Как работает тепловое реле

Тепловое реле — электромеханический аппарат защиты, отключающий электродвигатель от сети при длительной токовой перегрузке. Принцип работы теплового реле основан на нагреве биметаллической пластины током нагрузки и её изгибе при достижении установленной температуры: изгибающееся биметаллическое полотно через систему рычагов размыкает контакт в цепи катушки магнитного пускателя, и пускатель силовыми контактами отключает двигатель. Само реле не коммутирует силовую цепь и не защищает от короткого замыкания — это задача автоматического выключателя или плавких предохранителей; тепловое реле работает только с длительными перегрузками, которые вызывают перегрев обмоток статора и ускоренное старение изоляции.

В статье разобраны устройство и принцип работы теплового реле, нагрев биметаллической пластины током, уставка тока и температурная компенсация, классы срабатывания по ГОСТ IEC 60947-4-1-2021, время-токовая характеристика, совместная работа с магнитным пускателем и порядок настройки.

Назначение и принцип работы

Тепловое реле перегрузки предназначено для защиты электродвигателя от длительных перегрузок по току, приводящих к перегреву обмоток и разрушению изоляции статора. Перегрузка возникает при увеличении момента сопротивления на валу (заклинивание, износ подшипников, перегруз механизма), при обрыве одной из фаз трёхфазной сети, при затяжном пуске под нагрузкой и в ряде аварийных режимов сети.

Принцип работы теплового реле — имитация теплового состояния обмотки двигателя по закону Джоуля-Ленца: реле нагревается тем же током, что и двигатель, и «устаёт» примерно с той же постоянной времени, что и обмотка статора. При длительном превышении тока над уставкой нагрев биметаллической пластины достигает порога, она изгибается и через защёлку приводит в действие вспомогательные контакты. Размыкается нормально-замкнутый контакт в цепи катушки магнитного пускателя — пускатель обесточивается, и его силовые контакты отключают двигатель.

Тепловое реле не измеряет температуру обмотки напрямую — оно нагревается тем же током, что и двигатель, и срабатывает с близкой тепловой инерцией.

Устройство теплового реле

Основные элементы конструкции:

• Нагревательный элемент — токопроводящая спираль или шина, по которой проходит ток нагрузки. В реле прямого нагрева ток идёт непосредственно по биметаллу; в реле косвенного нагрева — по обмотке, намотанной на изолированной от пластины основе.
• Рабочая биметаллическая пластина — две скреплённые полосы металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения. При нагреве пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом.
• Компенсирующая биметаллическая пластина — вспомогательный биметаллический элемент, изгибающийся под действием температуры окружающего воздуха. Включена в кинематическую схему противодействующим звеном — для исключения ложных срабатываний при изменении температуры в шкафу.
• Толкатель и рычажная система — передаёт перемещение биметалла на защёлку коммутационного механизма.
• Защёлка с пружиной — накапливает потенциальную энергию пружины и при срабатывании мгновенно (скачком) переключает контакты, исключая дугообразование на «полупути».
• Вспомогательные контакты — нормально-замкнутый (НЗ, обычно 95–96) в цепи катушки контактора и нормально-разомкнутый (НР, обычно 97–98) для сигнализации.
• Регулятор уставки — поворотная или ползунковая шкала, изменяющая зазор в кинематической цепи: чем больше уставка, тем большее перемещение биметалла нужно для срабатывания.
• Кнопка ручного сброса (RESET) и переключатель режима «ручной / автоматический возврат», кнопка TEST для имитации срабатывания, кнопка STOP для принудительного отключения.

В трёхполюсном тепловом реле — три рабочих биметаллических пластины (по одной на каждую фазу) и дифференциальный механизм: при обрыве одной фазы две оставшиеся нагреваются сильнее, разность их изгибов ускоряет срабатывание защёлки. Это даёт частичную защиту от неполнофазного режима — типичной причины выгорания обмоток статора.

Биметалл и нагрев током

Биметаллическая пластина — основной чувствительный элемент. Она представляет собой композит из двух скреплённых по всей длине металлических полос: одна с большим коэффициентом линейного расширения (активный слой), другая — с малым (пассивный слой). При нагреве удлинение слоёв различно, а так как они механически связаны, вся пластина изгибается в сторону пассивного слоя. Стрела прогиба зависит от температуры, длины и толщины пластины, а также от разности коэффициентов расширения.

