Przekaźnik termiczny: zasada działania, rodzaje, schemat podłączenia + regulacja i oznaczenia

Trwałość i niezawodność eksploatacji dowolnej instalacji z silnikiem elektrycznym zależy od różnych czynników. Jednak w znacznym stopniu na żywotność silnika wpływają przeciążenia prądowe. Aby im zapobiec, podłącza się przekaźnik termiczny, który chroni główny organ roboczy maszyny elektrycznej.

Opowiemy, jak dobrać urządzenie przewidujące narastanie sytuacji awaryjnych z przekroczeniem maksymalnych dopuszczalnych wartości prądu. W przedstawionym przez nas artykule opisano zasadę działania, podano odmiany i ich charakterystyki. Podano porady dotyczące podłączenia i prawidłowej regulacji.

Po co są potrzebne urządzenia zabezpieczające?

Nawet jeśli napęd elektryczny został poprawnie zaprojektowany i jest używany bez naruszania podstawowych zasad eksploatacji, zawsze istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia usterek.

Do awaryjnych trybów pracy zalicza się jednofazowe i wielofazowe zwarcia, przeciążenia termiczne urządzeń elektrycznych, zablokowanie wirnika i uszkodzenie zespołu łożyskowego, przerwanie fazy.

Funkcjonując w trybie zwiększonych obciążeń, silnik elektryczny zużywa ogromną ilość energii elektrycznej. A przy regularnym przekraczaniu wartości napięcia znamionowego urządzenie intensywnie się nagrzewa.

W rezultacie szybko zużywa się izolacja, co prowadzi do znacznego skrócenia okresu eksploatacji urządzeń elektromechanicznych. Aby wykluczyć takie sytuacje, w obwody prądu elektrycznego podłącza się przekaźniki zabezpieczenia termicznego. Ich główną funkcją jest zapewnienie normalnej pracy odbiorników.

Wyłączają silnik z pewnym opóźnieniem czasowym, a w niektórych przypadkach – natychmiast, aby zapobiec zniszczeniu izolacji lub uszkodzeniu poszczególnych części instalacji elektrycznej.

Przekaźnik prądowy stale chroni silnik elektryczny przed przerwaniem fazy i przeciążeniami technologicznymi, a także przed zablokowaniem wirnika. To główne przyczyny powstawania stanów awaryjnych.

W celu niedopuszczenia do obniżenia rezystancji izolacji stosuje się urządzenia różnicowoprądowe, a jeśli zadaniem jest zapobieżenie zakłóceniu chłodzenia, podłącza się specjalne urządzenia wbudowanego zabezpieczenia termicznego.

Budowa i zasada działania przekaźnika termicznego

Konstrukcyjnie standardowy elektrotermiczny przekaźnik to niewielkie urządzenie, które składa się z czułej płytki bimetalicznej, spirali grzewczej, układu dźwigowo-sprężynowego oraz styków elektrycznych.

Bimetalową płytkę wykonuje się z dwóch różnych metali, zazwyczaj inwaru i stali chromowo-niklowej, trwale połączonych ze sobą w procesie spawania. Jeden metal ma wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż drugi, dlatego nagrzewają się one z różną prędkością.

Przy przeciążeniu prądowym nieumocowana część płytki wygina się w stronę materiału o niższym współczynniku rozszerzalności cieplnej. Powoduje to oddziaływanie siłowe na styki w urządzeniu zabezpieczającym i aktywuje wyłączenie instalacji elektrycznej w przypadku przegrzania.

W większości modeli mechanicznych przekaźników cieplnych znajdują się dwie grupy styków. Jedna para – normalnie otwarte, druga – stale zwarte. Gdy zadziała urządzenie zabezpieczające, stany styków ulegają zmianie. Pierwsze zamykają się, a drugie stają się otwarte.

W elektronicznych przekaźnikach cieplnych wykorzystuje się specjalne czujniki i sondy wrażliwe, reagujące na wzrost prądu. W mikroprocesorze takich urządzeń zabezpieczających zaprogramowane są parametry określające sytuacje, w których konieczne jest wyłączenie zasilania.

Prąd jest detektowany przez zintegrowany transformator, po czym elektronika przetwarza uzyskane dane. Jeśli wartość prądu w danym momencie jest większa niż nastawa, impuls jest natychmiast przekazywany bezpośrednio do wyłącznika.

Rozwierając zewnętrzny stycznik, przekaźnik z mechanizmem elektronicznym blokuje obciążenie. Sam przekaźnik cieplny do silnika elektrycznego jest montowany na styczniku.

