Монтаж электрооборудования
и средств автоматизации

Работа 10

Изучение конструкции и исследование защитных характеристик тепловых реле

Цель работы

Задание к работе

Общие сведения

Порядок выполнения работы

Содержание отчета

Контрольные вопросы

Библиографический список

Цель работы

Изучить устройство и принцип действия тепловых реле.

Освоить методику исследования защитных характеристик и приемы настройки тепловых реле.

Задание к работе

1. Изучить устройство и принцип действия тепловых реле.

2. Снять защитные характеристики теплового реле.

3. Настроить с помощью стенда тепловое реле для защиты электродвигателя от перегрузки.

4. По индивидуальному заданию преподавателя выбрать тепловое реле для защиты электродвигателя от аварийных режимов.

Общие сведения

Чтобы правильно защитить электродвигатели от аварийных режимов, необходимо знать основные причины их отказов. Основные аварийные режимы возникают из-за [1]:

·   обрыва фазы (ОФ) – 40...50 %;

·   заторможения ротора (ЗР) – 20...25 %;

·   технологических перегрузок (ТП) – 8...10 %;

·   понижения сопротивления изоляции (ПСИ) – 10...15 %;

·   нарушения охлаждения (НО) – 8...10 %.

Вероятность срабатывания некоторых устройств защиты, применяемых в сельском хозяйстве, от основных аварийных режимов электродвигателей, приведена в табл. 10.1.

Как видно из табл. 10.1, для защиты электродвигателей от технологических перегрузок, а также от обрыва фазы и заторможения ротора с успехом могут быть использованы тепловые реле, которые работают в сочетании с магнитным пускателем.

Таблица 10.1

Вероятность срабатывания некоторых устройств защиты в зависимости от аварийных режимов работы электродвигателей [1]

* Точно отрегулированные тепловые реле

Для защиты электрооборудования от перегрузки по току широкое применение нашли тепловые реле типов ТРА, ТРВ, РТ, РТЛ, ТРН, ТРП, ТРТ [1 - 7].

Тепловое реле состоит из биметаллической пластинки, нагревательного элемента, контактов с пружиной и защелкой (рис. 10.1) [2].

Биметаллическая пластина состоит из двух металлов, прочно сваренных между собой по всей поверхности и имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения α. Один металл (инвар) имеет малый коэффициент линейного расширения и называется пассивным. Другой (хромоникелевая сталь) имеет большой коэффициент α и называется активным. При нагревании активный слой стремится удлиниться на большую величину, чем пассивный и, как следствие этого, возникает изгибающий момент.

	Рис. 10.1. Конструктивная схема теплового реле типа ТРП: 1 - биметаллическая пластина, 2 - нагревательный элемент; 3 - ограничивающие выступы; 4 - пружина; 5 - неподвижный контакт; 6 - прыгающий контакт.
	Рис. 10.2. Тепловое реле ТРП: 1 - биметаллическая пластинка; 2 - упор самовозврата; 3 - держатель подвижного контакта; 4 - пружина; 5 - подвижный контакт; 6 - неподвижный контакт; 7 - сменный нагреватель; 8 - регулятор тока уставки; 9 - кнопка ручного возврата.

Реле серии ТРП на токи 1...600 А в основном используется в магнитных пускателях серии ПА и имеет комбинированную систему нагрева (исключение реле ТРП-600) (рис. 10.2).

Биметаллическая пластина 1 нагревается как за счет прохождения через нее тока, так и за счет нагревателя 7. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий подвижный контакт 5. Реле допускает плавную ручную регулировку тока срабатывания в пределах ± 25 % номинального тока уставки. Эта регулировка осуществляется ручкой 8, меняющей первоначальную деформацию биметаллической пластины. Возврат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 9. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200 ⁰С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды.

Реле ТРА служит для защиты двигателей малой, средней мощности переменного тока и постоянного при тяжелых условиях пуска. Выпускается 23-х исполнений на номинальные токи (7 ... 200) А.

