Przekaźnik termiczny do silnika elektrycznego: zasada działania, budowa, jak wybrać

Podczas eksploatacji urządzeń energetycznych, są one stale narażone na przeciążenia prądowe, które skracają ich żywotność. Ochroną w takich sytuacjach jest przekaźnik termiczny do silnika elektrycznego, który odłącza zasilanie w przypadku wystąpienia niestandardowych okoliczności.

Proponujemy zapoznać się z budową, zasadą działania, rodzajami i niuansami podłączenia urządzeń zabezpieczających. Ponadto opowiemy, jakie parametry i cechy należy brać pod uwagę przy wyborze przekaźnika termicznego.

Konstrukcja przekaźników termicznych

Przekaźniki termiczne wszystkich typów mają podobną budowę. Najważniejszym elementem każdego z nich jest czuła płytka bimetaliczna.

Wartość prądu zadziałania jest pod wpływem temperatury otoczenia, w którym pracuje przekaźnik. Wzrost temperatury skraca czas zadziałania.

Aby zminimalizować ten wpływ, projektanci urządzeń wybierają jak najwyższą temperaturę bimetal. W tym samym celu niektóre przekaźniki są wyposażone w dodatkową płytkę kompensacyjną.

Urządzenie składa się z obudowy, grzejnika nichromowego, płytki bimetalicznej, zatrzasku, śruby, dźwigni, ruchomego styku i przycisku resetowania (+).

Jeżeli w konstrukcji przekaźnika znajdują się grzejniki nichromowe, ich podłączenie odbywa się według schematu równoległego, szeregowego lub równoległo-szeregowego z płytką.

Wartość prądu w bimetalu reguluje się za pomocą boczników. Wszystkie elementy są zamontowane w obudowie. Element bimetaliczny w kształcie litery U jest zamocowany na osi.

Sprężyna cylindryczna opiera się na jednym końcu płytki. Drugim końcem opiera się na wyważonej podstawce izolacyjnej. Podstawka obraca się wokół osi i stanowi podporę dla mostka stykowego wyposażonego w srebrne styki.

W celu regulacji prądu nastawczego płytka bimetaliczna swoim lewym końcem połączona jest z mechanizmem regulacji. Regulacja odbywa się poprzez wpływ na wstępne odkształcenie płytki.

Jeśli wartość prądów przeciążeniowych osiągnie wartość równą lub większą od nastawy, podstawka izolacyjna obraca się pod wpływem płytki. Podczas jej przewrócenia następuje wyłączenie styku rozwierającego urządzenia.

Przekaźnik termiczny TRT w przekroju. Głównymi elementami są: obudowa (1), mechanizm nastawy (2), przycisk (3), oś (4), styki srebrne (5), mostek stykowy (6), listwa izolacyjna (7), sprężyna (8), płytka bimetaliczna (9), oś (10)

Automatycznie przekaźnik powraca do położenia początkowego. Proces samoczynnego powrotu trwa nie dłużej niż 3 minuty od momentu załączenia zabezpieczenia. Możliwy jest także ręczny powrót, do czego przewidziano specjalny przycisk Reset.

Przy jej użyciu urządzenie zajmuje położenie wyjściowe w ciągu 1 minuty. Aby uruchomić przycisk, obraca się go w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż uniesie się nad obudowę. Prąd nastawy jest zazwyczaj podany na tabliczce.

Zasada działania urządzenia

Pełniąc funkcję ochronną, wyłącznik automatyczny rozłącza obwody zasilające. Przekaźnik termiczny różni się od niego tym, że przy przekroczeniu obciążenia po prostu wysyła sygnał sterujący. Przy takim zabezpieczeniu prądy o niewielkiej wartości są komutowane w jednym obwodzie sterowania.

W schemacie przed przekaźnikiem termicznym znajduje się rozrusznik magnetyczny. Gdy obwody rozłączają się w trybie awaryjnym, odpada potrzeba dublowania pracy stycznika. W konsekwencji nie zużywa się materiału do wykonania grup styków mocy.

Najpopularniejsze są urządzenia wyposażone w płytki bimetaliczne. Sama płytka składa się z dwóch podobnych elementów.

Jeden z nich ma znaczny współczynnik temperaturowy, a drugi – nieco mniejszy. Te dwa składniki ściśle przylegają do siebie.

Ponieważ części składowe płytki bimetalicznej wykonane są z pary różnych metali o nierównych współczynnikach rozszerzalności, nagrzewanie powoduje jej wyginanie i oddziaływanie na styki.