Płytka bimetalowa może być nagrzewana bezpośrednio – przez oddziaływanie prądu szczytowego obciążenia na pasek metalowy lub pośrednio, za pomocą oddzielnego elementu grzejnego. Nierzadko te zasady łączy się w jednym urządzeniu zabezpieczenia cieplnego. Przy ogrzewaniu kombinowanym przyrząd ma lepsze parametry robocze.

Po ostygnięciu płytka wraca do stanu pierwotnego. Styki łączące automatycznie się zamykają lub należy je siłowo doprowadzić do stanu zamkniętego

Podstawowe parametry przekaźnika prądowego

Główną charakterystyką łącznika zabezpieczenia cieplnego jest wyraźna zależność czasu zadziałania od przepływającego prądu – im większa wartość, tym szybciej zadziała. Świadczy to o pewnej bezwładności elementu przekaźnikowego.

Kierunkowy ruch cząstek nośników ładunku przez dowolne urządzenie elektryczne, pompę obiegową i kocioł elektryczny, generuje ciepło. Przy prądzie znamionowym jego dopuszczalny czas trwania dąży do nieskończoności.

A przy wartościach przekraczających znamionowe, w urządzeniu wzrasta temperatura, co prowadzi do przedwczesnego zużycia izolacji.

Przerwanie obwodu natychmiast blokuje dalszy wzrost temperatury. Pozwala to zapobiec przegrzaniu silnika i uniknąć awaryjnego uszkodzenia instalacji elektrycznej.

Obciążenie znamionowe samego silnika jest kluczowym czynnikiem decydującym o wyborze urządzenia. Wartość w przedziale 1,2-1,3 oznacza skuteczne zadziałanie przy przeciążeniu prądowym wynoszącym 30% przez okres 1200 sekund.

Czas trwania przeciążenia może negatywnie wpłynąć na stan urządzeń elektrycznych — przy krótkotrwałym oddziaływaniu trwającym 5–10 minut nagrzewa się tylko uzwojenie silnika o małej masie. Natomiast przy dłuższym nagrzewa się cały silnik, co grozi poważnymi uszkodzeniami. Może być nawet konieczna wymiana spalonego urządzenia na nowe.

Aby jak najlepiej zabezpieczyć obiekt przed przeciążeniem, należy stosować dokładnie dla niego przekaźnik zabezpieczenia termicznego, którego czas zadziałania będzie odpowiadać maksymalnym dopuszczalnym wartościom przeciążenia danego silnika elektrycznego.

W praktyce niecelowe jest stosowanie przekaźnika kontroli napięcia dla każdego typu silnika. Jeden element przekaźnikowy jest używany do ochrony silników o różnych konstrukcjach. Zapewnienie niezawodnej ochrony w pełnym zakresie roboczym, ograniczonym obciążeniem minimalnym i maksymalnym, nie jest możliwe.

Wzrost wartości prądu nie od razu prowadzi do niebezpiecznego stanu awaryjnego urządzenia. Zanim wirnik i stojan nagrzeją się do temperatury granicznej, upłynie pewien czas.

Dlatego nie ma konieczności, aby urządzenie zabezpieczające reagowało na każdy, nawet niewielki wzrost prądu. Przekaźnik powinien wyłączać silnik elektryczny tylko w przypadkach, gdy istnieje ryzyko szybkiego zużycia warstwy izolacyjnej.

Rodzaje przekaźników zabezpieczenia termicznego

Istnieje kilka rodzajów przekaźników do ochrony silników elektrycznych przed przerwą fazy i przeciążeniami prądowymi. Różnią się one cechami konstrukcyjnymi, typem używanych MP oraz zastosowaniem w różnych silnikach.

TRP. Jednobiegunowy aparat łączeniowy z kombinowanym układem grzewczym. Przeznaczony do ochrony asynchronicznych trójfazowych silników elektrycznych przed przeciążeniami prądowymi. Stosowany w sieciach prądu stałego o napięciu bazowym nieprzekraczającym 440 V w normalnych warunkach pracy. Odporny na wibracje i uderzenia.

RTL. Zapewniają ochronę silników w następujących przypadkach:

• przy wypadnięciu jednej z trzech faz;
• asymetrii prądów i przeciążeń;
• przedłużonego rozruchu;
• zablokowania mechanizmu wykonawczego.