Реле ТРА и ТРВ имеют комбинированную систему нагрева с плоскими нихромовыми нагревательными элементами соединенными параллельно с биметаллической пластиной.

Реле серии РТ являются аппаратами открытого исполнения с косвенной системой нагрева. Регулирование тока срабатывания реле РТ в небольших пределах осуществляется с помощью рычага, перемещение которого изменяет ход конца биметаллической пластины при нагревании до освобождения защелки. Более широкое регулирование тока срабатывания осуществляется заменой нагревательных элементов. Имеется 56 номеров нагревательных элементов на (0,64 ... 40) А.

Реле ТРВ служит для защиты двигателей с легкими условиями пуска, выпускается 20-ти исполнений на токи до 200 А.

Реле серии ТРН выпускаются на токи (0,5...40) А с термокомпенсацией. Используются в основном в магнитных пускателях серии ПМЕ и ПА, имеют косвенный нагрев с помощью пластинчатых нихромовых нагревателей [7].

На рис. 10.3 приведена конструктивная схема теплового реле ТРН, предназначенного для магнитных пускателей типов ПМЕ и ПМА (табл. 10.2).

Биметаллическая пластина 2 при прохождении тока, превышающего заданный, изгибается и перемещает вправо пластмассовый толкатель 11, связанный жестко с биметаллической пластиной 3, выполняющей роль температурного компенсатора. Отклоняясь вправо, пластина 3 нажимает на защелку 8 и выводит ее из зацепления с пластмассовым движком 5 уставок, в результате чего под действием пружины 10 пластмассовая штанга 7 расцепителя отходит кверху (показана пунктиром)

Рис. 10.3. Конструктивная схема теплового реле типа ТРН: 1 - нагревательный элемент; 2 - биметаллическая пластина; 3 - биметаллическая пластина температурного компенсатора; 4 - эксцентрик; 5 - движок уставки; 6 - кнопка "Возврат", 7 - штанга расцепителя (тяга); 8 - защелка; 9 - контакты; 10 - пружина; 11 - толкатель

Таблица 10.2

Значения номинальных токов сменных нагревательных элементов тепловых реле типа ТРН и ТРП [1]

и размыкает контакты 9 в цепи управления магнитным пускателем. Движок уставок можно перемещать, поворачивая эксцентрик 4 и изменяя расстояние между концами пластины 3 и защелкой 8, а значит, и ток срабатывания реле.

Температурная компенсация заключается в том, что изгибанию биметаллической пластины 2 при изменении окружающей среды соответствует противоположное по направлению изгибание пластины компенсатора 3. Таким образом достигается независимость тока уставки от окружающей температуры. Ток уставки можно менять в пределах от 0,75 до 1,3 номинального тока нагревательного элемента.

В сельском хозяйстве находят применение более совершенные трёхполюсные тепловые реле типов РТЛ (табл. 10.3) и РТТ (табл. 10.4) [3 - 6].

Тепловые реле типа РТЛ имеют: три полюса; температурный компенсатор; механизм для ускоренного срабатывания при обрыве фазы; регулятор тока несрабатывания; ручной возврат; один размыкающий и один замыкающий контакты; переднее присоединение проводов; несменные нагревательные элементы.

Только правильно отрегулированные тепловые реле могут защитить электродвигатели от перегрузок. Поэтому рассмотрим методы регулировки реле [1]. Уставки регулировки теплового реле можно определить расчетом в такой последовательности:

1. Определяют уставку реле без температурной компенсации:

где I_{н дв} - номинальный ток нагрузки электродвигателя;

I_нэ - номинальный ток нагревательного элемента теплового реле;

с - коэффициент деления шкалы (с = 0,05).

2. Вычисляют поправку на температуру окружающей среды:

где Т – температура окружающей среды, ^оС.

