skupaj z varovalkami/samodejnimi odklopniki.

Polprevodniški tokovni releji. So majhne elektronske naprave za tri faze, v katerih konstrukciji ni gibljivih delov.

Delujejo po načelu izračunavanja povprečnih vrednosti temperature motorja, pri čemer stalno spremljajo delovni in zagonski tok. Odlikuje jih neobčutljivost na spremembe v okolju, zato se uporabljajo v eksplozivno nevarnih območjih.

RTK. Zaganjalna stikala za nadzor temperature v ohišju električne opreme. Uporabljajo se v shemah avtomatike, kjer toplotni releji delujejo kot sestavni deli.

Da bi zagotovili zanesljivo delovanje električne opreme, mora imeti relejni element lastnosti, kot so občutljivost, hitro delovanje in selektivnost.

Pomembno je vedeti, da nobena od zgoraj obravnavanih naprav ni primerna za zaščito tokokrogov pred kratkim stikom.

Naprave toplotne zaščite le preprečujejo zasilne načine, ki nastanejo ob neobičajnem delovanju mehanizma ali preobremenitvi.

Električna oprema lahko pregori še pred začetkom delovanja releja. Za celovito zaščito jih je treba dopolniti z varovalkami ali kompaktnimi samodejnimi odklopniki modularne konstrukcije.

Priključitev, nastavitev in označevanje

Preobremenitveno stikalo v nasprotju z električnim avtomatom ne prekine neposredno močnostnega tokokroga, temveč le pošlje signal za začasni izklop objekta v zasilnem načinu. Normalno vklopljeni kontakt pri njem deluje kot gumb »stop« na kontaktorju in se priključi v zaporedni shemi.

Shema priključitve naprav

V konstrukciji releja ni treba ponoviti vseh funkcij močnostnih kontaktov ob uspešnem delovanju, saj je priključen neposredno na MP. Takšna izvedba omogoča znaten prihranek materiala za močnostne kontakte. Veliko lažje je v krmilnem tokokrogu priključiti majhen tok, kot takoj odklopiti tri faze z velikim.

V mnogih shemah priključitve toplotnega releja na objekt uporabljajo stalno zaprt kontakt. Ta se zaporedno poveže s tipko 'stop' na nadzorni plošči in se označi kot NZ – normalno zaprt, ali NC – normal connected.

Odprt kontakt pri takšni shemi se lahko uporabi za inicializacijo delovanja toplotne zaščite. Sheme priključitve elektromotorjev, v katere je vključen toplotni zaščitni rele, se lahko močno razlikujejo glede na prisotnost dodatnih naprav ali tehničnih značilnosti.

V standardni preprosti shemi se TR priključi na izhod nizkonapetostnega zaganjalnika za električni motor. Dodatni kontakti naprave se obvezno zaporedno povežejo s tuljavo zaganjalnika.

To bo zagotovilo zanesljivo zaščito pred preobremenitvami električne opreme. V primeru nedopustnega preseganja mejnih vrednosti toka bo relejni element odprl tokokrog in takoj odklopil MP in motor od električnega napajanja.

Priključitev in namestitev toplotnega releja se praviloma izvedeta skupaj z magnetnim zaganjalnikom, namenjenim za komutacijo in zagon električnega pogona. Vendar obstajajo vrste, ki se montirajo na DIN-letev ali posebno ploščo.

Tankosti nastavljanja relejnih elementov

Ena od glavnih zahtev za naprave za zaščito elektromotorjev je jasno delovanje aparatov ob pojavu izrednih načinov delovanja motorja. Zelo pomembno je, da se rele pravilno izbere in da se nastavitve prilagodijo, saj so lažni vklopi popolnoma nesprejemljivi.

Elektrotermični rele, ki optimalno ustreza določenemu tipu motorja glede vseh tehničnih parametrov, je sposoben zagotoviti zanesljivo zaščito pred preobremenitvami na vsaki fazi, preprečiti dolgotrajen zagon naprave in preprečiti izredne situacije z blokado rotorja.

Med prednosti uporabe tokovnih zaščitnih elementov je treba omeniti tudi precej visoko hitrost in širok razpon delovanja, enostavnost montaže. Da bi zagotovili pravočasen izklop elektromotorja pri preobremenitvi, je treba toplotni zaščitni rele nastaviti na posebni platformi/stojalu.

V tem primeru se izključi netočnost zaradi naravnega neenakomernega razprševanja nazivnih tokov v NE. Za preverjanje zaščitne naprave na stojalu se uporablja metoda navideznih obremenitev.

Skozi termoelement se spusti električni tok znižane napetosti, da se simulira realna toplotna obremenitev. Nato se s časovnikom brezhibno določi natančen čas sprožitve.

Pri nastavljanju osnovnih parametrov si je treba prizadevati za naslednje vrednosti:

• Pri 1,5-kratnem toku mora naprava izklopiti motor po 150 s;
• Pri 5…6-kratnem toku mora naprava izklopiti motor po 10 s.

Če čas sprožitve ne ustreza normi, je treba relejni element prilagoditi s pomočjo krmilnega vijaka.

Za pravilno delovanje je treba napravo obvezno nastaviti na največji dovoljeni električni tok motorja in temperaturo zraka

To se naredi v primerih, ko se vrednosti nazivnega toka NE in motorja razlikujejo, ter tudi če je temperatura okolice nižja od nazivne (+40 °C) za več kot 10 stopinj Celzija.