Można je instalować z zaciskami KRL oddzielnie od styczników magnetycznych lub montować bezpośrednio na PML. Montuje się je na szynach standardowych, stopień ochrony – IP20.

RTT. Chronią asynchroniczne maszyny trójfazowe z wirnikiem zwartym przed opóźnionym rozruchem mechanizmu, długotrwałymi przeciążeniami i asymetrią, czyli niezrównoważeniem faz.

RTT mogą być używane jako części składowe w różnych układach sterowania napędami elektrycznymi, a także do integracji z rozrusznikami serii PMA

TRN. Dwufazowe przełączniki, które kontrolują rozruch instalacji elektrycznej i tryb pracy silnika. Praktycznie niezależne od temperatury otoczenia, posiadają wyłącznie system ręcznego powrotu styków do stanu początkowego. Mogą być używane w sieciach prądu stałego.

RTI. Elektryczne aparaty łączeniowe o stałym, choć niewielkim poborze energii. Montowane są na stycznikach serii KMI. Działają razem z bezpiecznikami/wyłącznikami automatycznymi.

Przekaźniki prądowe półprzewodnikowe. Są to niewielkie urządzenia elektroniczne na trzy fazy, w których konstrukcji nie ma ruchomych części.

Działają na zasadzie obliczania średnich wartości temperatury silnika, prowadząc stały monitoring prądu roboczego i rozruchowego. Wyróżniają się odpornością na zmiany w otoczeniu, dlatego są stosowane w strefach zagrożonych wybuchem.

RTK. Przełączniki rozruchowe do kontroli temperatury w obudowie urządzeń elektrycznych. Stosowane w układach automatyki, gdzie przekaźniki termiczne pełnią rolę elementów składowych.

Aby zapewnić niezawodną pracę urządzeń elektrycznych, element przekaźnikowy musi posiadać takie cechy jak czułość i szybkość działania, a także selektywność

Należy pamiętać, że żaden z wyżej wymienionych typów urządzeń nie nadaje się do zabezpieczania obwodów przed zwarciem.

Urządzenia zabezpieczenia termicznego jedynie zapobiegają stanom awaryjnym, które powstają przy nieprawidłowej pracy mechanizmu lub przeciążeniu.

Urządzenia elektryczne mogą przepalić się jeszcze przed zadziałaniem przekaźnika. Dla kompleksowej ochrony należy je uzupełniać bezpiecznikami lub kompaktowymi wyłącznikami automatycznymi o konstrukcji modułowej.

Podłączenie, regulacja i oznaczenia

Łącznik przeciążeniowy, w przeciwieństwie do wyłącznika automatycznego, nie rozrywa bezpośrednio obwodu siłowego, a jedynie podaje sygnał do czasowego wyłączenia obiektu w trybie awaryjnym. Styk normalnie zamknięty działa jak przycisk „stop” stycznika i jest podłączony w układzie szeregowym.

Schemat podłączenia urządzeń

W konstrukcji przekaźnika nie ma potrzeby powtarzania absolutnie wszystkich funkcji styków mocy przy pomyślnym zadziałaniu, ponieważ jest on podłączony bezpośrednio do stycznika magnetycznego. Taka konstrukcja pozwala znacznie zaoszczędzić materiały na styki mocy. Znacznie łatwiej jest w obwodzie sterującym podłączyć mały prąd, niż natychmiast odłączać trzy fazy z dużym prądem.

W wielu schematach podłączenia przekaźnika termicznego do obiektu stosuje się styk normalnie zamknięty. Łączy się go szeregowo z przyciskiem 'stop' panelu sterowania i oznacza jako NZ – normalnie zamknięty, lub NC – normal connected.

Styk rozwarty w takim schemacie może być użyty do inicjowania zadziałania zabezpieczenia termicznego. Schematy podłączenia silników elektrycznych, w których podłączony jest przekaźnik zabezpieczenia termicznego, mogą znacznie się różnić w zależności od obecności dodatkowych urządzeń lub cech technicznych.

W standardowym prostym schemacie przekaźnik termiczny (PT) podłącza się do wyjścia niskonapięciowego rozrusznika do silnika elektrycznego. Dodatkowe styki urządzenia łączy się obowiązkowo szeregowo z cewką rozrusznika.

Zapewni to niezawodną ochronę przed przeciążeniami urządzeń elektrycznych. W przypadku niedopuszczalnego przekroczenia wartości granicznych prądu element przekaźnikowy rozewrze obwód, natychmiast odłączając stycznik magnetyczny (MP) i silnik od zasilania.

