Relè termico: principio di funzionamento, tipi, schema di collegamento + regolazione e marcatura

La durata e l'affidabilità in esercizio di qualsiasi impianto con motore elettrico dipendono da vari fattori. Tuttavia, in larga misura, la vita utile del motore è influenzata dai sovraccarichi di corrente. Per prevenirli, viene collegato un relè termico che protegge l'organo di lavoro principale della macchina elettrica.

Spiegheremo come scegliere un dispositivo in grado di prevedere l'insorgere di situazioni di emergenza con superamento dei valori massimi consentiti di corrente. Nell'articolo presentato viene descritto il principio di funzionamento, vengono illustrate le varietà e le loro caratteristiche. Vengono forniti consigli per il collegamento e la corretta regolazione.

Perché sono necessari i dispositivi di protezione?

Anche se l'azionamento elettrico è correttamente progettato e utilizzato senza violare le regole di base di funzionamento, esiste sempre la possibilità che si verifichino guasti.

Le modalità operative di emergenza includono cortocircuiti monofase e multifase, sovraccarichi termici delle apparecchiature elettriche, bloccaggio del rotore e rottura del gruppo cuscinetti, e interruzione di fase.

Funzionando in regime di carichi elevati, il motore elettrico consuma una grande quantità di energia elettrica. E con il superamento regolare dei valori di tensione nominale, l'apparecchiatura si riscalda intensamente.

Di conseguenza, l'isolamento si deteriora rapidamente, portando a una significativa riduzione della vita utile degli impianti elettromeccanici. Per evitare tali situazioni, nel circuito di corrente elettrica vengono collegati relè di protezione termica. La loro funzione principale è garantire il normale regime di funzionamento degli utilizzatori.

Essi disconnettono il motore con un certo ritardo, e in alcuni casi istantaneamente, per prevenire la distruzione dell'isolamento o il danneggiamento di singole parti dell'impianto elettrico.

Il relè di corrente protegge costantemente il motore elettrico dall'interruzione di fase e dai sovraccarichi tecnologici, nonché dal bloccaggio del rotore. Queste sono le principali cause per cui si verificano condizioni di emergenza.

Al fine di evitare la riduzione della resistenza di isolamento, vengono utilizzati dispositivi di protezione differenziale, mentre se l'obiettivo è prevenire un raffreddamento insufficiente, si collegano speciali apparecchi di protezione termica incorporata.

Dispositivo e principio di funzionamento del relè termico

Il relè termoelettrico standard è costruttivamente un piccolo apparecchio composto da una lamina bimetallica sensibile, una spirale riscaldante, un sistema a leva con molla e contatti elettrici.

La lamina bimetallica è realizzata con due metalli diversi, di solito invar e acciaio cromo-nichel, saldati saldamente insieme. Un metallo ha un coefficiente di dilatazione termica maggiore dell'altro, quindi si riscaldano a velocità diverse.

In caso di sovraccarico di corrente, la parte non fissata della lamina si flette verso il materiale con il coefficiente di dilatazione termica inferiore. Ciò esercita una forza sul sistema di contatti nel dispositivo di protezione e attiva la disconnessione dell'impianto elettrico in caso di surriscaldamento.

La maggior parte dei modelli di relè termici meccanici ha due gruppi di contatti. Una coppia è normalmente aperta, l'altra è normalmente chiusa. Quando il dispositivo di protezione scatta, lo stato dei contatti cambia. I primi si chiudono, i secondi diventano aperti.

Nei relè termici elettronici vengono utilizzati sensori speciali e sonde sensibili che reagiscono all'aumento di corrente. Nel microprocessore di tali dispositivi di protezione sono programmati parametri che determinano le situazioni in cui è necessario disconnettere l'alimentazione.

La corrente viene rilevata da un trasformatore integrato, quindi l'elettronica elabora i dati ottenuti. Se il valore della corrente al momento attuale è maggiore del valore di intervento, l'impulso viene trasmesso istantaneamente direttamente all'interruttore.