Время-токовая характеристика теплового реле — нелинейная, обратнозависимая (инверсная): при небольшом превышении тока над уставкой реле срабатывает за минуты или десятки минут, при значительной перегрузке (заклинивание ротора, ток 6–8 номиналов) — за секунды. Такая характеристика повторяет логику нагрева обмотки и позволяет двигателю переносить кратковременные перегрузки (пуск, кратковременный технологический пик), не отключаясь, но защищает от длительных режимов, опасных для изоляции.

Уставка тока и компенсация температуры

Уставка теплового реле I_уст (в международной литературе и каталогах — I_r) — значение тока, при котором определяется время-токовая характеристика реле. Базовое правило настройки: уставка устанавливается равной номинальному току защищаемого двигателя, указанному на его шильдике (заводской табличке). При большой неравномерности нагрузки или склонности к ложным срабатываниям уставку допустимо несколько загрублять (в пределах коэффициента 1,05–1,15 от номинального тока), но завышение «на всякий случай» снимает защитные свойства реле.

Регулятор уставки имеет шкалу в амперах в пределах диапазона регулирования конкретного типоразмера реле. Диапазоны регулирования у разных серий перекрывают друг друга — это позволяет подобрать реле для любого номинального тока двигателя из стандартного ряда.

Температурная компенсация. В тепловое реле включена компенсирующая биметаллическая пластина, изгибающаяся под действием температуры окружающего воздуха. В кинематической схеме она работает противодействующим звеном по отношению к рабочему биметаллу: при росте температуры воздуха обе пластины изгибаются согласованно, и порог срабатывания смещается так, чтобы реле реагировало только на нагрев током нагрузки, а не на температуру шкафа. Точное значение компенсации указывается в технических условиях на конкретный тип реле; диапазон допустимой температуры окружающей среды — также в паспортных данных.

Время-токовая характеристика и классы расцепления

По ГОСТ IEC 60947-4-1-2021 (идентичен международному стандарту IEC 60947-4-1:2018) тепловые реле классифицируются по классам расцепления — максимальному времени срабатывания при определённой кратности тока. Класс выбирается так, чтобы время срабатывания было больше длительности пуска двигателя, иначе реле будет отключать привод на пуске.

Помимо класса, ГОСТ IEC 60947-4-1-2021 нормирует ряд других точек время-токовой характеристики: при кратности тока 1,05·I_уст реле не должно срабатывать в течение определённого времени (зона «нечувствительности»), а при кратности 1,2·I_уст и выше — должно гарантированно сработать в установленный по классу срок. Эти условия проверяются на типовых испытаниях по стандарту.

Класс расцепления указывается на корпусе реле и в каталоге производителя; конкретное значение должно соответствовать характеру пуска защищаемого двигателя.

Работа с магнитным пускателем

Тепловое реле применяется в составе пускателя электродвигателя. По ГОСТ IEC 60947-4-1-2021 пускатель электродвигателя — комбинация коммутационных устройств, необходимых для пуска и остановки электродвигателя, с защитой от перегрузок. Стандартная компоновка: контактор (магнитный пускатель), к нижним силовым выводам которого подключается тепловое реле через специальные шинки или непосредственно «под контактор», а далее идёт кабель к двигателю.

Логика работы пары «пускатель + тепловое реле»:

1. Включение. Подаётся напряжение на катушку контактора через цепь управления (кнопка «Пуск», блок-контакт самопитания, нормально-замкнутый контакт теплового реле 95–96). Контактор втягивается и замыкает силовую цепь. Через силовые контакты ток идёт на двигатель и через биметаллические элементы теплового реле.
2. Длительная работа. При номинальном токе биметаллические элементы нагреваются слабо, защёлка остаётся взведённой, контакт 95–96 замкнут. Реле сигнализирует «нормальный режим».
3. Перегрузка. Ток превышает уставку; через интервал по время-токовой характеристике биметалл изгибается достаточно для срабатывания защёлки. Контакт 95–96 размыкается, катушка контактора обесточивается, силовые контакты пускателя расходятся, двигатель отключается. Замыкается контакт 97–98, выдавая сигнал «сработала тепловая защита».
4. Остывание. Биметалл остывает; через несколько минут пластина возвращается в исходное состояние и защёлка может быть взведена кнопкой сброса.

Тепловое реле подбирается под контактор той же серии — конструкция корпусов согласована: межцентровые расстояния силовых выводов, размер шинок, форма штанги передачи блок-контактов, посадочные элементы крепления. Для двигателей большой мощности тепловое реле подключают через измерительные трансформаторы тока, чтобы не пропускать через биметалл полный ток нагрузки.

