5.3. Электротепловые реле защиты
Электротепловые реле, называемые также тепловыми реле, используют для защиты электродвигателей от перегрузки при токах в двигателе, превышающих от 1,2 до 5 раз номинальный ток двигателя. Узел защиты выполняют по схеме рис. 5.1б.
Воспринимающим элементом теплового реле служит биметаллический электротепловой преобразователь (см. [1] п. 3.4). В реле применяется механическая передача с защелкой (см. [1] п. 3.2). Предусматривается ручное включение реле с помощью механического привода и автоматическое отключение реле воздействием биметаллической пластины на защелку.
Нагрев биметаллического элемента может происходить за счет тепла, выделяемого током нагрузки в самой пластине или в специальном нагревателе. Лучшие времятоковые характеристики реле получаются при комбинированном нагреве, когда биметаллическая пластина нагревается и за счет проходящего через нее тока, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, обтекаемым тем же током нагрузки.
При выборе теплового реле необходимо согласовать его времятоковую характеристику с характеристикой нагрева защищаемого объекта (электродвигателя). Чем больше ток перегрузки I относительно номинального тока IНдв двигателя, тем быстрее двигатель нагревается, что может привести к его перегреву и выходу из строя. Постоянная времени нагрева электродвигателя зависит от длительности перегрузки. При кратковременных перегрузках в нагреве участвует только обмотка двигателя и постоянная времени невелика (5…10 мин.) из-за относительно малой массы обмотки. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса двигателя. Постоянная времени нагрева для мощных двигателей – 40…60 мин. Для совершенной защиты необходимо, чтобы, постоянная времени нагрева ТР реле была такой же, как и у защищаемого двигателя. На практике тепловые реле не разрабатываются для каждого типа двигателя. Поэтому одно и то же реле используется для защиты двигателей разной конструкции, и постоянные времени нагрева реле и двигателя могут существенно различаться.
Обозначим через I∞ ток, при котором тепловое реле срабатывает за время tср>>ТР , через Iнач – установившийся ток до начала перегрузки, под влиянием которого биметаллическая пластина воспринимающего элемента реле нагрелась до температуры θнач, превышающей температуру окружающей среды. Тогда зависимость времени срабатывания tср реле от тока перегрузки I >I∞ можно представить в виде [9]:
.
На рис. 5.4а представлены зависимости времени срабатывания tср при 0< Iнач< I∞ и t′ср при Iнач=0 от относительного значения тока перегрузки I/I∞ .
Времятоковая характеристика теплового реле позволяет определить время срабатывания реле (τср) при определенном значении тока перегрузки. На графиках рис. 5.5 по оси ординат отложено примерное время срабатывания реле в секундах.
Характеристика нагрева двигателя показана на рис. 5.5б. Она представляет собой зависимость допустимого времени tдв нахождения двигателя под током перегрузки (когда температура двигателя достигает заданного предельного значения) от отношения I/IНдв, где IНдв- номинальный ток двигателя. Времятоковые характеристики tср1 и tср2 соответствуют разным тепловым реле. У одного реле (характеристика tср1) ток срабатывания I∞ равен номинальному току двигателя IНдв, у другого (характеристика tср2) на 20% больше. Защитная характеристика реле и характеристика нагрева двигателя согласованы лучше при использовании второго реле.
При защите электродвигателей от перегрузки времятоковая характеристика реле должна удовлетворять следующим условиям:
отключение двигателя должно происходить при перегреве, не превышающем допустимого значения;
время срабатывания реле должно быть таким, чтобы можно было полнее использовать перегрузочную способность двигателя и осуществлять (при необходимости) прямой пуск двигателя от сети.
Характеристика правильно выбранного реле должна располагаться ниже и вблизи характеристики нагрева двигателя. В эксплуатационных условиях согласование характеристик реле и двигателя достигается выбором реле с номинальным током IНреле=1,2I∞, равным номинальному току IНдв двигателя. В этом случае, как правило, обеспечивается срабатывание реле в течение 5…20 минут при силе тока, превышающей номинальный ток (IНреле) на 35…40% [9].
На рис. 5.6 приведена электрическая схема, иллюстрирующая применение тепловых реле КК1 и КК2 для защиты асинхронного двигателя М от перегрузки.
Электротепловые реле типа ТРТ обеспечивают защиту асинхронного двигателя в следующих условиях: при длительной (свыше 20 мин) перегрузке двигателя током свыше 1,35IНреле; при затяжном пуске; при обрыве одной фазы. Регулятор реле позволяет изменять уставку тока в пределах ±0,15IНреле. Контакты реле коммутируют переменный ток до 10 А (при U=380 В, cosφ=0,4) или постоянный ток 0,5 А (в индуктивной цепи с постоянной времени 0,05 с и U=220 В). Электрическая износоустойчивость 104 срабатываний.
В схеме на рис. 5.6 кроме защиты от перегрузки реализована нулевая защита на контакторе КМ.