Aprendo il contattore esterno, il relè con meccanismo elettronico blocca il carico. Il relè termico per motore elettrico stesso viene installato sul contattore.

La lamina bimetallica può essere riscaldata direttamente – per effetto della corrente di picco del carico sulla striscia metallica, o indirettamente, mediante un elemento termico separato. Spesso questi principi vengono combinati in un unico dispositivo di protezione termica. Con riscaldamento combinato, il dispositivo presenta migliori caratteristiche operative.

Dopo il raffreddamento, la lamina torna allo stato originale. I contatti di commutazione si chiudono automaticamente oppure devono essere forzati in posizione chiusa.

Caratteristiche di base del relè di corrente

La caratteristica principale del commutatore di protezione termica è la marcata dipendenza del tempo di intervento dalla corrente che lo attraversa — maggiore è l'entità, più velocemente interverrà. Ciò indica una certa inerzia dell'elemento relè.

Il movimento diretto delle particelle portatrici di carica attraverso qualsiasi apparecchio elettrico, pompa di circolazione e caldaia elettrica, genera calore. Alla corrente nominale, la sua durata ammissibile tende all'infinito.

Quando i valori superano quelli nominali, la temperatura nell'apparecchiatura aumenta, portando a un'usura prematura dell'isolamento.

L'interruzione del circuito blocca istantaneamente l'ulteriore aumento dei valori di temperatura. Ciò consente di prevenire il surriscaldamento del motore ed evitare un guasto d'emergenza dell'impianto elettrico.

Il carico nominale del motore stesso è il fattore chiave che determina la scelta del dispositivo. Un valore nell'intervallo 1,2-1,3 indica un intervento riuscito in caso di sovraccarico di corrente del 30% per un periodo di 1200 secondi.

La durata del sovraccarico può influire negativamente sulle condizioni dell'apparecchiatura elettrica: con un'esposizione breve di 5-10 minuti si riscalda solo l'avvolgimento del motore, che ha una massa ridotta. Con un'esposizione prolungata, invece, si riscalda l'intero motore, con il rischio di gravi danni. Potrebbe persino essere necessario sostituire l'apparecchiatura bruciata con una nuova.

Per proteggere al massimo l'oggetto dal sovraccarico, si dovrebbe utilizzare specificamente per esso un relè di protezione termica, il cui tempo di intervento corrisponda ai valori massimi ammissibili di sovraccarico del motore elettrico specifico.

In pratica, non è opportuno realizzare relè di controllo della tensione per ogni tipo di motore. Un singolo elemento relè viene utilizzato per proteggere motori di diverse concezioni costruttive. Allo stesso tempo, non è possibile garantire una protezione affidabile nell'intero intervallo di lavoro, delimitato dal carico minimo e massimo.

L'aumento dei valori di corrente non porta immediatamente a una pericolosa condizione di guasto dell'apparecchiatura. Trascorre un certo tempo prima che il rotore e lo statore si riscaldino fino alla temperatura limite.

Pertanto, non è strettamente necessario che il dispositivo di protezione reagisca a ogni aumento, anche minimo, di corrente. Il relè deve disconnettere il motore elettrico solo quando esiste il pericolo di un rapido deterioramento dello strato isolante.

Tipi di relè di protezione termica

Esistono diversi tipi di relè per la protezione dei motori elettrici da rottura di fase e sovraccarichi di corrente. Differiscono tutti per caratteristiche costruttive, tipo di MP utilizzato e applicazione in diversi motori.

TRP. Apparecchio di commutazione unipolare con sistema di riscaldamento combinato. Progettato per la protezione dei motori elettrici asincroni trifase da sovraccarichi di corrente. Il TRP viene utilizzato in reti elettriche a corrente continua con tensione di base in condizioni di funzionamento normale non superiore a 440 V. Si distingue per la resistenza alle vibrazioni e agli urti.

RTL. Forniscono ai motori protezione nei seguenti casi:

• in caso di perdita di una delle tre fasi;
• asimmetria di correnti e sovraccarichi;
• avviamento prolungato;
• blocco del meccanismo di attuazione.