Podłączenie i montaż przekaźnika termicznego wykonuje się zazwyczaj razem ze stycznikiem magnetycznym, przeznaczonym do łączenia i uruchamiania napędu elektrycznego. Istnieją jednak typy, które montuje się na szynie DIN lub specjalnej płycie montażowej.

Szczegóły regulacji elementów przekaźnikowych

Jednym z głównych wymagań wobec urządzeń zabezpieczających silniki elektryczne jest wyraźne działanie aparatów w przypadku wystąpienia awaryjnych trybów pracy silnika. Bardzo ważne jest prawidłowe dobranie i wyregulowanie ustawień, ponieważ fałszywe zadziałania są absolutnie niedopuszczalne.

Przekaźnik elektrotermiczny, który optymalnie pasuje do konkretnego typu silnika pod względem wszystkich parametrów technicznych, jest w stanie zapewnić niezawodną ochronę przed przeciążeniami na każdej fazie, zapobiec przeciągniętemu rozruchowi instalacji oraz nie dopuścić do awaryjnych sytuacji związanych z zakleszczeniem wirnika.

Wśród zalet stosowania prądowych elementów zabezpieczających należy również wymienić dość wysoką szybkość i szeroki zakres zadziałania, wygodę montażu. Aby zapewnić terminowe wyłączenie silnika elektrycznego przy przeciążeniu, przekaźnik zabezpieczenia termicznego należy konfigurować na specjalnej platformie/stanowisku.

W takim przypadku wyklucza się niedokładność wynikającą z naturalnego nierównomiernego rozrzutu prądów znamionowych w elementach grzejnych (NE). Do sprawdzenia urządzenia zabezpieczającego na stanowisku stosuje się metodę obciążeń fikcyjnych.

Przez element termiczny przepuszcza się prąd elektryczny o obniżonym napięciu, aby symulować rzeczywiste obciążenie cieplne. Następnie za pomocą timera bezbłędnie określa się dokładny czas zadziałania.

Podczas konfiguracji podstawowych parametrów należy dążyć do następujących wartości:

• przy 1,5-krotnym prądzie urządzenie powinno wyłączyć silnik po 150 s;
• przy 5…6-krotnym prądzie powinno wyłączyć silnik po 10 s.

Jeśli czas zadziałania nie odpowiada normie, element przekaźnikowy należy wyregulować za pomocą śruby regulacyjnej.

Dla poprawnej pracy należy koniecznie ustawić przyrząd na największy dopuszczalny prąd elektryczny silnika i temperaturę powietrza

Robi się to w przypadkach, gdy wartości prądu znamionowego elementu grzejnego i silnika różnią się, a także gdy temperatura otoczenia jest niższa od nominalnej (+40°C) o więcej niż 10 stopni Celsjusza.

Prąd zadziałania przełącznika elektrotermicznego maleje wraz ze wzrostem temperatury wokół rozpatrywanego obiektu, ponieważ nagrzewanie się paska bimetalicznego zależy od tego parametru. W przypadku znacznych różnic należy dodatkowo wyregulować TR lub dobrać bardziej odpowiedni element termiczny.

Gwałtowne wahania wskaźników temperatury mają silny wpływ na działanie przekaźnika prądowego. Dlatego bardzo ważne jest wybranie elementu grzejnego zdolnego do skutecznego wykonywania podstawowych funkcji z uwzględnieniem rzeczywistych wartości.

Zaleca się umieszczanie TR w tym samym pomieszczeniu co chroniona instalacja elektryczna. Nie należy montować ich w pobliżu generatorów ciepła, pieców grzewczych i innych źródeł ciepła.

Do przekaźników z kompensacją temperatury te ograniczenia nie mają zastosowania. Nastawę prądową urządzenia zabezpieczającego można regulować w zakresie 0,75-1,25× wartości prądu znamionowego elementu termicznego. Regulację wykonuje się etapami.

W pierwszej kolejności oblicza się poprawkę E₁ bez kompensacji temperatury:

E₁=(I_nom-I_eg)/c×I_eg,

Gdzie

• I_nom – prąd znamionowy obciążenia silnika,
• I_eg – prąd znamionowy roboczego elementu grzejnego w przekaźniku,
• c – wartość działki skali, czyli mimośrodu (c=0,055 dla osłoniętych rozruszników, c=0,05 dla otwartych).