Таблица 10.3

Диапазоны регулировок и максимальные значения
номинальных токов (I_н) реле типа РТЛ [6]

Поправка необходима в тех случаях, когда температура окружающей среды ниже максимальной (40 ^оС) более чем на 10 ^оС. При значительном изменении температуры окружающей среды (зимой и летом) тепловое реле следует отрегулировать вновь.

Таблица 10.4

Максимальные значения I_н, диапазон их регулировок и I_н сменных нагревательных элементов тепловых реле РТТ [6]

*Эти модификации устанавливаются только в коробках магнитных пускателей

3. Находят суммарную уставку реле:

которая, может быть со знаком «+» или «–». Затем на полученном делении шкалы устанавливают стрелочку регулировочного винта или рычаг.

Часто электродвигатели и их пускозащитная аппаратура находятся в различных температурных условиях, например, электродвигатель установлен внутри животноводческого помещения, а пускозащитная аппаратура – снаружи. В этих случаях правильно отрегулировать тепловое реле почти невозможно.

Корректировкой уставки, полученной в результате расчета делений шкалы, можно провести приближенную регулировку тепловых реле. Для их точной регулировки применяют специальные приспособления – стенды.

В сельскохозяйственном производстве в основном используются электродвигатели мощностью до 30 кВт. Для их защиты применяют различные тепловые реле [3 - 6], которые регулируют при помощи приспособления, создающего ток нагрузки в пределах 0…50 А.

На рис. 10.4 показана принципиальная электрическая схема лабораторного стенда для проверки и регулировки тепловых реле. Такой стенд может быть успешно изготовлен в условиях хозяйства. К вторичной обмотке маломощного нагрузочного трансформатора TV2 подключаются нагревательные элементы тепловых реле (КК1 и КК2). Напряжение первичной обмотки плавно регулируется лабораторным автотрансформатором (ЛАТР) TV1. Ток нагрузки теплового реле КК1 фиксируется амперметром рА (рис. 10.4, а).

Ток нагрузки реле КК2 фиксируется амперметром рА, включенным во вторичную цепь через трансформатор тока TI (рис. 10.4, б).

Рис. 10.4. Принципиальная электрическая схема для проверки и регулировки тепловых реле.

Так как трансформатор TV2 нагружен малым сопротивлением нагревательного элемента теплового реле и во вторичной цепи течет большой ток, вторичная обмотка трансформатора должна быть выполнена из провода большого сечения, рассчитанного на ток нагрузки 50 А. Число витков вторичной обмотки нагрузочного трансформатора выбирают из условия, что необходимо получить достаточное напряжение для регулировки маломощных тепловых реле, например ТРН-10 А, нагревательные элементы которых имеют относительно большое сопротивление. Из этих условий определяется значение максимального вторичного напряжение порядка 4 В.Тепловое реле, например, типа ТРН проверяют следующим образом. Напряжение на схему подают через контакты КМ магнитного пускателя путем нажатия кнопки SB1 "Пуск". К вторичной обмотке нагрузочного трансформатора TV2 подключают сначала один нагревательный элемент КК1, а контакты теплового реле КК1 включают в цепь сигнальной лампы HL3. Ручку автотрансформатора TV1 устанавливают в нулевое положение и подают напряжение. Затем поворотом ручки вправо устанавливают ток I = 1,5 I_{н дв} и секундомером или часами с секундной стрелкой контролируют время срабатывания реле (момент погасания сигнальной лампы HL3). Далее то же самое выполняют при подключенном втором нагревательном элементе теплового реле. Если время срабатывания теплового реле хотя бы одного из нагревательных элементов не соответствует норме, тепловое реле следует отрегулировать.

Для проверки тепловых реле следует использовать уточненные их характеристики, однозначно определяющие время срабатывания Т в зависимости от значения перегрузки k_I (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Уточненные средние защитные характеристики для тепловых реле:
а - ТРН-10(А); б - ТРН-10; ТРН-25, ТРН-40; в - ТРП-25; г- ТРП-60

Тепловое реле типа ТРН регулируют в следующем порядке:

·  Реле осматривают и проверяют, нет ли механических дефектов.