Takie sztywne połączenie zapewnia się przez spawanie lub walcowanie na gorąco. Dzięki temu, że płytka jest zamocowana nieruchomo, przy nagrzewaniu obserwuje się jej wygięcie w stronę elementu o mniejszym współczynniku temperaturowym. Zasada ta została przyjęta za podstawę przy tworzeniu przekaźników termicznych.

Przy ich produkcji stosuje się stal chromoniklową i niemagnetyczną, które mają dużą wartość współczynnika temperaturowego. Jako materiał o małej wartości tego parametru używa się inwaru – stopu niklu z żelazem.

Według takiego schematu działa przekaźnik termiczny. Wolny koniec płytki bimetalicznej przy jej wygięciu oddziałuje na styki przekaźnika termicznego (+).

Płytkę bimetaliczną nagrzewają prądy obciążenia. Płyną one najczęściej przez specjalny grzejnik. Istnieje także ogrzewanie kombinowane, w którym oprócz ciepła oddawanego przez grzejnik, bimetal nagrzewa również prąd przepływający przez niego.

Jak podłączyć przekaźnik termiczny

Styk zamknięty (normal connected), za pomocą którego podłącza się moduł termiczny do stycznika magnetycznego, oznacza się jako NC lub NZ, co odczytuje się jako normalnie zamknięty. Kombinacją liter NO oznacza się normalnie otwarty styk.

W prostym układzie jest używany do podania sygnału świadczącego o zadziałaniu zabezpieczenia silnika z powodu przekroczenia temperatury progowej.

Przy wdrażaniu w złożone układy sterowania jest w stanie w trybie awaryjnym wygenerować sygnał wycofania przenośnika ze stanu roboczego.

Przekaźnik termiczny umieszcza się za stycznikami, ale przed silnikiem elektrycznym. Podłączenie styku normal connected do przycisku „Stop” na pulpicie sterowania wykonuje się według schematu szeregowego (+).

Oznaczenie zacisków styczników dyktuje GOST: normalnie zamknięty – 95-96, normalnie otwarty – 97-98. Do pierwszej pary podłącza się stycznik, drugą parę wykorzystuje się do układów sygnalizacji. Ponieważ silnik i przekaźnik termiczny należy chronić przed zwarciem, obwód powinien zawierać wyłącznik ochronny.

Schemat urządzenia obejmuje przyciski „Test” i „Stop” lub „Reset”. Za pomocą pierwszego sprawdza się działanie, a drugim wyłącza się zabezpieczenie ręcznie.

Za pomocą przełącznika obrotowego dźwigni po zadziałaniu zabezpieczenia ponownie uruchamia się silnik elektryczny. Na szklaną pokrywę wyrobu nanosi się oznaczenia i plombuje.

Jeśli wyjść od typu podłączenia, można wyróżnić dwie duże grupy przekaźników termicznych:

• pierwsza grupa – urządzenia montowane za stycznikiem magnetycznym oraz te, które podłącza się za pomocą zworek;
• druga grupa – przyrządy instalowane bezpośrednio na styczniku rozrusznika.

W tym ostatnim przypadku podczas uruchamiania główne obciążenie spada na stycznik. Tutaj moduł termiczny jest wyposażony w miedziane styki podłączone bezpośrednio do wejść stycznika.

Schemat przekaźnika termicznego. Naniesiono na niego oznaczenia elementów sterujących i wyprowadzeń. U różnych modeli oznaczenia te mogą się różnić (+).

Do przekaźnika termicznego podłącza się przewody od silnika. Sam przekaźnik w takim układzie stanowi węzeł pośredni, analizujący prąd przepływający tranzytem do silnika od stycznika magnetycznego.

Niuansów podczas instalacji urządzenia

Na szybkość zadziałania modułu termicznego mogą wpływać nie tylko przeciążenia prądowe, ale także wskaźniki temperatury zewnętrznej. Zabezpieczenie zadziała nawet przy braku przeciążeń.

Zdarza się też, że pod wpływem wymuszonej wentylacji silnik jest narażony na przeciążenie termiczne, ale zabezpieczenie nie zadziała.

Aby uniknąć takich zjawisk, należy stosować się do zaleceń specjalistów:

1. Przy wyborze przekaźnika kierować się maksymalną dopuszczalną temperaturą zadziałania.
2. Zabezpieczenie montować w tym samym pomieszczeniu co chroniony obiekt.
3. Do instalacji wybierać miejsca, w których nie ma źródeł ciepła ani urządzeń wentylacyjnych.
4. Należy dostroić moduł termiczny, biorąc pod uwagę rzeczywistą temperaturę otoczenia.
5. Najlepszym rozwiązaniem jest obecność wbudowanej kompensacji termicznej w konstrukcji przekaźnika.

Dodatkową opcją przekaźnika termicznego jest ochrona w przypadku przerwy fazy lub całej sieci zasilającej. Dla silników trójfazowych jest to szczególnie istotne.