Possono essere installati con i terminali KRL separatamente dai contattori magnetici o montati direttamente sui PML. Si installano su guide di tipo standard, classe di protezione – IP20.

RTT. Proteggono le macchine asincrone trifasi con rotore a gabbia di scoiattolo da un avvio prolungato del meccanismo, da sovraccarichi prolungati e dall'asimmetria, cioè dallo sbilanciamento di fase.

Gli RTT possono essere utilizzati come parti componenti in vari schemi di controllo degli azionamenti elettrici, nonché per l'integrazione nei contattori della serie PMA

TRN. Commutatori bifase che controllano l'avvio dell'impianto elettrico e la modalità di funzionamento del motore. Praticamente indipendenti dalla temperatura ambiente, dispongono solo di un sistema di ritorno manuale dei contatti allo stato iniziale. Possono essere utilizzati in reti a corrente continua.

RTI. Apparecchi elettrici di commutazione con un consumo di energia elettrica costante, seppur ridotto. Vengono montati su contattori della serie KMI. Funzionano insieme a fusibili/interruttori automatici.

Relè di corrente a stato solido. Sono piccoli dispositivi elettronici trifase, senza parti mobili nella loro costruzione.

Funzionano secondo il principio del calcolo dei valori medi di temperatura del motore, effettuando per questo un monitoraggio costante della corrente di lavoro e di avviamento. Si distinguono per la loro insensibilità ai cambiamenti ambientali e pertanto vengono utilizzati in aree a rischio di esplosione.

RTK. Commutatori di avviamento per il controllo della temperatura nell'involucro delle apparecchiature elettriche. Utilizzati in schemi di automazione in cui i relè termici fungono da parti componenti.

Per garantire un funzionamento affidabile delle apparecchiature elettriche, il relè deve possedere qualità come sensibilità e rapidità d'intervento, nonché selettività.

È importante ricordare che nessuno dei tipi di dispositivi sopra esaminati è adatto per proteggere i circuiti da cortocircuiti.

I dispositivi di protezione termica prevengono solo le condizioni di guasto che si verificano in caso di funzionamento anomalo del meccanismo o di sovraccarico.

Le apparecchiature elettriche possono bruciarsi prima ancora che il relè intervenga. Per una protezione completa, è necessario integrarli con fusibili o interruttori automatici compatti di costruzione modulare.

Collegamento, regolazione e marcatura

Il dispositivo di commutazione di sovraccarico, a differenza dell'interruttore automatico, non interrompe direttamente il circuito di potenza, ma invia un segnale per lo spegnimento temporaneo dell'oggetto in condizioni di guasto. Il suo contatto normalmente chiuso funge da pulsante 'stop' del contattore e viene collegato in serie.

Schema di collegamento dei dispositivi

Nella progettazione del relè non è necessario ripetere assolutamente tutte le funzioni dei contatti di potenza in caso di intervento positivo, poiché è collegato direttamente al MP. Questa soluzione consente di risparmiare notevolmente materiali per i contatti di potenza. È molto più semplice collegare una piccola corrente nel circuito di comando che interrompere direttamente tre fasi con una corrente elevata.

In molti schemi di collegamento del relè termico all'oggetto si utilizza un contatto normalmente chiuso. Esso viene collegato in serie al pulsante 'Stop' del pannello di comando e viene indicato come NC – normalmente chiuso, o NC – normal connected.

Il contatto aperto in questo schema può essere utilizzato per attivare l'intervento della protezione termica. Gli schemi di collegamento dei motori elettrici in cui è inserito il relè termico possono differire notevolmente a seconda della presenza di dispositivi aggiuntivi o caratteristiche tecniche.

Nello schema standard semplice, il relè termico viene collegato all'uscita del contattore a bassa tensione per il motore elettrico. I contatti ausiliari del dispositivo vengono sempre collegati in serie con la bobina del contattore.