Сброс, ручной и автоматический возврат

После срабатывания тепловое реле блокируется в состоянии «сработано» до выполнения сброса. На корпусе реле имеются органы управления:

• Кнопка RESET (сброс). Возвращает защёлку в рабочее положение после остывания биметалла. Если биметалл ещё горячий, нажатие не сработает — это исключает «горячий перезапуск» при сохраняющейся причине перегрузки.
• Переключатель режима возврата H/A (ручной/автоматический). В режиме «Ручной» (H, Hand, M, Manual) реле остаётся в состоянии «сработано» до нажатия кнопки RESET — это безопаснее, так как требует осознанного вмешательства оператора. В режиме «Автоматический» (A, Auto) защёлка взводится самостоятельно при остывании биметалла, и при сохраняющейся команде «Пуск» двигатель включится повторно — режим применяется в системах с автоматическим перезапуском, но требует анализа последствий.
• Кнопка TEST. Имитирует механическое срабатывание защёлки без реальной перегрузки; используется при пусконаладке для проверки правильности подключения цепи управления к контактам 95–96 теплового реле.
• Кнопка STOP. Принудительно размыкает контакт 95–96, отключая контактор и двигатель.

Что тепловое реле не защищает

Тепловое реле — узкоспециализированный аппарат защиты от длительной перегрузки по току. Самостоятельно оно не обеспечивает целого ряда защит, которые в общей схеме привода должны реализовывать другие устройства:

• Короткое замыкание. Тепловое реле не отключает токи КЗ — это задача автоматического выключателя или плавкого предохранителя, рассчитанных на отключающую способность сети. Биметаллическая пластина и контактная система реле не выдержат тока КЗ и могут выйти из строя.
• Обрыв фазы (полностью). Трёхполюсное реле с дифференциальным механизмом частично реагирует на неполнофазный режим, но не на все его варианты. Для полноценной защиты применяют реле контроля фаз или электронные реле перегрузки с функцией контроля симметрии.
• Превышение напряжения сети. Тепловое реле не реагирует на отклонения напряжения от номинального — задача реле контроля напряжения.
• Заклинивание ротора при пуске. При неудачном пуске под нагрузкой биметалл успевает нагреться, но в пределах времени по выбранному классу расцепления — это нормальная функция. А вот защита от затяжного разгона при пониженном напряжении сети должна обеспечиваться отдельно.
• Повторно-кратковременный режим S3 и режим с частыми пусками. Из-за различий тепловых постоянных времени реле и двигателя в режимах S3–S8 тепловое реле может не обеспечивать надёжной защиты; ГОСТ IEC 60947-4-1-2021 прямо рекомендует согласовывать защиту между изготовителем и потребителем для повторно-кратковременных режимов.

Базовая комплектная защита асинхронного двигателя включает: автоматический выключатель (или предохранители) — от КЗ; магнитный пускатель — для коммутации; тепловое реле — от перегрузки; при необходимости — реле контроля фаз и напряжения. В современных системах функции теплового реле и автоматического выключателя объединяют в устройствах защиты электродвигателя (MPSD) — автомат защиты двигателя с электромагнитным расцепителем КЗ и тепловым расцепителем перегрузки в одном корпусе.

Стандарты и нормативная база

Основной действующий стандарт для тепловых реле, входящих в состав пускателей электродвигателей, — ГОСТ IEC 60947-4-1-2021 «Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 4-1. Контакторы и пускатели. Электромеханические контакторы и пускатели», идентичный международному IEC 60947-4-1:2018. Стандарт распространяется на электромеханические контакторы и пускатели, включая устройства защиты электродвигателей (MPSD); устанавливает классы расцепления, методы испытаний, требования к характеристикам реле перегрузки и пускателей в комплекте.

Дополнительно при проектировании и эксплуатации применяются:

• ГОСТ 12434-83 «Аппараты коммутационные низковольтные. Общие технические условия» — действующий межгосударственный стандарт, распространяющийся на коммутационные аппараты общего назначения на переменное напряжение до 1000 В и постоянное до 1200 В.
• ГОСТ 12.2.007.6-75 «Система стандартов безопасности труда. Аппараты коммутационные низковольтные. Требования безопасности» — устанавливает требования безопасности к конструкции аппаратов.
• ГОСТ IEC 60947-1 «Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 1. Общие правила» — общая часть, применяемая совместно с частью 4-1.
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ) — требования к выбору устройств защиты в электроустановках.

Тепловое реле должно поставляться с табличкой по соответствующим требованиям маркировки и комплектом эксплуатационной документации (паспорт, руководство по эксплуатации), описывающим диапазон уставок, класс расцепления, климатическое исполнение и условия применения.

Вопросы и ответы