Prąd w przekaźniku termicznym płynie szeregowo przez jego moduł grzewczy, a następnie do silnika. Z cewką stycznika urządzenie łączą dodatkowe styki (+).

W razie awarii w jednej fazie, dwie pozostałe przejmują prąd o większej wartości. W wyniku tego szybko następuje przegrzanie, a następnie wyłączenie. W przypadku nieskutecznego działania przekaźnika, zarówno silnik, jak i instalacja elektryczna mogą ulec uszkodzeniu.

Istniejące typy urządzeń

Klasa przekaźników termicznych obejmuje kilka rodzajów: TRN, RTL, TRP, RTI, RTT. Zastosowanie każdego z nich wynika z cech konstrukcyjnych.

Dwufazowy przekaźnik prądowy (TRN), stosowany głównie do ochrony elektrycznej silników asynchronicznych z wirnikiem zwartym. Zazwyczaj pracują one w sieciach o napięciu do 500 V, częstotliwości 50 Hz.

Przekaźnik wyposażony jest w ręczny mechanizm sterowania stykami. Wymiary TRN umożliwiają wbudowanie ich w urządzenia rozdzielcze zarówno zamkniętego, jak i otwartego typu stacji koordynujących pracę napędów. Funkcji ochrony przed zwarciem nie pełnią i same jej potrzebują.

Przekaźniki TRP mają mechanizm odporny na wibracje, obudowę odporną na uderzenia. Zostały opracowane do ochrony trójfazowych silników asynchronicznych pracujących w warunkach dużych obciążeń mechanicznych.

Są przystosowane do maksymalnego prądu 600 A i napięcia maksymalnie 500 V, a w obwodach prądu stałego — 440 V. Automatyka jest niewrażliwa na temperaturę zewnętrzną i zadziała, gdy wskaźnik przekroczy 200°C.

Urządzenia RTL — trójfazowe, oprócz ochrony silnika przed przeciążeniami, zabezpieczają wirnik przed zablokowaniem. Chronią go przed uszkodzeniem w przypadku asymetrii faz przy przedłużonym rozruchu.

Pracują autonomicznie z listwami zaciskowymi KRL oraz w wersji ze stycznikiem magnetycznym PML. Zakres prądu roboczego wynosi od 0,10 do 86 A.

Stycznik w parze z przekaźnikiem termicznym. Gdy urządzenie zadziała, styk normalnie zamknięty i normalnie otwarty synchronicznie zmieniają swoje położenie.

RTT – urządzenie chroni silniki asynchroniczne przed skokami prądu, asymetrią faz, zablokowaniem i innymi sytuacjami awaryjnymi. Stosowane jest zarówno jako samodzielny przyrząd, jak i w formie wbudowanej w styczniki PMA, PME.

Urządzenie trójfazowe RTI ma te same funkcje co poprzednie, ale jest używane w wersji ze stycznikami KTM i KMI.

Jak wybrać przekaźnik termiczny

Silnik wymaga przekaźnika do ochrony, gdy z przyczyn technologicznych istnieje potencjalne zagrożenie przeciążeniem. Drugi przypadek – konieczność ograniczenia czasu rozruchu w warunkach obniżonego napięcia.

Te wymagania są zawarte w odpowiedniej instrukcji. W której przedstawiono zalecenie wyposażenia urządzenia ochronnego w opóźnienie czasowe. Wszystko to realizuje się za pomocą przekaźników termicznych.

Podstawowe parametry urządzeń

Podstawowymi danymi urządzenia chroniącego silnik są:

1. Szybkość działania styków w zależności od parametrów prądu – wskaźnik czasowo-prądowy.
2. Prąd roboczy, przy którym przekaźnik termiczny zadziała.
3. Graniczne nastawy prądowe. We wszystkich urządzeniach produkowanych przez różnych producentów parametr ten różni się nieznacznie. Przekroczenie wartości nominalnej o 20% powoduje zadziałanie urządzenia po około 25 minutach.
4. Nominalna wartość prądu płytki bimetalicznej roboczej. Chodzi o wartość, po przekroczeniu której przekaźnik nie wyłącza się natychmiast.
5. Zakres prądowy, w którym zadziała przekaźnik.

Informacje o przekaźniku termicznym można uzyskać, odczytując jego oznaczenie. Symbol określający typ wykonania może się różnić.

Stycznik w parze z przekaźnikiem termicznym. Gdy urządzenie zadziała, styk normalnie zamknięty i normalnie otwarty synchronicznie zmieniają swoje położenie (+)

Miejsca instalacji krajowych przekaźników termicznych są regulowane normą GOST 15150. Na ich pracę wpływają takie czynniki, jak wysokość nad poziomem morza, wibracje, uderzenia, przyspieszenia.