Ciò garantirà una protezione affidabile contro i sovraccarichi dell'apparecchiatura elettrica. In caso di superamento inaccettabile dei valori limite di corrente, l'elemento relè aprirà il circuito, scollegando istantaneamente il contattore magnetico (MP) e il motore dall'alimentazione.

Il collegamento e l'installazione del relè termico vengono generalmente effettuati insieme al contattore magnetico, destinato alla commutazione e all'avvio dell'azionamento elettrico. Tuttavia, esistono modelli che vengono montati su guida DIN o pannello speciale.

Dettagli sulla regolazione degli elementi del relè

Uno dei requisiti principali per i dispositivi di protezione dei motori elettrici è un funzionamento preciso degli apparecchi in caso di modalità di funzionamento di emergenza del motore. È molto importante selezionarlo e regolare correttamente le impostazioni, poiché gli interventi falsi sono assolutamente inammissibili.

Un relè termico elettrico che si adatta in modo ottimale a un tipo specifico di motore secondo tutti i parametri tecnici è in grado di fornire una protezione affidabile contro i sovraccarichi su ciascuna fase, prevenire un avvio prolungato dell'impianto ed evitare situazioni di emergenza con bloccaggio del rotore.

Tra i vantaggi dell'utilizzo di elementi di protezione a corrente si devono notare anche la velocità piuttosto elevata e l'ampia gamma di intervento, nonché la facilità di installazione. Per garantire lo spegnimento tempestivo del motore elettrico in caso di sovraccarico, il relè di protezione termica deve essere regolato su una piattaforma/banca di prova speciale.

In tal caso si elimina l'imprecisione dovuta alla naturale dispersione non uniforme delle correnti nominali negli elementi riscaldanti. Per verificare il dispositivo di protezione sul banco di prova si utilizza il metodo dei carichi fittizi.

Attraverso l'elemento termico viene fatta passare una corrente elettrica a tensione ridotta per simulare un carico termico reale. Successivamente, tramite un timer, si determina con precisione il tempo esatto di intervento.

Impostando i parametri di base, si devono ricercare i seguenti valori:

• Con una corrente 1,5 volte superiore, il dispositivo deve scollegare il motore dopo 150 s;
• Con una corrente 5...6 volte superiore, deve scollegare il motore dopo 10 s.

Se il tempo di intervento non corrisponde alla norma, è necessario regolare l'elemento relè mediante la vite di controllo.

Per un corretto funzionamento è necessario impostare il dispositivo sulla corrente elettrica massima ammissibile del motore e sulla temperatura dell'aria

Ciò si effettua nei casi in cui i valori della corrente nominale dell'elemento termico e del motore differiscono, e anche se la temperatura ambiente è inferiore a quella nominale (+40 °C) di oltre 10 gradi Celsius.

La corrente di interruzione del commutatore elettrotermico diminuisce con l'aumento della temperatura intorno all'oggetto considerato, poiché il riscaldamento della striscia bimetallica dipende da questo parametro. In caso di differenze significative, è necessario regolare ulteriormente il relè termico o scegliere un elemento termico più adatto.

Le brusche fluttuazioni dei valori di temperatura influenzano notevolmente l'efficienza del relè di corrente. Pertanto è molto importante scegliere un elemento termico in grado di svolgere efficacemente le funzioni principali tenendo conto dei valori reali.

Si consiglia di collocare il relè termico nello stesso locale dell'impianto elettrico da proteggere. Non deve essere montato vicino a generatori di calore, forni di riscaldamento e altre fonti di calore.

Queste limitazioni non si applicano ai relè con compensazione di temperatura. La regolazione della corrente del dispositivo di protezione può essere impostata in un intervallo da 0,75 a 1,25 volte il valore della corrente nominale dell'elemento termico. La regolazione viene eseguita per fasi.

Innanzitutto si calcola la correzione E₁ senza compensazione di temperatura:

E₁=(I_nom-I_te)/c×I_te,

Dove

• I_nom – corrente nominale del carico del motore,
• I_te – corrente nominale dell'elemento termico di lavoro nel relè,
• c – valore della divisione della scala, ovvero dell'eccentrico (c=0,055 per gli avviatori protetti, c=0,05 per quelli aperti).