Kolejny krok – określenie poprawki E₂ na temperaturę otaczającego powietrza:

E₂=(t_a-30)/10,

Gdzie t_a (ambient temperature) – temperatura otoczenia w stopniach Celsjusza.

Ostatni etap – znalezienie poprawki całkowitej:

E=E₁+E₂.

Poprawka całkowita E może mieć znak «+» lub «-». Jeśli w wyniku otrzymuje się wartość ułamkową, należy ją koniecznie zaokrąglić do liczby całkowitej w dół/w górę co do wartości bezwzględnej, w zależności od charakteru obciążenia prądowego.

Aby ustawić przekaźnik, mimośród ustawia się na otrzymaną wartość całkowitej korekty. Wysoka temperatura zadziałania zmniejsza zależność działania urządzenia zabezpieczającego od czynników zewnętrznych.

Przekaźnik zabezpieczenia termicznego pozwala na ręczną płynną regulację wartości prądu zadziałania urządzenia w zakresie ±25% wartości prądu znamionowego instalacji elektromechanicznej.

Regulacja tych parametrów odbywa się za pomocą specjalnej dźwigni, której przesunięcie zmienia początkowy wygięcie płyty bimetalicznej. Ustawianie prądu zadziałania w szerszym zakresie odbywa się poprzez wymianę elementów termicznych.

W nowoczesnych łącznikowych aparatach zabezpieczenia przed przeciążeniem znajduje się przycisk testowy, który pozwala sprawdzić sprawność urządzenia bez specjalnego stanowiska. Jest też klawisz do resetowania wszystkich ustawień. Można je wyzerować automatycznie lub ręcznie. Ponadto produkt jest wyposażony we wskaźnik aktualnego stanu urządzenia elektrycznego.

Oznaczenia elektrotermicznych przekaźników

Aparaty zabezpieczające dobiera się w zależności od wartości mocy silnika elektrycznego. Zasadnicza część kluczowych cech jest ukryta w symbolu oznaczeniowym.

Tak wygląda oznaczenie przekaźników termicznych zakładu KEAZ. Ważne jest, przy wyborze zwrócić uwagę na wartość prądu znamionowego rozpatrywanego modelu, aby była wystarczająca.

Należy zwrócić uwagę na poszczególne kwestie:

1. Zakres wartości prądów nastawy (podany w nawiasach) różni się u różnych producentów minimalnie.
2. Oznaczenia literowe konkretnego typu wykonania mogą się różnić.
3. Wykonanie klimatyczne często podawane jest w formie zakresu. Na przykład UChL3O4 należy odczytywać jako UChL3-O4.

Dziś można kupić najróżniejsze warianty urządzenia: przekaźniki prądu przemiennego i stałego, monostabilne i bistabilne, aparaty z opóźnieniem przy załączaniu/wyłączaniu, przekaźniki zabezpieczenia termicznego z elementami przyspieszającymi, przekaźniki termiczne bez cewki podtrzymującej, z jedną cewką lub kilkoma.

Te parametry nie zawsze są widoczne w oznaczeniu urządzeń, ale muszą być podane w karcie technicznej wyrobów elektrotechnicznych.

Z budową, odmianami i oznaczeniami przekaźnika elektromagnetycznego zapozna następujący artykuł, z którym zalecamy się zapoznać.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Budowa i zasada działania przekaźnika prądowego do skutecznej ochrony silnika elektrycznego na przykładzie urządzenia RTT 32P:

Prawidłowa ochrona przed przeciążeniem i zanikiem faz jest gwarancją długiej bezawaryjnej pracy silnika elektrycznego. Film o tym, jak reaguje element przekaźnikowy w przypadku niestandardowej pracy mechanizmu:

Jak podłączyć urządzenie zabezpieczenia termicznego do MP, schematy ideowe przekaźnika elektrotermicznego:

Przekaźnik termiczny zabezpieczający przed przeciążeniem jest obowiązkowym elementem funkcjonalnym każdego systemu sterowania napędem elektrycznym. Reaguje na prąd płynący do silnika i aktywuje się, gdy temperatura urządzenia elektromechanicznego osiąga wartości graniczne. Pozwala to maksymalnie wydłużyć okres eksploatacji ekologicznych silników elektrycznych.

Prosimy pisać komentarze w poniższym bloku. Opowiedzcie Państwo, jak wybierali i konfigurowali przekaźnik termiczny dla własnego silnika elektrycznego. Dzielcie się przydatnymi informacjami, zadawajcie pytania, zamieszczajcie zdjęcia związane z tematem artykułu.