Електронні реле напруги

Електронне реле напруги – повністю автоматичний прилад, який захищає електротехнічні вироби від недопустимих змін напруги в електричній мережі. Універсальне, двохпорогове електронно-механічне реле максимального і мінімального рівня напруги призначене для від­сте­жування допустимої величини напруги. Принцип дії такого реле може базуватися на використанні двохпорого­вого компаратора, зібра­ного на базі інтегральної мікросхеми, і налаштованого на задані величини напруги. Сигнал з компаратора керує однополюсним реле, котре в свою чергу комутує фазовий полюс реле напруги.

Теплове реле

Довговічність енергетичного устаткування в значній мірі залежить від перевантажень, яким воно піддається під час роботи. Для будь-якого об'єкта можна знайти залежність допустимої тривалості протікання струму від його значення, при якому забезпечується надійна і тривала його експлуатація. При номінальному струмі допустима тривалість його протікання прямує до нескінченності. Протікання струму, що перевищує номінальний, приводить до додаткового підвищення температури і додатковому старіння ізоляції. Тому чим більше струм перевантаження, тим меншою повинна бути його тривалість.

Теплове реле – електричний апарат призначений для захисту облад­нання від перенавантажень, недопустимої тривалості, і несиметричних режимів роботи при зникненні однієї з фаз електричної мережі. Принцип дії теплового реле з біметалевим елементом базується на темпе­ратурній деформації металу з різним коефіцієнтом теплового розширення, а принцип дії теплового реле з напівпровідниковим елементом (термістором PTC-типу) - на різкому збільшенні опору термістора при досягнені деякої температура TRef.

Біметалевий елемент складається з двох пластин з різним коефіцієнтом лінійного розширення . У місці прилягання одна до другої пластини жорстко скріплені за рахунок прокату в гарячому стані, або зварюванням. Якщо такий елемент закріпити нерухомо і нагріти, то відбудеться його вигин у бік матеріалу з меншим . Для одержання більшого прогину необхідний елемент великої довжини і малої товщини. У той же час при необхідності одержання великого зусилля доцільно мати широкий елемент із малою довжиною і великою товщиною. Широке поширення в теплових реле одержали такі матеріали, як інвар (мале значення ) і хромонікелева сталь (велике значення ).

Нагрівання біметалевого елемента може здійснюватися за рахунок тепла, що виділяється при протіканні струму навантаження в самій пластині чи в спеціальному нагрівачі. Кращі характеристики виходять при комбінованому нагріві, коли пластина нагрівається і за рахунок струму, який протікає через неї, і за рахунок тепла, що виділяється спеціальним нагрівачем, через який протікає той же струм навантаження.

Основною характеристикою теплового реле є залежність часу спрацювання від струму навантаження (часострумова характеристика). До початку перевантаження через біметалеву пластину протікає струм І₀ , що нагріває її до температури ₀. Залежність часу спрацювання від струму для цього випадку має вид:

де Т—стала часу нагріву реле; І₀ –попередній струм навантаження, що протікає через елемент; І_ — струм, при якому реле спрацьовує за час t>>T; I—струм, при якому реле спрацьовує за час t_спр.

Виразивши струми у відносних одиницях: х=І/І_ном; х_спр=І_/І_ном; =І₀/І_ном, одержимо:

або ,

якщо реле включається в холодному стані (₀=0).

Для оцінки ефективності захисту будуються часострумові характеристики об'єкта, що захищається, і біметалевого елемента теплового реле. Для побудови цих характеристик використовуються паспортні чи розрахункові дані. Струм І_спр реле складає (1,2—1,3) І_ном. Захисні характеристики біметалевого елемента будуються для =0 і =1. При правильному виборі реле часострумова характеристика при =0 повинна проходити поблизу і нижче характеристики об'єкта, що захищається. Тоді при попередньому підігріві номінальним струмом реле забезпечує надійний захист.

Температура біметалевого елемента залежить від температури навколишнього середовища, з ростом якої струм спрацювання реле зменшується. Для номінальної температури _ном навколишнього середовища (звичайно 40 °С) можна записати:

де І_{спр.ном}—струм спрацювання реле при номінальній температурі _ном ; -конструктивний параметр, що залежить від розмірів, матеріалу і коефіцієнта тепловіддачі біметалічного елемента; _спр—температура біметалічного елемента, при якій спрацьовує реле.

При температурі навколишнього середовища , що сильно відрізняється від номінальної, необхідне або додаткове (плавне) регулювання реле, або підбор нагрівального елемента з урахуванням цієї температури. Для того щоб температура навколишнього середовища менше впливала на струм спрацьовування, значення _спр необхідно вибирати можливо великим. Теплові реле бажано розташовувати в одному приміщенні з об'єктом, що захищається. Не можна розташовувати реле поблизу концентрованих джерел тепла - нагрівних печей, систем опалення і т.д. Ці обмеження не відносяться до реле з температурною компенсацією.