Il passo successivo è la determinazione della correzione E₂ per la temperatura dell'aria ambiente:

E₂=(t_a-30)/10,

Dove t_a (temperatura ambiente) – temperatura dell'ambiente esterno in gradi Celsius.

L'ultima fase è il calcolo della correzione totale:

E=E₁+E₂.

La correzione totale E può essere con segno '+' o '-'. Se il risultato è un valore frazionario, deve essere arrotondato all'intero per difetto o per eccesso in base al modulo, a seconda della natura del carico di corrente.

Per regolare il relè, l'eccentrico viene spostato sul valore ottenuto della correzione totale. L'elevata temperatura di intervento riduce la dipendenza del funzionamento dell'apparecchio di protezione dai fattori esterni.

Il relè di protezione termica consente una regolazione manuale graduale del valore della corrente di intervento entro ±25% del valore della corrente nominale dell'impianto elettromeccanico.

La regolazione di questi parametri viene effettuata tramite una leva speciale, il cui movimento modifica la curvatura iniziale della lamina bimetallica. La regolazione della corrente di intervento in un intervallo più ampio viene effettuata sostituendo gli elementi termici.

Negli apparecchi di commutazione moderni per la protezione da sovraccarico è presente un pulsante di test che consente di verificare il funzionamento del dispositivo senza un banco di prova speciale. È presente anche un tasto per resettare tutte le impostazioni. È possibile azzerarle automaticamente o manualmente. Inoltre, il prodotto è dotato di un indicatore dello stato attuale dell'apparecchio elettrico.

Marcatura dei relè elettrotermici

Gli apparecchi di protezione vengono scelti in base alla potenza del motore elettrico. La maggior parte delle caratteristiche chiave è nascosta nella designazione convenzionale.

Ecco come appare la marcatura dei relè termici dello stabilimento KEAZ. È importante, durante la scelta, prestare attenzione al valore della corrente nominale del modello in esame, in modo che sia sufficiente.

Occorre focalizzare l'attenzione su alcuni punti:

1. L'intervallo dei valori di corrente di taratura (indicato tra parentesi) differisce minimamente tra i diversi produttori.
2. Le designazioni letterali di uno specifico tipo di esecuzione possono variare.
3. L'esecuzione climatica viene spesso presentata sotto forma di intervallo. Ad esempio, UHL3O4 va letto come: UHL3-O4.

Oggi è possibile acquistare le più diverse varianti del dispositivo: relè per corrente alternata e continua, monostabili e bistabili, apparecchi con ritardo all'accensione/spegnimento, relè di protezione termica con elementi acceleratori, TR senza avvolgimento di mantenimento, con un avvolgimento o più.

Questi parametri non sono sempre riportati nella marcatura dei dispositivi, ma devono essere obbligatoriamente indicati nel passaporto tecnico dei prodotti elettrotecnici.

L'articolo seguente illustra il dispositivo, le varietà e la marcatura del relè elettromagnetico; vi consigliamo di leggerlo.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Dispositivo e principio di funzionamento del relè di corrente per la protezione efficace del motore elettrico, sull'esempio del dispositivo RTT 32P:

La corretta protezione da sovraccarico e interruzione di fase è la garanzia di un funzionamento lungo e senza problemi del motore elettrico. Video su come reagisce l'elemento relè in caso di funzionamento anomalo del meccanismo:

Come collegare il dispositivo di protezione termica al MP, schemi elettrici del relè elettrotermico:

Il relè di protezione termica da sovraccarico è un elemento funzionale obbligatorio di qualsiasi sistema di controllo dell'azionamento elettrico. Reagisce alla corrente che passa al motore e si attiva quando la temperatura dell'impianto elettromeccanico raggiunge valori limite. Ciò consente di prolungare al massimo la vita utile di motori elettrici ecologicamente sicuri.

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