Sprožilni tok elektrotermičnega stikala se zmanjšuje z naraščanjem temperature okoli obravnavanega objekta, saj je segrevanje bimetalnega traku odvisno od tega parametra. Pri pomembnih odstopanjih je treba dodatno prilagoditi TR ali izbrati ustreznejši termoelement.

Močna nihanja temperaturnih vrednosti močno vplivajo na delovanje tokovnega releja. Zato je zelo pomembno izbrati NE, ki je sposoben učinkovito opravljati osnovne funkcije ob upoštevanju dejanskih vrednosti.

TR je priporočljivo namestiti v istem prostoru kot zaščiteno električno napeljavo. Ne smejo se montirati blizu toplotnih generatorjev, grelnih peči in drugih virov toplote.

Te omejitve ne veljajo za releje s temperaturno kompenzacijo. Tokovno nastavitev zaščitne naprave je mogoče nastaviti v območju 0,75-1,25-kratne vrednosti nazivnega toka termoelementa. Nastavitev se izvaja postopoma.

Najprej se izračuna popravek E₁ brez temperaturne kompenzacije:

E₁=(I_nom-I_ne)/c×I_ne,

Kjer

• I_nom – nazivni tok obremenitve motorja,
• I_ne – nazivni tok delovnega grelnega elementa v releju,
• c – vrednost delitve lestvice, to je ekscentrika (c=0,055 za zaščitene zaganjalnike, c=0,05 za odprte).

Naslednji korak je določitev popravka E₂ za temperaturo okoliškega zraka:

E₂=(t_a-30)/10,

Kjer je t_a (ambient temperature) – temperatura zunanjega okolja v stopinjah Celzija.

Zadnja faza je izračun skupnega popravka:

E=E₁+E₂.

Skupni popravek E ima lahko predznak »+« ali »-«. Če je rezultat decimalna vrednost, jo je treba obvezno zaokrožiti na celo število navzdol/navzgor po modulu, odvisno od narave tokovne obremenitve.

Da bi nastavili rele, je treba ekscenter premakniti na dobljeno vrednost skupnega popravka. Visoka temperatura sprožitve zmanjšuje odvisnost delovanja zaščitne naprave od zunanjih dejavnikov.

Rele toplotne zaščite omogoča ročno gladko nastavitev vrednosti sprožitvenega toka naprave v območju ±25% nazivnega toka elektromehanske naprave.

Nastavitev teh parametrov se izvaja s posebno ročico, katere premikanje spremeni začetni upogib bimetalne plošče. Nastavitev sprožitvenega toka v širšem območju se izvaja z zamenjavo termočlenov.

V sodobnih stikalnih napravah za zaščito pred preobremenitvijo je testni gumb, ki omogoča preverjanje delovanja naprave brez posebnega stojala. Prav tako je tipka za ponastavitev vseh nastavitev. Ponastavite jih lahko samodejno ali ročno. Poleg tega je izdelek opremljen z indikatorjem trenutnega stanja električne naprave.

Oznake elektrotoplotnih relejev

Zaščitne naprave se izbirajo glede na moč električnega motorja. Večji del ključnih karakteristik je skrit v oznaki.

Tako izgleda oznaka toplotnih relejev tovarne KEAZ. Pomembno je, da pri izbiri pazite na vrednost nazivnega toka obravnavanega modela, da bo ta zadostna.

Pozornost je treba nameniti posameznim vidikom:

1. Območje vrednosti nastavitvenih tokov (navedeno v oklepajih) se pri različnih proizvajalcih minimalno razlikuje.
2. Črkovne oznake določenega tipa izvedbe se lahko razlikujejo.
3. Klimatska izvedba je pogosto podana v obliki območja. Na primer, UHL3O4 je treba brati kot: UHL3-O4.

Danes je mogoče kupiti najrazličnejše različice naprave: releje za izmenični in enosmerni tok, monostabilne in bistabilne, naprave z zakasnitvijo pri vklopu/izklopu, releje toplotne zaščite s pospeševalnimi elementi, TR brez zadrževalnega navitja, z enim navitjem ali več.

Ti parametri niso vedno prikazani v oznaki naprav, vendar morajo biti obvezno navedeni v tehničnem listu elektrotehničnih izdelkov.

Z napravo, različicami in oznako elektromagnetnega releja vas bo seznanil naslednji članek, ki ga priporočamo v branje.

Zaključki in koristen video na to temo

Zgradba in princip delovanja tokovnega releja za učinkovito zaščito elektromotorja na primeru naprave RTT 32P:

Pravilna zaščita pred preobremenitvijo in izpadom faz je ključ do dolgotrajnega brezhibnega delovanja električnega motorja. Video o tem, kako reagira relejni element v primeru neobičajnega delovanja mehanizma:

Kako priključiti napravo toplotne zaščite na MP, principialne sheme elektrotermičnega releja:

Toplotno zaščitni rele proti preobremenitvam je obvezen funkcionalni element vsakega sistema za upravljanje električnega pogona. Odziva se na tok, ki teče do motorja, in se aktivira, ko temperatura elektromehanske naprave doseže mejne vrednosti. To omogoča maksimalno podaljšanje življenjske dobe okolju prijaznih elektromotorjev.

Pišite, prosim, komentarje v spodnjem bloku. Povejte, kako ste izbrali in nastavili toplotni rele za svoj elektromotor. Delite koristne informacije, postavljajte vprašanja, objavljajte fotografije na temo članka.