Wszystkie te niuanse producenci uwzględniają w oznaczeniach swoich wyrobów. Niektórzy z nich dodatkowo podają informacje o możliwości pracy w obecności substancji szkodliwych i gazów wybuchowych.

Wybór urządzenia zgodnie z zasadami

Wymagania dotyczące przekaźnika termicznego są przedstawione w instrukcji. Również określono, że ochrona powinna posiadać opóźnienie czasowe. Wszystkie wymagania realizowane są za pomocą specjalnych urządzeń.

Charakterystyki czasowo-prądowe przekaźnika termicznego i chronionego silnika. Przy prądach zwarciowych elementy grzejne przekaźnika stają się niestabilne termicznie (+)

Analizując charakterystyki czasowo-prądowe przekaźnika termicznego, należy wziąć pod uwagę, że zadziałanie może nastąpić ze stanu przegrzanego lub zimnego.

Nienaganna ochrona zakłada, że krzywa przedstawiająca optymalną dla bezproblemowego funkcjonowania urządzeń zależność czasu przepływu prądu od wartości prądu dla przekaźnika i silnika są różne. Pierwsza powinna znajdować się poniżej drugiej.

W tabeli przedstawiono dane techniczne przekaźnika termicznego typu RTL. Na jej podstawie można dobrać urządzenie zabezpieczające z niezbędnymi parametrami pod względem mocy silnika (+)

Prawidłowy dobór urządzenia zabezpieczającego odbywa się na podstawie parametru, jakim jest znamionowy prąd roboczy. Jego wartość jest związana z prądem znamionowym obciążenia silnika elektrycznego.

Zarówno normy międzynarodowe, jak i krajowe przewidują, że prąd znamionowy silnika jest analogiczny do nastawy prądu zadziałania przekaźnika termicznego.

Oznacza to, że urządzenie włącza się przy przeciążeniu od 20 do 30% lub przy Iśr.×1,2 lub 1,3 nie później niż 20 minut.

Wychodząc z tego, należy dokonać wyboru tak, aby prąd niepowodujący zadziałania przekaźnika termicznego (TR) przekraczał prąd znamionowy chronionego obiektu średnio o 12%. Wartość In podana jest w karcie katalogowej urządzenia oraz na tabliczce przymocowanej do obudowy.

Na jej podstawie dobiera się zarówno przekaźnik termiczny (TR), jak i odpowiedni stycznik. Skala przekaźnika jest skalibrowana w amperach i zazwyczaj odpowiada wartości prądu nastawy.

Jako przykład można podać dobór przekaźnika termicznego dla silnika asynchronicznego podłączonego do sieci 380 V o mocy 1,5 kW.

Znamionowy prąd roboczy dla niego wynosi 2,8 A, zatem dla przekaźnika termicznego prąd progowy wyniesie: 1,2 × 2,8 = 3,36 A. Zgodnie z tabelą wybór należy zatrzymać na RTL-1008, którego zakres regulacji mieści się w przedziale od 2,4 do 4 A.

W przypadku zadziałania zabezpieczenia najpierw usuwa się pierwotną przyczynę zatrzymania, a następnie przywraca „termik” do stanu początkowego za pomocą przycisku reset.

Gdy dane znamionowe silnika są nieznane, prąd określa się za pomocą specjalnych przyrządów — cęgów prądowych lub multimetru z odpowiednią funkcją. Pomiary przeprowadza się na każdej z faz.

Ważne jest, aby podczas wyboru zwrócić uwagę na napięcie podane na urządzeniu. Jeśli planowane jest użycie tandemu przekaźnik termiczny-stycznik, należy uwzględnić liczbę styków.

Przy podłączaniu urządzenia do sieci trójfazowej wymagany jest moduł posiadający funkcję zabezpieczenia na wypadek przepalenia przewodów lub asymetrii faz.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Schemat skutecznego zabezpieczenia silnika:

Elementy składowe przekaźnika termicznego:

Zasada współpracy różnych urządzeń w różnych wariantach podłączenia przekaźnika termicznego jest taka sama. Aby lepiej orientować się w schematach, należy umieć „czytać” oznaczenia urządzeń. Idealnie, wszystkie prace podłączeniowe powinien wykonywać mistrz posiadający uprawnienia do pracy w warunkach wysokiego napięcia.

Masz coś do dodania lub masz pytania dotyczące wyboru i stosowania przekaźnika termicznego? Możesz zostawiać komentarze pod publikacją, uczestniczyć w dyskusjach i dzielić się własnym doświadczeniem w użytkowaniu urządzeń. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.