·  Проверяют, соответствуют ли номинальный ток нагревательных элементов реле номинальному току нагрузки защищаемого электродвигателя. При необходимости нагревательные элементы заменяют.

·  Проверяют, не согнуты ли нагревательные элементы.

·  Проверяют расстояние между нагревательными элементами и биметаллическими пластинками, их взаимное расположение при температуре 20 ^оС. Если расстояние от обоих нагревательных элементов до пластинок неодинаковы, необходимо изменить положение нагревательных элементов, отпустив, а затем снова затянув винты их крепления.

·  Регулировочный эксцентрик уставок теплового реле переводят в положение "+5".

·  Тепловое реле подсоединяют к регулировочному устройству (рис. 10.4) и устанавливают ток нагрузки нагревательного элемента в 1,5 раза больше номинального тока защищаемого электродвигателя.

Через 145 с (70 с для теплового реле ТРН-10А) эксцентрик плавно поворачивают в направлении к положению "-5" до срабатывания теплового реле.

После интенсивного (12…15 мин) охлаждения теплового реле (например, настольным вентилятором) к регулировочному устройству подключают второй нагревательный элемент и снова устанавливают ток нагрузки 1,5 I_{н дв}.

Если за 145 с (70 с для теплового реле ТРН-10А), тепловое реле не срабатывает, плавно поворачивают регулировочный винт против хода часовой стрелки до срабатывания. Если тепловое реле сработало раньше, чем через 145 с (70 с для ТРН-10А), регулировочный винт необходимо повернуть по ходу часовой стрелки на один оборот. Затем тепловое реле охлаждают и регулировку повторяют, чтобы оно сработало от второго нагревательного элемента за 145…150 (70…75) с.

Если тепловое реле будет срабатывать от обоих нагревательных элементов, то проводят окончательную его регулировку. Для этого оба нагревательных элемента соединяют последовательно и подключают к регулировочному устройству, а регулировочный эксцентрик устанавливают в положение "+5". Снова устанавливают ток нагрузки 1,5 I_{н дв} и через 145 (70) с плавно поворачивают эксцентрик по направлению к положению "-5" до срабатывания теплового реле. После этого тепловое реле будет точно отрегулировано. Если во время регулировки эксцентрик находится в положении "+5", а ток в нагревательном элементе равен 1,5 I_{н дв} и тепловое реле срабатывает раньше чем за 145 (70) с, то необходимо заменить нагревательный элементы, выбирая их по большему номинальному току. Если, наоборот, при этом же токе нагрузки и положении регулировочного эксцентрика "-5" тепловое реле не срабатывает за 145 (70)с, нагревательные элементы также необходимо заменить, только выбрать их следует по меньшему номинальному току. Затем тепловое реле регулируют по рассмотренной методике.

У тщательно отрегулированных тепловых реле типа ТРП и ТРН при комнатной температуре защитные характеристики мало отличаются от уточнённых средних, однако в холодном состоянии они не обеспечивают защиту электродвигателей, заклиненных и не запустившихся при обрыве фазы.

Порядок выполнения работы

1.  Используя тепловые реле, размещенные на лабораторном стенде, а также рис. 10.1 и 10.2 – изучите их конструкцию.

2.  Изучите схему принципиальную электрическую схему для проверки и регулировки тепловых реле (рис. 10.4). Прежде чем начать собирать электрическую схему согласно рис. 10.4, убедитесь в том, что отключен автоматический выключатель QF1, расположенный в левом верхнем углу стенда.

Убедитесь в целостности лабораторного оборудования и соединительных проводов.

3.  Монтажными проводами произведите коммутацию между соответствующими зажимами блока зажимов на лабораторном стенде согласно рис. 10.4.