Конструкція теплових реле.

Рис. 14.9. Будова переми­каю­чого контакту теплового реле

Будь-які теплові впливи інерційні за своєю природою, і прогин біметалічної пластини відбувається повільно. Якщо з пластиною безпосередньо зв'язати рухливий контакт, то мала швидкість його руху не забезпечує гасіння дуги при відключенні кола. Тому вплив пластини на контакт переда­ється, як правило, через прискорюючі пристрої, найбільш досконалим з яких є «стрибаючий» контакт (рис. 14.9). У холодному стані біметалічна пластина 3 займає крайнє ліве положення. Пружина 1 створює силу Р, що замикає контакти 2. При нагріванні пластини 3 вона вигинається вправо (по стрілці). У момент, коли пластина 3 спрямована на центр 0, пружина 1 розвиває максимальну силу. При подальшому нагріванні пружина 1 швидко переходить у крайнє праве положення і контакти 2 розмикаються з великою швидкістю, забезпечуючи надійне гасіння дуги.

У промисловості використовуються однофазні (ТРП) чи двофазні (ТРН) теплові реле.

Рис. 14.10. Будова теплового реле ТРП

Реле типу ТРП (рис. 14.10) має комбіновану систему нагрівe. Біметалева пластина 1 нагріва­ється як за рахунок проходження через неї стру­му, так і за рахунок нагрівника 5. При прогині кінець біметалевої пластини впливає на «стриба­ю­чий» контактний місток 3. Реле допускає плав­не ручне регулю­вання струму спрацювання в ме­жах ±25 % номінального струму уставки. Це ре­гу­лювання здійснюється ручкою 2, що змінює попередню деформацію біметалічної пластини. Повернення реле у вихідне положення після спрацювання здійснюється кнопкою 4. Можливе виконання і з самоповерненням після остигання.

Висока температура спрацювання (вище 200⁰С) зменшує залежність роботи реле від температури довкілля. Уставка міняється на 5% при зміні температури навколишнього середовища на 10⁰С. Реле має високу ударо- і вібростійкість

Рис. 14.10. Будова теплового реле ТРН

Реле ТРН (рис. 14.11) складається з пластмасового корпусу, розділеного на три частини. У крайніх частинах розміщені нагрівальні елементи 1, а у середній — температурний компенсатор 3, регулятор струму спрацювання 4, механізм розчіплювача, який розмикає контакт мостикового типу і важіль ручного повернення. Струм уставки можна регулювати в межах ±25% від номінального струму. При протіканні струму переван­таження через нагрівальний елемент основна біметалева пластинка 2, деформуючись, переміщає управо штовхач 10, жорстко зв'язаний з біметалевою пластинкою 3 темпера­турного компенсатора. Напрям деформації пластини 3 протилежний до напряму деформації основної пластинки. Не зважаючи на протидію, пластинка температурного компен­сатора теж починає переміщатися управо. При цьому защіпка 7 звільняється, і штанга розчіплювача 6 під дією пружини 9 відходить вгору, а контакти 8 реле розмикаються.

Через інерційність теплового процесу теплові реле, що мають біметалевий елемент, непридатні для захисту кіл від КЗ. Нагрівальні елементи в даному випадку можуть перегоріти до спрацювання реле. Тому захист за допомогою таких реле повинний бути доповнений електромагнітними реле, запобіжниками чи автоматичними вимикачами.

Необхідно також відзначити, що постійна часу нагрівання об'єкта, який захищається за допомогою теплового реле, (наприклад, двигуна) залежить від тривалості перевантаження. При короткочасних перевантаженнях у нагріві бере участь тільки обмотка двигуна і постійна часу невелика (5—10 хв). При тривалому перевантаженні в нагріві бере участь уся маса двигуна. Постійна часу нагріву потужних двигунів – 40-60 хв. Для досконалого захисту необхідно, щоб постійна часу нагріву реле була така ж, як і в об'єкта, який захищається. Це вдається в тому випадку, якщо реле розробляється для захисту конкретного двигуна. На практиці розробка теплового реле для кожного типу двигуна недоцільна і одне й те ж саме реле використовується для захисту двигунів різної конструк­ції. При цьому забезпечити надійний захист у всьому діапазоні перевантажень не вдається.

Ефективний захист електродвигунів від перевантаження може бути побудований і на використанні теплової моделі електродвигуна, що базується на вимірюванні спожитого двигуном струму. Такі теплові моделі широко використовують у мікропроцесорних системах захисту.