Клеммы вторичной обмотки трансформатора выведены на зажимы 1 и 2. Клеммы амперметра рА выведены на зажимы 3, 4. Трансформатор тока TI представлен зажимами 5...8. Нагревательные элементы теплового реле КК1 выведены на зажимы 9 и 10, а размыкающий контакт – на зажим 17. Реле КК2 – соответственно на зажимы 11, 12, 18. Подсоединение к катушке магнитного пускателя КМ осуществляется через зажим 20.

Во избежание поражения электрическим током касаться руками клемм, других токоведущих деталей категорически запрещается.

4. После проверки преподавателем схемы, исследуйте защитные характеристики одного из тепловых реле (КК1 или КК2), для чего:

·   выведите ручку автотрансформатора TV1 в крайнее левое положение;

·   установите регулировочный эксцентрик уставок теплового реле в положение "-5";

·   включите автоматический выключатель QF1;

·   нажмите на кнопку "Пуск" SB2 и после подачи напряжения на схему (загорается сигнальная лампа HL3), плавно вращая ручку ЛАТРа вправо установите значение тока I, А, согласно кратности тока k_I, заданной преподавателем (табл. 10.5)

·   после нагрева биметаллической пластины и срабатывания теплового реле, размыкается его контакт КК (КК1 или КК2, соответственно) в цепи катушки магнитного пускателя КМ (гаснет сигнальная лампа HL3), нагревательный элемент начинает остывать;

·   для интенсивного охлаждения теплового реле КК предусмотрен вентилятор, питание на который подается выключателем, расположенным на стенде рядом с вентилятором;

·   после охлаждения реле в течение трех минут, нажмите на кнопку "Возврат", а затем на "Пуск" SB2, одновременно с загоранием сигнальной лампой - включите секундомер или зафиксируйте время на часах с точностью до секунды;

·   после размыкания контакта теплового реле определите время, за которое сработало реле, и занесите его значение в табл. 10.5;

·   после охлаждения реле исследуйте его защитные характеристики при положении эксцентрика "0" и "+5", затем повторите опыты для других кратностей, указанных преподавателем.

После успешно проведенного эксперимента – отключите автоматический выключатель QF1. С согласия преподавателя отсоедините монтажные провода от блока зажимов стенда. Сдайте монтажные провода лаборанту.

При возникновении аварийных ситуаций: гудении трансформаторов, появлении запаха дыма и возникновении прочих аварийных режимов – немедленно отключите автоматический выключатель QF1 и сообщите о неисправности лаборанту или преподавателю.

Таблица 10.5

Содержание отчета

1.  Название и цель работы.

2.  Конструктивная схема теплового реле типа ТРН.

3.  Схема для проверки и регулировки тепловых реле.

4.  Таблица 10.5.

5.  Времятоковая характеристика теплового реле ТРН.

6.  Для двигателя, предложенного преподавателем из табл. 10.1, подберите тепловые реле ТРН, ТРП и РТЛ.

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются тепловые реле типа ТРН ?

2. Каков принцип действия реле типа ТРН ?

3. Каков принцип действия реле типа ТРП ?

4. Каков принцип действия реле типа РТЛ ?

5. Каковы основные факторы, влияющие на работу теплового реле ТРН?

6. Для чего в тепловых реле нужна температурная компенсация ?

7. Как выполнена в тепловом реле ТРН температурная компенсация?

8. Что называется защитной характеристикой теплового реле?

9. Расскажите методику настройки теплового реле.

10. По исследованным защитным характеристикам, соответствующим нулевому положению регулятора, определите мощность электродвигателя, который можно защищать тепловым реле.

Библиографический список

1. Грундулис А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. - М.: Агропромиздат, 1988. - 111 с.

2. Чунихин А.А. Электрические аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 720 с.

3. www.mrmz.ru

4. www.konti.nnov.ru

5. www.etal.ua

6. www.techelectro.ru

7. Прищеп Л.Г. Учебник сельского электрика. - М.: Агропромиздат, 1986. - 509 с.